JP3715979B2 - Improved fluorinated carbon for metal / fluorinated carbon batteries - Google Patents

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Description

本発明は、改良されたフッ素化炭素(CFx)材料および電池の製造に有用なその混合物に関するものである。本発明は、新規な電流生産電池に関する。さらに詳しくは本発明は、アルカリ金属アノード、フッ素化炭素材料のカソードおよび電解質から成る形の電流生産電池の改良の関する。さらに詳しくは本発明は、フッ素化された非等方性炭素とフッ素化された等方性炭素を混合することによって作られるフッ素化炭素から成る新規なカソード組成物に関し、ここに非等方性炭素は炭素繊維であり、等方性炭素はグラファイトである。そのような組成物は、リチウム、ナトリウムまたはカリウムのような活性金属アノードをもつ非水性の電池中のカソード活物質として有用である。この新規な組成物は、フッ素化石油コークスまたは類似の材料に基づく常用の工業製品よりも高い比容量と高い放電率能力を有する。さらに、この組成物にて作られたカソードは、常用のフッ素化炭素で作ったカソードまたは単にフッ素化炭素繊維で作ったカソードに比べて、放電中に膨潤しない(カソードの体積が増加しない)。放電中に膨潤しないフッ素化炭素材料を使うことによって、電池の製造業者は単位容積あたりの活物質の量を増すことができ、それによって電池の全エネルギーと寿命を増すことができる。本発明はまた、電池の放電中に膨潤しないフッ素化炭素材料を混合した非水性リチウム電池によって駆動される生物医学的装置に関する。本発明はまた一般に、移植可能な医学装置を駆動するのに使う電気化学電池に関するものでもある。   The present invention relates to improved fluorinated carbon (CFx) materials and mixtures thereof useful in the manufacture of batteries. The present invention relates to a novel current producing battery. More particularly, the present invention relates to an improvement in current production cells in the form of an alkali metal anode, a cathode of a fluorinated carbon material and an electrolyte. More particularly, the present invention relates to a novel cathode composition comprising fluorinated carbon made by mixing fluorinated anisotropic carbon and fluorinated isotropic carbon, wherein the anisotropic composition is anisotropic. Carbon is carbon fiber, and isotropic carbon is graphite. Such compositions are useful as cathode active materials in non-aqueous batteries having an active metal anode such as lithium, sodium or potassium. This novel composition has a higher specific capacity and higher discharge rate capability than conventional industrial products based on fluorinated petroleum coke or similar materials. Furthermore, cathodes made with this composition do not swell during discharge (the cathode volume does not increase) compared to cathodes made from conventional fluorinated carbon or simply made from fluorinated carbon fibers. By using a fluorinated carbon material that does not swell during discharge, battery manufacturers can increase the amount of active material per unit volume, thereby increasing the overall energy and life of the battery. The invention also relates to a biomedical device driven by a non-aqueous lithium battery mixed with a fluorinated carbon material that does not swell during battery discharge. The present invention also generally relates to an electrochemical cell used to drive an implantable medical device.

高性能の電池のアノードのための活物質は、適切なカソードと組み合わせて使用される場合、高い起電力、高い開放電圧および、さらに放電時の小さい過電圧、放電曲線の良好な平坦性および単位体積あたりの大きい放電容量を持つことが典型的に要求される。さらに、活物質は電池の電解質中で分解も溶解もしないことが要求され、また長期にわたって安定でなければならない。   Active materials for high performance battery anodes, when used in combination with a suitable cathode, high electromotive force, high open circuit voltage, and even small overvoltage during discharge, good flatness of discharge curve and unit volume It is typically required to have a large per capita discharge capacity. Furthermore, the active material is required not to decompose or dissolve in the battery electrolyte and must be stable over time.

xが0と2の間の数であり、nが2より大きい不定数である一般化学式(CFx)nをもつフッ素化炭素材料は、リチウム電池のためのカソード材料として有用であることが知られており、潤滑用途にも使用されてきた。以後、本明細書の目的のために(CFx)nをCFxと略記する。フッ素化炭素は、グラファイト、石油コークス、石炭コークス、カーボンブラックまたは炭素繊維を含む種々の形の炭素の多くとフッ素ガスの反応によって調製される。フッ素と炭素の反応は250℃ないし600℃の範囲の温度で行われ、反応時間は普通1ないし24時間の範囲である。   Fluorinated carbon materials having the general chemical formula (CFx) n, where x is a number between 0 and 2 and n is an unconstant greater than 2, are known to be useful as cathode materials for lithium batteries. And has been used for lubrication. Hereinafter, (CFx) n is abbreviated as CFx for the purpose of this specification. Fluorinated carbon is prepared by the reaction of fluorine gas with many of the various forms of carbon including graphite, petroleum coke, coal coke, carbon black or carbon fiber. The reaction between fluorine and carbon is carried out at a temperature in the range of 250 ° C. to 600 ° C., and the reaction time is usually in the range of 1 to 24 hours.

フッ素化炭素化合物が非水性電池の活性カソード材料として使用できることはかなり前から知られてきた。このカソード材料、非水性電解質およびリチウムまたはナトリウムのような高活性の金属アノードを使う系に特別の関心が集中した。そのような系の例として、ブラウエルらは米国特許第3,514,337号において、xが0.1ないし0.28の範囲にあるCFxから成る高エネルギー密度電池を開示している。ワタナベらの米国特許第3,536,532号においては、特許権者はxが0.5ないし最高1までの範囲にあるCFxを使った高エネルギー密度電池を記載している。結晶性炭素(例えばグラファイト)から調製したフッ素化炭素電池材料はブラウエルの記載した材料に比べて高いエネルギー密度および向上した放電性能を発揮した。米国特許第3,700,502号でのワタナベらの別の開示は、xが0より大きく1までの範囲にあり木炭、活性炭またはコークスのような炭素源から調製されるCFx型のフッ素化素炭素を使った高エネルギー密度系を記載している。これらの電池は電解質中でのフッ素化炭素の安定性によって長い寿命を示した。これらの系の両方において、電解質は有機溶媒(すなわち炭酸プロピレンなど)および過塩素酸リチウムの非水溶液であった。アノード活物質は、リチウムまたはナトリウムのようなアルカリ金属である。   It has been known for some time that fluorinated carbon compounds can be used as active cathode materials in non-aqueous batteries. Special attention has focused on systems using this cathode material, non-aqueous electrolytes and highly active metal anodes such as lithium or sodium. As an example of such a system, Brawell et al., In US Pat. No. 3,514,337, discloses a high energy density battery consisting of CFx with x in the range of 0.1 to 0.28. In US Pat. No. 3,536,532 to Watanabe et al., The patentee describes a high energy density battery using CFx with x ranging from 0.5 to a maximum of 1. Fluorinated carbon battery materials prepared from crystalline carbon (eg, graphite) exhibited higher energy density and improved discharge performance compared to Brawell's described materials. Another disclosure of Watanabe et al. In US Pat. No. 3,700,502 is a CFx type fluorinated element in which x is in the range of greater than 0 to 1 and is prepared from a carbon source such as charcoal, activated carbon or coke. A high energy density system using carbon is described. These batteries showed a long life due to the stability of the fluorinated carbon in the electrolyte. In both of these systems, the electrolyte was an organic solvent (ie, propylene carbonate, etc.) and a non-aqueous solution of lithium perchlorate. The anode active material is an alkali metal such as lithium or sodium.

1より大きく2までで2を含むxの値をもつフッ素化炭素から成る別の電池がグンターの米国特許第3,892,590号に記載されている。この特許の材料は、増加したフッ素含有量によって従来技術より高いエネルギー密度を示すと記載されている。   Another battery of fluorinated carbon having a value of x greater than 1 and up to 2 and including 2 is described in Gunter US Pat. No. 3,892,590. The material of this patent is described as exhibiting a higher energy density than the prior art due to the increased fluorine content.

米国特許第4,271,242号において、トヨグチらはその(002)面に3.40〜3.50Aの格子定数をもつ炭素をフッ素化することによって得られるフッ素化炭素の使用を開示している。その炭素は石油コークスおよび石炭コークスの中から選ばれ、できた電池は優れた放電および放置寿命特性をもつ。この特許に記載されたフッ素化炭素材料は一般にフッ素化炭素カソードを使ったリチウム電池のための工業規格として受容されており、そのような材料は電池の工業生産に広く使用されている。   In US Pat. No. 4,271,242, Toyoguchi et al. Disclosed the use of fluorinated carbon obtained by fluorinating carbon having a lattice constant of 3.40 to 3.50 A on its (002) plane. Yes. The carbon is selected from petroleum coke and coal coke, and the resulting battery has excellent discharge and shelf life characteristics. The fluorinated carbon materials described in this patent are generally accepted as an industry standard for lithium batteries using fluorinated carbon cathodes, and such materials are widely used in the industrial production of batteries.

ロシア電気化学会誌36巻12号、2000、1325頁に、ゾリンおよびスミルノフはフッ素化カーボンブラック、フッ素化コークスおよびフッ素化炭素繊維を含むフッ素化炭素の種々の型の性能を評価した。その結果はフッ素化コークスがフッ素化炭素繊維に優ることを示す。しかし、これらの著者は非等方性の材料が炭素繊維であり、等方性の材料がグラファイトである場合、非等方性および等方性の炭素から生産されるフッ素化炭素の混合物を使うことの利益を認めなかった。   In the Russian Electrochemical Society Vol. 36, No. 12, 2000, p. 1325, Zolin and Smirnov evaluated the performance of various types of fluorinated carbon including fluorinated carbon black, fluorinated coke and fluorinated carbon fibers. The results show that fluorinated coke is superior to fluorinated carbon fiber. However, these authors use a mixture of fluorinated carbons produced from anisotropic and isotropic carbon, where the anisotropic material is carbon fiber and the isotropic material is graphite. Did not recognize the benefit of that.

さらに、ヒトまたは動物への外科的移植のために広範囲の移植用の電子機器が提供されていることが公知である。一般的な例は心臓ペースメーカーである。移植用の機器の他の例には、脳、脊髄、筋肉、骨、神経、腺または他の身体器官または組織の部分を刺激または感知するための装置を含む。移植用の装置はますます複雑になってきており、普通マイクロプロセッサ、記憶装置、または他の大規模積分(LSI)装置のような洗練されたデータ処理ハードウエアを含む。その装置は遠隔の感知装置へ信号を送信するように設計されることが多い。移植用の装置がどんどん洗練され、特に身体外のセンサへ確実に信号を送る必要性とともに、移植用の装置を駆動するための改良された電力電池への要求が非常に増加してきた。もちろん、特にその寸法と形状に関しては移植用の装置への使用のための電力電池の設計と構成には限界がある。さらに、移植可能な装置のための電力電池は、信頼性が高く長期間にわたって電流と電圧の適切な量を供給することができなければならない。   It is further known that a wide range of implantable electronic devices are provided for surgical implantation in humans or animals. A common example is a cardiac pacemaker. Other examples of implantable devices include devices for stimulating or sensing parts of the brain, spinal cord, muscle, bone, nerve, gland or other body organ or tissue. Porting devices are becoming more and more complex and typically include sophisticated data processing hardware such as microprocessors, storage devices, or other large scale integration (LSI) devices. The device is often designed to send a signal to a remote sensing device. The demand for improved power batteries to drive implantable devices has increased greatly, with the need for implantable devices to become more sophisticated and in particular to reliably signal external sensors. Of course, there are limitations to the design and construction of power cells for use in implantable devices, particularly with respect to their size and shape. In addition, power cells for implantable devices must be reliable and able to supply adequate amounts of current and voltage over a long period of time.

したがって、本発明者らは高い性能をもつ電池のカソードのためのフッ素型の活物質開発するために広範な研究を行い、その結果高性能の電池のカソード活物質のための上記の要件をほとんど完全に満たすだけでなく、電池のための種々の性能においてカソード用の従来の活物質に優るカソード用の活物質を見出した。   Therefore, the present inventors have conducted extensive research to develop a fluorine-type active material for a high performance battery cathode, and as a result, almost meet the above requirements for a high performance battery cathode active material. We have found an active material for the cathode that not only fully satisfies but also superior to the conventional active material for the cathode in various performances for the battery.

先行技術には、非等方性材料が炭素繊維であり等方性材料がグラファイトである非等方性および等方性炭素から作られたフッ素化炭素の混合物から成るカソード組成物についての記載が存在しない。出願人らは、非水性電池の活性カソード材料として使用した場合、そのような混合物が従来技術のフッ素化炭素電極組成物に優って放電特性の相当な向上を与えることを発見した。また、従来技術には、移植可能な装置を含む生物医学用とにおける本発明の新規なフッ素化材料を含む電池の使用についても記載されていない。   The prior art describes a cathode composition consisting of a mixture of fluorinated carbon made from anisotropic and isotropic carbon, where the anisotropic material is carbon fiber and the isotropic material is graphite. not exist. Applicants have discovered that such a mixture provides a significant improvement in discharge characteristics over prior art fluorinated carbon electrode compositions when used as an active cathode material in non-aqueous batteries. The prior art also does not describe the use of batteries containing the novel fluorinated materials of the present invention in biomedical applications including implantable devices.

発明の目的Object of the invention

したがって、本発明の一つの主な目的は、工業用途のために優れた性質をもつフッ素化炭素の新規な組成物を提供することである。
本発明の別の目的は、カソード材料として有用なフッ素化炭素の組成物を提供することである。
本発明のさらにもう一つの目的は、フッ素化された非等方性炭素とフッ素化された等方性炭素を混合して作られたフッ素化炭素から成る組成物を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、フッ素化された非等方性炭素とフッ素化された等方性炭素を混合して作られたフッ素化炭素から成るカソード材料を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、非等方性材料が炭素繊維であり等方性材料がグラファイトであるフッ素化された非等方性炭素とフッ素化された等方性炭素を混合して作られたフッ素化炭素から成る組成物を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、非等方性材料が炭素繊維であり等方性材料がグラファイトであるフッ素化された非等方性炭素とフッ素化された等方性炭素を混合して作られたフッ素化炭素から成るカソード組成物である。
Accordingly, one main object of the present invention is to provide a novel composition of fluorinated carbon having superior properties for industrial applications.
Another object of the present invention is to provide a fluorinated carbon composition useful as a cathode material.
Yet another object of the present invention is to provide a composition comprising fluorinated carbon made from a mixture of fluorinated anisotropic carbon and fluorinated isotropic carbon.
Yet another object of the present invention is to provide a cathode material consisting of fluorinated carbon made from a mixture of fluorinated anisotropic carbon and fluorinated isotropic carbon.
Still another object of the present invention is to produce a mixture of fluorinated isotropic carbon and fluorinated isotropic carbon in which the anisotropic material is carbon fiber and the isotropic material is graphite. To provide a composition comprising a selected fluorinated carbon.
Still another object of the present invention is to produce a mixture of fluorinated isotropic carbon and fluorinated isotropic carbon in which the anisotropic material is carbon fiber and the isotropic material is graphite. A cathode composition comprising the fluorinated carbon produced.

本発明の別の重要な目的は、アルカリ金属アノードおよび非等方性材料が炭素繊維であり等方性材料がグラファイトであるフッ素化された非等方性炭素とフッ素化された等方性炭素を混合して作られたフッ素化炭素から成るカソード組成物を含む非水性電池である。
本発明のさらに重要な目的は、本発明の電池を使って生物医学的および移植可能な装置を提供することである。
本発明の上記および他の目的および特長は、下記の詳細な説明から当業者に明らかとなるであろう。
Another important object of the present invention is the fluorinated anisotropic carbon and the fluorinated isotropic carbon in which the alkali metal anode and the anisotropic material are carbon fibers and the isotropic material is graphite. Is a non-aqueous battery comprising a cathode composition made of fluorinated carbon made of
A further important object of the present invention is to provide a biomedical and implantable device using the battery of the present invention.
These and other objects and features of the invention will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description.

発明の要約Summary of invention

本発明は、フッ素化された非等方性炭素とフッ素化された等方性炭素の混合物から成る物質の組成物に関するものである。
本発明は、そのフッ素化された非等方性炭素が0.1%ないし99.9%の量で存在し、そのフッ素化された等方性炭素が0.1%ないし99.9%の量で存在するフッ素化された非等方性炭素とフッ素化された等方性炭素の混合物から成る物質の組成物に関するものでもある。
The present invention relates to a composition of matter comprising a mixture of fluorinated anisotropic carbon and fluorinated isotropic carbon.
The present invention provides that the fluorinated isotropic carbon is present in an amount of 0.1% to 99.9% and the fluorinated isotropic carbon is 0.1% to 99.9%. It also relates to a composition of matter consisting of a mixture of fluorinated anisotropic carbon and fluorinated isotropic carbon present in an amount.

本発明はさらに、(a)活物質として電気化学的に活性な金属をもつアノード、(b)非水性の液状の電解質および(c)その主な活物質としてフッ素化された非等方性炭素とフッ素化された等方性炭素の混合物から成るカソードから成る高エネルギー密度電池に関する。
本発明は、フッ素化された非等方性炭素とフッ素化された等方性炭素の混合物および有効量の導電性材料から成る電気化学的に活性なカソード組成物をも提供する。
本発明は、そのフッ素化された非等方性炭素が0.1%ないし99.9%の量で存在し、そのフッ素化された等方性炭素が0.1%ないし99.9%の量で存在するフッ素化された非等方性炭素とフッ素化された等方性炭素の混合物および有効量の導電性材料から成る電気化学的に活性な組成物をも提供する。
The present invention further includes (a) an anode having an electrochemically active metal as an active material, (b) a non-aqueous liquid electrolyte, and (c) fluorinated anisotropic carbon as its main active material. And a high energy density battery comprising a cathode comprising a mixture of fluorinated isotropic carbon.
The present invention also provides an electrochemically active cathode composition comprising a mixture of fluorinated anisotropic carbon and fluorinated isotropic carbon and an effective amount of a conductive material.
The present invention provides that the fluorinated isotropic carbon is present in an amount of 0.1% to 99.9% and the fluorinated isotropic carbon is 0.1% to 99.9%. There is also provided an electrochemically active composition comprising a mixture of fluorinated anisotropic carbon and fluorinated isotropic carbon present in an amount and an effective amount of a conductive material.

本発明はさらに、(a)活物質として電気化学的に活性な金属をもつアノード、(b)非水性の液状の電解質および(c)その主な活物質としてフッ素化された非等方性炭素とフッ素化された等方性炭素の混合物から成るカソードから成る電池によって駆動される生物医学的な移植可能な装置をも提供する。   The present invention further includes (a) an anode having an electrochemically active metal as an active material, (b) a non-aqueous liquid electrolyte, and (c) fluorinated anisotropic carbon as its main active material. There is also provided a biomedical implantable device driven by a battery comprising a cathode comprising a mixture of fluorinated and fluorinated isotropic carbon.

本発明は、非等方性炭素が炭素繊維であり,等方性炭素がグラファイトであるフッ素化された非等方性炭素とフッ素化された等方性炭素を混合して作られるフッ素化炭素から成る新規なカソード組成物に関する。この新規なカソード組成物は、つぎに高エネルギー密度非水性電池に使われ、これは優れた電気化学的性質を示す。この新規なカソード組成物は、アノード、有機電解質溶液およびカソードから成る新規な高エネルギー非水性電池の提供を可能にする。本発明のカソード組成物は、リチウムアノードと組み合わせて使用すると、電池の膨潤挙動を最小にし、なくすことさえある。   The present invention relates to a fluorinated carbon produced by mixing a fluorinated anisotropic carbon and a fluorinated isotropic carbon in which the anisotropic carbon is carbon fiber and the isotropic carbon is graphite. A novel cathode composition comprising: This novel cathode composition is then used in high energy density non-aqueous batteries, which exhibit excellent electrochemical properties. This novel cathode composition makes it possible to provide a novel high energy non-aqueous battery consisting of an anode, an organic electrolyte solution and a cathode. The cathode composition of the present invention, when used in combination with a lithium anode, minimizes and even eliminates battery swelling behavior.

本発明の実施において、フッ素化炭素から成る新規なカソード組成物は、フッ素化非等方性炭素とフッ素化等方性炭素を完全に混合することによって作られる。この混合物は、0.1重量%ないし99.9重量%の非等方性炭素から作られたフッ素化炭素および0.1重量%ないし99.9重量%の等方性炭素から作られたフッ素化炭素を含んでもよい。より好ましくは、混合物は、60重量%ないし90重量%の非等方性炭素から作られたフッ素化炭素を含んでもよく、残り(10重量%ないし40重量%)は等方性炭素から作られたフッ素化炭素である。より好ましくは、混合物は、70重量%ないし95重量%の非等方性炭素から作られたフッ素化炭素を含んでもよく、残り(5重量%ないし30重量%)は等方性炭素から作られたフッ素化炭素である。   In the practice of the present invention, a novel cathode composition comprising fluorinated carbon is made by thoroughly mixing fluorinated anisotropic carbon and fluorinated isotropic carbon. This mixture contains fluorinated carbon made from 0.1 wt% to 99.9 wt% anisotropic carbon and fluorine made from 0.1 wt% to 99.9 wt% isotropic carbon. Carbonized carbon may be included. More preferably, the mixture may comprise fluorinated carbon made from 60% to 90% by weight anisotropic carbon and the remainder (10% to 40% by weight) made from isotropic carbon. Fluorinated carbon. More preferably, the mixture may comprise fluorinated carbon made from 70% to 95% by weight anisotropic carbon and the remainder (5% to 30% by weight) made from isotropic carbon. Fluorinated carbon.

非等方性炭素から作られたフッ素化炭素は、好ましくは炭素繊維のフッ素化によって、最も好ましくはビスコースレーヨンポリマー繊維または布帛の炭化によて作られた炭素繊維のフッ素化によって作られる。フッ素化繊維は、600℃までの温度と1ないし24時間の反応時間で炭素繊維をフッ素ガスと反応させることによって製造する。フッ素化のあと、繊維を粉砕し篩い分けて、4ないし15ミクロンの範囲の平均粒径および45ミクロンの最大粒径を有する粉末とする。   Fluorinated carbon made from anisotropic carbon is preferably made by fluorination of carbon fibers, most preferably by fluorination of carbon fibers made by carbonization of viscose rayon polymer fibers or fabrics. Fluorinated fibers are produced by reacting carbon fibers with fluorine gas at temperatures up to 600 ° C. and reaction times of 1 to 24 hours. After fluorination, the fibers are crushed and sieved to a powder having an average particle size in the range of 4 to 15 microns and a maximum particle size of 45 microns.

等方性炭素から作られるフッ素化炭素は、好ましくは天然グラファイトまたは合成グラファイトのフッ素化によって、最も好ましくは天然グラファイトのフッ素化によって作られる。これらのフッ素化炭素は、600℃までの温度と1ないし24時間の反応時間で天然グラファイトまたは合成グラファイトをフッ素ガスと反応させることによって作られる。出発炭素質材料(天然グラファイトまたは合成グラファイト)は、フッ素化の前に粉砕され、できたフッ素化炭素は4ないし15ミクロンの範囲の平均粒径および45ミクロン以下の最大粒径をもたねばならない。   The fluorinated carbon made from isotropic carbon is preferably made by fluorination of natural graphite or synthetic graphite, most preferably by fluorination of natural graphite. These fluorinated carbons are made by reacting natural or synthetic graphite with fluorine gas at temperatures up to 600 ° C. and reaction times of 1 to 24 hours. The starting carbonaceous material (natural graphite or synthetic graphite) is ground prior to fluorination, and the resulting fluorinated carbon must have an average particle size in the range of 4 to 15 microns and a maximum particle size of 45 microns or less. .

電気化学電池へ組み込むための電極への組み立て前に、本発明の新規なフッ素化活物質は、好ましくは導電性の添加剤と混ぜる。適切な導電性の添加剤には、アセチレンブラック、カーボンブラックおよび/またはグラファイトが含まれる。上に表記した活物質と混ぜる場合に、粉末状のニッケル、アルミニウム、チタンおよびステンレススチールのような金属も導電性の希釈剤として有用である。その電極はさらに、好ましくは粉末のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)または粉末のフッ素化ポリビニリデン(PVDF)のようなフッ素樹脂の粉末である結合剤材料から成る。本発明による電気化学電池に有用な追加の活物質には、酸化銀バナジウム、二酸化マンガン、酸化リチウムコバルト、硫化銅、硫化鉄、二硫化鉄、酸化銅バナジウムおよびそれらの混合物が含まれる。好ましいカソード活性混合物は、アセチレンブラックおよび/またはグラファイトと組み合わせたフッ素化非等方性炭素およびフッ素化等方性炭素とPTFEの混合物から成る。   Prior to assembly into an electrode for incorporation into an electrochemical cell, the novel fluorinated active material of the present invention is preferably mixed with a conductive additive. Suitable conductive additives include acetylene black, carbon black and / or graphite. Metals such as powdered nickel, aluminum, titanium and stainless steel are also useful as conductive diluents when mixed with the active materials listed above. The electrode further comprises a binder material which is preferably a fluororesin powder such as powdered polytetrafluoroethylene (PTFE) or powdered fluorinated polyvinylidene (PVDF). Additional active materials useful in the electrochemical cells according to the present invention include silver vanadium oxide, manganese dioxide, lithium cobalt oxide, copper sulfide, iron sulfide, iron disulfide, copper vanadium oxide, and mixtures thereof. Preferred cathode active mixtures consist of fluorinated anisotropic carbon and a mixture of fluorinated isotropic carbon and PTFE in combination with acetylene black and / or graphite.

本発明の新規なフッ素化組成物を使う本発明の電極は、シアの米国特許第4,556,618号によって製造することができる。例えば、電気的に活性なフッ素化炭素電極の調製において、フッ素化非等方性炭素およびフッ素化等方性炭素の混合物から成る最初の成分、すなわち好ましくは少量の導電性向上材料およびポリテトラフルオロエチレンのようなフィブリル化可能なポリマーを追加した活性カソード材料を、乾式加工法による剪断工程にかける。これによってその成分は活物質(導電性炭素)成分から成る緊密な混合物全体を通じて不連続な繊維から成る材料に変わる。これらの材料は、例えばバンバリーミキサーまたはボールミルのような混合器中で最初一緒に混ぜられ、つぎに例えば押出機中で加工して成型電極品を作る。別の方法として、成分を相互に混ぜて、希望の最終の電極の形状および混合物に多孔性を与えるのに使う装置に応じて種々の順序で加工してもよい。加工の間、混合物は適当なアルコール/または混合物、例えばイソプロパノール‐水混合物のような混合物または成型品の条件に不利な影響を残すことなく、容易に除去できる適当な液状の気孔形成剤で完全に湿らされる。適切な気孔形成剤は、一般に50℃ないし250℃、好ましくは70℃ないし150℃の温度で従来の方法で気化できるものである。気孔形成剤を除去することによって、前駆電極組成物は所望の電極系に変換される。所望の繊維の条件にフィブリル化可能なポリマーを変換するのは、その場で行うのが有利である。その場での変換とは、系の成分の一つ、例えば活物質の存在でフィブリル化されることを意味する。   The electrodes of the present invention using the novel fluorinated compositions of the present invention can be made according to Shea US Pat. No. 4,556,618. For example, in the preparation of an electrically active fluorinated carbon electrode, the first component consisting of a mixture of fluorinated anisotropic carbon and fluorinated isotropic carbon, preferably a small amount of conductivity enhancing material and polytetrafluoro The active cathode material with the addition of a fibrillatable polymer such as ethylene is subjected to a shearing process by dry processing. This converts the component into a material composed of discontinuous fibers throughout the intimate mixture of active material (conductive carbon) components. These materials are first mixed together in a mixer, such as a Banbury mixer or ball mill, and then processed, for example, in an extruder to form a molded electrode article. Alternatively, the components may be mixed together and processed in various orders depending on the desired final electrode geometry and the equipment used to impart porosity to the mixture. During processing, the mixture is completely made up of a suitable liquid pore former that can be easily removed without leaving a detrimental effect on the conditions of the appropriate alcohol / or mixture, for example an isopropanol-water mixture or a molded article. Moistened. Suitable pore formers are generally those which can be vaporized in a conventional manner at a temperature of 50 ° C to 250 ° C, preferably 70 ° C to 150 ° C. By removing the pore former, the precursor electrode composition is converted to the desired electrode system. Converting the fibrillatable polymer to the desired fiber conditions is advantageously done in situ. In-situ conversion means fibrillation in the presence of one of the components of the system, for example the active material.

その電極系または前駆電極組成物は、ペレットとして成型され、そのペレットは従来のポリマーの加工技術、例えば押出、鋳型、ブロー成型またはそれらの組み合わせによって所望の形の電極に変換できる。上に示したように、加工法の適切な選択によって、成分は乾燥粉末の混合物から加工し、つぎに気孔形成性の液体で完全に湿潤し、直接薄板または棒に成型する。気孔形成性の揮発性の液体は、所望の形の電極に成分を成型する過程で都合よく抽出される。薄板または棒の厚さは変えることができ、電極材料は可撓性の薄板またはフィルムとして直接製造できる。別の方法として、例えばそれはペレットにし、ペレットを押し出し、ブロー成型してフィルムにすることができ、またはペレットを射出成型してフィルムにすることができる。   The electrode system or precursor electrode composition is formed as pellets, which can be converted to the desired shape of electrode by conventional polymer processing techniques such as extrusion, mold, blow molding or combinations thereof. As indicated above, by appropriate selection of processing methods, the ingredients are processed from a mixture of dry powders, then completely wetted with a pore-forming liquid and cast directly into a sheet or rod. The pore-forming volatile liquid is conveniently extracted during the process of molding the components into the desired shape of the electrode. The thickness of the sheet or bar can be varied and the electrode material can be produced directly as a flexible sheet or film. Alternatively, for example, it can be pelleted, the pellets extruded and blown into a film, or the pellets can be injection molded into a film.

典型的には、適当な電極系は約1ないし数百ミルの厚さに作ることができる。電極系の多孔性と導電性は、例えば気孔形成剤と加工パラメータの適切な使用によって調節できる。結合した電極組成物は、直ちに加工するか貯蔵でき、つぎに気孔形成性の液体で完全に湿潤し、それは電極の成型工程中、または例えば制御した加熱によって除去される。電極は所望の厚さの可撓性フィルムにすることができ、それは導電性フィルム、ワイヤスクリーンまたは膨張金属のような集電装置と容易に組み合わせることができる。   Typically, a suitable electrode system can be made about 1 to several hundred mils thick. The porosity and conductivity of the electrode system can be adjusted, for example, by appropriate use of pore formers and processing parameters. The bonded electrode composition can be immediately processed or stored and then completely wetted with the pore-forming liquid, which is removed during the electrode molding process or, for example, by controlled heating. The electrodes can be flexible films of the desired thickness, which can be easily combined with current collectors such as conductive films, wire screens or expanded metals.

本発明はまた、(a)活物質としての電気化学的に活性な金属を含むアノード電極と、(b)非水性液体電解質と、(c)フッ素化非等方性炭素とフッ素化等方性炭素の混合物を主要活物質として含むカソード電極からなる高エネルギー密度電池を提供する。   The present invention also includes (a) an anode electrode containing an electrochemically active metal as an active material, (b) a non-aqueous liquid electrolyte, (c) fluorinated anisotropic carbon and fluorinated isotropic A high energy density battery comprising a cathode electrode containing a mixture of carbon as a main active material is provided.

本発明による新規なカソード組成物を用いた非水性系での使用に適した高活性のアノードは、消耗しうる金属であっても良く、アルミニウム、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の合金が含まれる。本願明細書及び添付の特許請求の範囲において使用されている「合金」という用語は、混合物、リチウム‐マグネシウムなどの固体溶液、及びリチウムモノアルミニドなどの金属間化合物を含むことを意図している。好ましいアノード材料は、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、及びこれらの合金である。上記の好ましいアノード材料の中で、リチウムが最も好ましいものと思われ、これは、電池内に容易に組み入れられる延性のある金属であることの他に、適したアノードのグループの中で最も高いエネルギー対重量比を有しているからである。   Highly active anodes suitable for use in non-aqueous systems with the novel cathode composition according to the present invention may be consumable metals such as aluminum, alkali metals, alkaline earth metals and alkali metals or Alkaline earth metal alloys are included. The term “alloy” as used herein and in the appended claims is intended to include mixtures, solid solutions such as lithium-magnesium, and intermetallic compounds such as lithium monoaluminide. . Preferred anode materials are lithium, sodium, potassium, calcium, magnesium, and alloys thereof. Of the above preferred anode materials, lithium appears to be the most preferred, which is the highest energy in the group of suitable anodes, besides being a ductile metal that is easily incorporated into batteries. This is because it has a weight ratio.

さらに、本発明の電気化学電池は、電池の電気化学反応の際のアノード電極‐カソード電極間のイオン移動のための媒体としての役割を果たす非水性のイオン導電性電解質を含んでいる。電極での電気化学反応は、アノードからカソードへ移動するイオンを原子状態または分子状態に変換する反応を含んでいる。すなわち、本発明において好適な非水性電解質は、アノード及びカソード材料に対して実質的に不活性であり、それらは、イオン移送に不可欠な物性、すなわち低粘度、低い表面張力及び湿潤性を示す。   Furthermore, the electrochemical cell of the present invention includes a non-aqueous ion conductive electrolyte that serves as a medium for ion transfer between the anode and cathode during the electrochemical reaction of the cell. Electrochemical reactions at the electrodes include reactions that convert ions moving from the anode to the cathode into an atomic or molecular state. That is, the non-aqueous electrolytes suitable in the present invention are substantially inert to the anode and cathode materials, and they exhibit the physical properties essential for ion transport, namely low viscosity, low surface tension and wettability.

有機溶剤は、前記電解質の製造において使用され、当業者には良く知られている。このような溶剤としては、以下の種類の化合物が挙げられる。ラクトン類、アルキレンカーボネート類、ラクタム類、ポリエーテル類、環状エーテル類、環状スルホン類、ジアルキル亜硫酸エステル、モノカルボン酸エステル類、及びアルキルニトリル類。上記のカテゴリーの中で典型的に好ましい溶剤としては、γ‐ブチロラクトン、プロピレンカーボネート、N‐メチルピロリドン、1,1‐及び1,2‐ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、ジメチル亜硫酸エステル、ジエチル亜硫酸エステル、エチル又はメチルアセテート、メチルホルメート、及びアセトニトリルが挙げられる。   Organic solvents are used in the manufacture of the electrolyte and are well known to those skilled in the art. Examples of such a solvent include the following types of compounds. Lactones, alkylene carbonates, lactams, polyethers, cyclic ethers, cyclic sulfones, dialkyl sulfites, monocarboxylic esters, and alkyl nitriles. Typically preferred solvents in the above categories include γ-butyrolactone, propylene carbonate, N-methylpyrrolidone, 1,1- and 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, methyltetrahydrofuran, sulfolane, dimethyl sulfite, diethyl Examples include sulfites, ethyl or methyl acetate, methyl formate, and acetonitrile.

この他の好ましい溶剤としては、スルホラン、3‐メチルスルホラン、γ‐バレロラクトン、クロトニトリル、ニトロベンゼン、1,3‐ジオキソラン、3‐メチル‐2‐オキサゾリドン、エチレンカーボネート、エチレングリコール亜硫酸エステル、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジグリム、トリグリム、テトラグリム、ジメチルカーボネート(DMC)、1,2‐ジエトキシエタン(DEE)、ジエチルカーボネート、ジメチルアセトアミド、及びこれらの混合物が挙げられる。   Other preferred solvents include sulfolane, 3-methylsulfolane, γ-valerolactone, crotononitrile, nitrobenzene, 1,3-dioxolane, 3-methyl-2-oxazolidone, ethylene carbonate, ethylene glycol sulfite, dimethyl sulfoxide, Acetonitrile, dimethylformamide, diglyme, triglyme, tetraglyme, dimethyl carbonate (DMC), 1,2-diethoxyethane (DEE), diethyl carbonate, dimethylacetamide, and mixtures thereof.

上記の溶剤は、単独で使用されても混合物にて使用されても良い。上記の中で、好ましい溶剤は、γ‐ブチロラクトン、プロピレンカーボネート、ジメチル亜硫酸エステル、及び1,2‐ジメトキシエタンである。このうち最も好ましいものは、1,2‐ジメトキシエタン/プロピレンカーボネートとγ‐ブチロラクトンの混合物である。   The above solvents may be used alone or in a mixture. Of the above, preferred solvents are γ-butyrolactone, propylene carbonate, dimethyl sulfite, and 1,2-dimethoxyethane. Of these, the most preferred is a mixture of 1,2-dimethoxyethane / propylene carbonate and γ-butyrolactone.

本発明の応用にて使用するに適した電解質塩は、上記の有機溶剤にイオン導電性溶液を生じさせる塩類から選ばれる。有用な電解質としては、LiBF4 、LiAsF6 、LiPF6 、LiClO4 、及びLi(SO3 CF3 )が挙げられる。使用のための唯一の必要条件は、これらの塩が単一物であろうと混合物であろうと、使用される溶剤との相溶性があること、及び、十分なイオン伝導性を有した溶液を生じさせることである。酸及び塩基についてのルイス又は電気的概念によると、活性水素を含有しない多くの物質が、酸又は電子対の受容体として機能することができる。このような基本的概念は、化学文献(Journal of the Franklin Institute,第226巻−7月/12月、1938年、293〜313頁、G.N.Lewisによる)に示されている。   Electrolyte salts suitable for use in the application of the present invention are selected from salts that produce an ionic conductive solution in the organic solvent described above. Useful electrolytes include LiBF4, LiAsF6, LiPF6, LiClO4, and Li (SO3 CF3). The only requirement for use is that these salts, whether single or mixed, are compatible with the solvent used and result in a solution with sufficient ionic conductivity. It is to let you. According to the Lewis or electrical concept for acids and bases, many substances that do not contain active hydrogen can function as acceptors for acids or electron pairs. Such a basic concept is shown in the chemical literature (Journal of the Franklin Institute, Vol. 226-July / December, 1938, pp. 293-313, by GN Lewis).

内部短絡状態を回避するために、上記カソードは好適なセパレーター材料によってIA、IIA又はIIIB族のアノード材料から分離されている。このセパレーターは電気絶縁性材料からなり、またセパレーター材料は、アノード及びカソード活物質と化学的に反応せず、しかも、電解液と化学的に反応せず電解液に不溶である。さらにこのセパレーター材料は、電池の電気化学反応の際に電解液の流通を可能にするのに十分な多孔度を有している。例示されるセパレーター材料としては、ポリプロピレンと、ポリビニリデンフルオライド、ポリエチレンテトラフルオロエチレン及びポリエチレンクロロトリフルオロエチレンなどのフッ素ポリマー繊維とからなる織物が挙げられ、これは、それぞれ単独使用されるか、フッ素ポリマー微孔性フィルム、不織ガラス、ポリプロピレン、ポリエチレン、ガラス繊維材料、セラミックス、商品名ZITEX(Chemplast Inc.)で市販されているポリテトラフルオロエチレン膜、商品名CELGARD(Celanese Plastic Company,Inc.)で市販されているポリプロピレン膜、及び商品名DEXIGLAS(C.H.Dexter,Div.,Dexter Corp.)で市販されている膜と積層して使用される。   In order to avoid internal short circuit conditions, the cathode is separated from the Group IA, IIA or IIIB anode material by a suitable separator material. The separator is made of an electrically insulating material, and the separator material does not chemically react with the anode and cathode active materials, and does not chemically react with the electrolyte solution and is insoluble in the electrolyte solution. Furthermore, the separator material has a sufficient porosity to allow the electrolyte to flow during the electrochemical reaction of the battery. Exemplary separator materials include woven fabrics composed of polypropylene and fluoropolymer fibers such as polyvinylidene fluoride, polyethylene tetrafluoroethylene, and polyethylene chlorotrifluoroethylene, which can be used alone or fluorine Polymer microporous film, non-woven glass, polypropylene, polyethylene, glass fiber material, ceramics, polytetrafluoroethylene membrane marketed under the trade name ZITEX (Chemplast Inc.), trade name CELGARD (Celanese Plastic Company, Inc.) And a film sold under the trade name DEXIGLAS (CH Dexter, Div., Dexter Corp.). It is use.

好ましいセパレーターは、不織ポリプロピレン織物又は布と、重ね合わされたポリプロピレンフィルム又は膜とを含む。好ましくは、この不織織物はカソードと対面し、ポリプロピレン微孔性フィルムはアノードと対面する。このように、不織布層は、カソードをより効果的に湿らせるために灯心材として機能し、遊離した炭素粒子がポリプロピレンフィルムに穴をあけないようにするための仕切りとして役立つ。   A preferred separator comprises a non-woven polypropylene fabric or cloth and a laminated polypropylene film or membrane. Preferably, the nonwoven fabric faces the cathode and the polypropylene microporous film faces the anode. Thus, the nonwoven fabric layer functions as a wicking material to wet the cathode more effectively, and serves as a partition for preventing free carbon particles from perforating the polypropylene film.

上記電気化学電池の好ましい形態は、ケースがアノード集電器に接続されるようにして、アノード/カソード電対が導電性金属ケース中に挿入されるケース負構造である。このケースは、必要とされる特殊な形態因子と最終用途によって設計される。円筒状、すなわちC、D及びAA電池サイズ及びプリズム状構造が好ましい。ケースに適した好ましい材料はチタンであるが、ステンレス鋼、軟鋼、ニッケル、ニッケルメッキされた軟鋼やアルミニウムもまた好適である。ケースヘッダーは、カソード電極に対してガラス‐対‐金属シール/端子ピンフィードスルーが適合するのに充分な数の開孔を有した金属蓋を含んでいる。アノード電極は、上記ケースまたは蓋に接続されていることが好ましい。これとは別の開孔が、電解液を充填するために設けられている。ケースヘッダーは、電気化学電池の他の構成部品との適合性を有した構成部品を含み、腐食に対する抵抗性がある。その後、この電池は前述の電解質溶液にて充填され、充填孔を覆うステンレス鋼プラグを閉鎖溶接するなどして密閉された状態にシールされるが、これに限定されるものではない。本発明の電池は、ケースが正極の構造にも構成することができる。   A preferred form of the electrochemical cell is a case negative structure in which the anode / cathode couple is inserted into the conductive metal case such that the case is connected to the anode current collector. This case is designed by the special form factor and end use required. Cylindrical, ie C, D and AA battery sizes and prismatic structures are preferred. A preferred material suitable for the case is titanium, but stainless steel, mild steel, nickel, nickel-plated mild steel and aluminum are also suitable. The case header includes a metal lid with a sufficient number of apertures for a glass-to-metal seal / terminal pin feedthrough to fit against the cathode electrode. The anode electrode is preferably connected to the case or the lid. Another opening is provided to fill the electrolyte. The case header includes components that are compatible with other components of the electrochemical cell and is resistant to corrosion. Thereafter, the battery is filled with the above-described electrolyte solution and sealed in a sealed state by, for example, closing welding a stainless steel plug covering the filling hole, but is not limited thereto. The battery of the present invention can also be configured with a case having a positive electrode structure.

本発明の新規なカソード組成物は、特に生物医学的装置に有用であり、これは、放電の間に膨潤しないからである。この新規な組成物は、フッ素化石油コークス又は同様の材料を主剤とする一般的に用いられている工業製品よりも高い比電気容量と高い放電率可能出力を有している。更に、この組成物を用いて製造されたカソードは、一般に用いられているフッ素化炭素にて製造されたカソード、又はフッ素化炭素繊維だけを用いて製造されたカソードと比較した際、放電の間の膨潤を一切受けない(カソード体積の増加なし)。   The novel cathode composition of the present invention is particularly useful in biomedical devices because it does not swell during discharge. This novel composition has higher specific capacity and higher discharge rate capability than commonly used industrial products based on fluorinated petroleum coke or similar materials. In addition, cathodes made with this composition can be used during discharge as compared to cathodes made with commonly used fluorinated carbon, or cathodes made with only fluorinated carbon fibers. (No increase in cathode volume).

本発明は更に、本発明の電池により電力供給される生物医学的装置を提供する。例えば、従来技術にて知られている心臓ペースメーカーや細動除去器は、本発明の電池を用いて電力供給することができる。更に、インシュリンポンプや神経刺激装置、並びにあらゆる体内埋め込み装置も、本発明の電池を用いて電力供給することができる。   The present invention further provides a biomedical device powered by the battery of the present invention. For example, cardiac pacemakers and defibrillators known in the prior art can be powered using the battery of the present invention. In addition, insulin pumps, nerve stimulation devices, and any implantable device can be powered using the battery of the present invention.

本発明のいくつかの特徴及び利点が、以下の実施例によって一層詳しく明らかになるであろう。しかしながら、これらのサンプルは本発明のある一定の好ましい状態を詳細に説明するものであるが、これらは主に実例を説明することを目的として示されており、幅広い点で本発明はこれらに限定されるものではない。   Some features and advantages of the present invention will become more apparent from the following examples. However, these samples are intended to illustrate certain preferred states of the present invention in detail, but these are presented primarily for illustrative purposes and the present invention is not limited to these in a broad sense. Is not to be done.

実施例1
カソードの製造
カソードは、3つのタイプのフッ素化炭素、フッ素化石油コークス(商業的な電池製造に一般に使用されるもの)、フッ素化炭素繊維と、フッ素化ビスコースレーヨン繊維の非等方性炭素と5重量%のフッ素化天然グラファイトの等方性炭素の混合物とを用いて製造した。このフッ素化炭素繊維は、炭素化されたビスコースレーヨン布のフッ素化によって製造した。
Example 1
Cathode Manufacture Cathodes are made of three types of fluorinated carbon, fluorinated petroleum coke (commonly used in commercial battery manufacturing), fluorinated carbon fiber, and anisotropic carbon of fluorinated viscose rayon fiber. And a mixture of isotropic carbon of 5% by weight fluorinated natural graphite. This fluorinated carbon fiber was produced by fluorination of a carbonized viscose rayon cloth.

Figure 0003715979
Figure 0003715979

カソードを製造するために、0.3gのフッ素化炭素と、伝導性添加剤として0.056gのアセチレンブラックと、結合剤として0.019gのフルオロポリマー水エマルジョンを、以下の手順を用いて注意深く混合した。最初に、フッ素化炭素サンプル(PC/10,F,又はFN)をアセチレンブラックと注意深く混合し、その後、エチルアルコールを混合物に添加し(混合物1部:アルコール2部)、それから、フルオロポリマーエマルジョンを添加した。このカソード混合物を十分に混合し、過剰の液体分を取り除くためにプレスした。その後、この材料の制御された量を電池ケースの中に入れてプレスすることによってボタン型の物品を製造した。このボタンの直径は17mmで、厚みは1mmである。この材料を80℃で1時間乾燥させ、その後、350℃で1時間真空下で乾燥させた。   To produce the cathode, 0.3 g of fluorinated carbon, 0.056 g of acetylene black as a conductive additive, and 0.019 g of a fluoropolymer water emulsion as a binder are carefully mixed using the following procedure. did. First, a fluorinated carbon sample (PC / 10, F, or FN) is carefully mixed with acetylene black, then ethyl alcohol is added to the mixture (1 part mixture: 2 parts alcohol) and then the fluoropolymer emulsion is added. Added. The cathode mixture was mixed well and pressed to remove excess liquid. A button-type article was then produced by pressing a controlled amount of this material into a battery case. The button has a diameter of 17 mm and a thickness of 1 mm. This material was dried at 80 ° C. for 1 hour and then dried under vacuum at 350 ° C. for 1 hour.

電池の製造及び試験
乾燥したアルゴン雰囲気チャンバー内で試験用電池を組み立てた。各カソードタイプについて総数で9個の電池を製造した。リチウム金属をアノードとして使用し、このアノードが放電性能を制限しないことが保証されるように、過剰のリチウムを用いて電池を製造した。リチウム金属のボタン(直径17mm、厚さ0.5mm)を電池ケースの中に押入れた。電解液である、ガンマ‐ブチロラクトン中のリチウムテトラフルオロボレートの1M溶液を、カソードを含む電池ケースに添加し、ポリプロピレンセパレータを前記カソードの表面上に配置させた。その後、これら電池を注意しながら密封し、数日間平衡させた。その後、これらの電池を一定負荷を用いて放電させ、3つの電池群のそれぞれについての平均値が以下に示されている。すべての放電は、2Vカットオフになるまで行った。
Battery Manufacture and Testing Test batteries were assembled in a dry argon atmosphere chamber. A total of nine batteries were manufactured for each cathode type. Batteries were made with excess lithium so that lithium metal was used as the anode and this anode was guaranteed not to limit the discharge performance. A lithium metal button (diameter 17 mm, thickness 0.5 mm) was pushed into the battery case. The electrolyte solution, 1M solution of lithium tetrafluoroborate in gamma-butyrolactone, was added to the battery case containing the cathode, and a polypropylene separator was placed on the surface of the cathode. The batteries were then carefully sealed and allowed to equilibrate for several days. Thereafter, these batteries were discharged using a constant load, and the average values for each of the three battery groups are shown below. All discharges were performed until the 2V cutoff was reached.

Figure 0003715979
Figure 0003715979

上記のデータから、タイプFNフッ素化炭素(95重量%のフッ素化炭素繊維と5重量%のフッ素化グラファイトとからなるもの)が最も良好な性能をもたらすことが明らかである。タイプFNフッ素化炭素は、タイプPC/10に比べて15%〜19%大きな容量をもたらし、タイプFフッ素化炭素に比べて5%以下の大きな容量をもたらす。   From the above data, it is clear that type FN fluorinated carbon (consisting of 95 wt% fluorinated carbon fiber and 5 wt% fluorinated graphite) provides the best performance. Type FN fluorinated carbon provides 15% to 19% greater capacity compared to Type PC / 10 and less than 5% greater capacity than Type F fluorinated carbon.

実施例2
米国特許第4556618号に記載される方法を用いてカソードを製造した。フッ素化炭素(タイプPC/10,F又はFNのいずれか)を、カーボンブラック及び粉末テトラフルオロエチレン樹脂とそれぞれ10:2:1部の割合で混合した。この3種の粉末は、乳鉢と乳棒を用いて均一になるまで充分に混合した。その後、この混合物を湿らすためにイソプロパノール/水溶液(70:30)を添加した。この湿った材料をプレス金型内に配置させ、圧縮させ、このようにして得られたディスクを半分に切断し、同じ金型内でもう一度プレスした。このようにして得られたディスクをアルミニウムグリッド上に配置させ、2枚のマイラーの間でロールプレスした。その後、この材料を真空乾燥させ、所望の直径が得られるようにカッティングダイを用いて切断した。
Example 2
The cathode was made using the method described in US Pat. No. 4,556,618. Fluorinated carbon (either type PC / 10, F or FN) was mixed with carbon black and powdered tetrafluoroethylene resin in a ratio of 10: 2: 1 parts, respectively. The three kinds of powders were mixed thoroughly using a mortar and pestle until uniform. Then isopropanol / water solution (70:30) was added to wet the mixture. The wet material was placed in a press mold and compressed, and the disc thus obtained was cut in half and pressed once more in the same mold. The disk thus obtained was placed on an aluminum grid and roll pressed between two mylars. The material was then vacuum dried and cut using a cutting die so that the desired diameter was obtained.

2032コイン電池ケースを用いて電池を組み立てた。フッ素化炭素カソードは、電池ケースの底に配置させ、その後、カソードを覆うようにセパレータを配置させた。電解質(LiBF4を含んだプロピレンカーボネート‐ジメトキシエタン)を上記セパレータに添加し、リチウム電極を表面上に配置させた。金属板をリチウム電極の表面上に配置させ、引き続いてスプリングワッシャーにより、カソードとアノードとの良好な接触と均一な圧力が維持されるようにした。これらの電池は、制限されたカソード(すなわち、過剰のリチウムを用いて制限されたもの)となるようにして設計され、乾燥雰囲気チャンバー内で組み立てられた。   A battery was assembled using a 2032 coin battery case. The fluorinated carbon cathode was disposed at the bottom of the battery case, and then a separator was disposed so as to cover the cathode. An electrolyte (propylene carbonate-dimethoxyethane containing LiBF4) was added to the separator, and a lithium electrode was placed on the surface. A metal plate was placed on the surface of the lithium electrode, followed by a spring washer to maintain good contact and uniform pressure between the cathode and anode. These cells were designed to be limited cathodes (ie, limited with excess lithium) and assembled in a dry atmosphere chamber.

それぞれのカソードの厚みは、放電前と放電後に正確に測定した。カソードの直径についての変化は電池ケースのデザインにより制限されるので、カソードの厚みしか放電の間に変化することはなかった。以下のデータは、3つの異なる種類のフッ素化炭素を用いて製造されたカソードについての、放電前と放電後に測定された体積変化を示している。これらの電池は、1mAの定常電流で2ボルトカットオフになるまで放電させた。   The thickness of each cathode was accurately measured before and after discharge. Since the change in cathode diameter is limited by the design of the battery case, only the thickness of the cathode changed during the discharge. The following data shows the volume change measured before and after discharge for cathodes made using three different types of fluorinated carbon. These batteries were discharged at a steady current of 1 mA until a 2 volt cutoff was achieved.

Figure 0003715979
Figure 0003715979

上記の表のデータは、フッ素化炭素タイプFN(フッ素化炭素繊維と5重量%のフッ素化天然グラファイトの混合物)が、放電の間に体積におけるいかなる変化も受けないことを明らかに示している。実際に、タイプFNを用いて製造されたカソードの体積は、体積においては減少し、密度においては増加している。一定圧力を維持させるために試験電池に使用したスプリングワッシャーは、タイプFNカソードを用いて観察されるカソード体積の減少(及びカソード密度の増加)をもたらした。この他の材料である、フッ素化繊維(タイプF)とフッ素化石油コークス(タイプPC/10)は共に、放電後のカソード体積における増加(膨潤)と、カソード密度における減少を示している。   The data in the table above clearly show that the fluorinated carbon type FN (a mixture of fluorinated carbon fiber and 5 wt% fluorinated natural graphite) does not undergo any change in volume during discharge. In fact, the volume of cathodes manufactured with type FN decreases in volume and increases in density. The spring washer used in the test cell to maintain a constant pressure resulted in a decrease in cathode volume (and an increase in cathode density) observed with a type FN cathode. The other materials, fluorinated fiber (type F) and fluorinated petroleum coke (type PC / 10) both show an increase (swelling) in cathode volume after discharge and a decrease in cathode density.

すべての等価な特徴が、本発明の請求された内容の範囲内に含まれることを意図しているものと理解される。本発明は、これについてのある種の具体例の特殊な詳細を参照して説明されてきたが、このような詳細は、添付された特許請求の範囲に含まれている範囲にあるものを除いては、本発明の範囲を制限するものとみなされることを意図しているのではない。   It is understood that all equivalent features are intended to be included within the scope of the claimed subject matter of the present invention. The present invention has been described with reference to specific details of certain embodiments thereof, such details not being included within the scope of the appended claims. It is not intended to be considered as limiting the scope of the invention.

Claims (14)

(a)活物質として電気化学的に活性な金属を含むアノード電極と、(b)非水性液体電解質と、(c)フッ素化非等方性炭素とフッ素化等方性炭素の混合物を主要活物質として含むカソード電極からなり、前記のフッ素化非等方性炭素とフッ素化等方性炭素の混合物が、5重量%〜30重量%のフッ素化等方性炭素を含むことを特徴とする高エネルギー密度電池。 (A) an anode electrode containing an electrochemically active metal as an active material; (b) a non-aqueous liquid electrolyte; and (c) a mixture of fluorinated anisotropic carbon and fluorinated isotropic carbon. And a mixture of the fluorinated isotropic carbon and the fluorinated isotropic carbon containing 5 wt% to 30 wt% of the fluorinated isotropic carbon. Energy density battery. 前記のフッ素化非等方性炭素がフッ素化炭素繊維であることを特徴とする請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the fluorinated anisotropic carbon is a fluorinated carbon fiber. 前記のフッ素化等方性炭素がフッ素化グラファイトであることを特徴とする請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the fluorinated isotropic carbon is fluorinated graphite. 前記のフッ素化非等方性炭素が、ビスコースレーヨンポリマーのフッ素化により製造されたフッ素化炭素繊維であることを特徴とする請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the fluorinated anisotropic carbon is a fluorinated carbon fiber produced by fluorination of a viscose rayon polymer. 前記のフッ素化等方性炭素が、天然グラファイトのフッ素化により製造されたフッ素化天然グラファイトであることを特徴とする請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the fluorinated isotropic carbon is fluorinated natural graphite produced by fluorination of natural graphite. 前記の非水性電解質が、リチウム塩と、ラクトン類、アルキレンカーボネート類、ラクタム類、ポリエーテル類、環状エーテル類、環状スルホン類、ジアルキル亜硫酸エステル、モノカルボン酸エステル類、及びアルキルニトリル類からなる群より選ばれた有機溶媒との溶液からなることを特徴とする請求項1に記載の電池。 The non-aqueous electrolyte is a group consisting of a lithium salt, a lactone, an alkylene carbonate, a lactam, a polyether, a cyclic ether, a cyclic sulfone, a dialkyl sulfite ester, a monocarboxylic acid ester, and an alkyl nitrile. The battery according to claim 1, comprising a solution with a more selected organic solvent. 前記の有機溶媒がγ‐ブチロラクトンであることを特徴とする請求項6に記載の電池。 The battery according to claim 6, wherein the organic solvent is γ-butyrolactone. 前記の有機溶媒が、ジメトキシエタンとプロピレンカーボネートの混合物であることを特徴とする請求項6に記載の電池。 The battery according to claim 6, wherein the organic solvent is a mixture of dimethoxyethane and propylene carbonate. 前記の有機溶媒が亜硫酸ジメチルであることを特徴とする請求項6に記載の電池。 The battery according to claim 6, wherein the organic solvent is dimethyl sulfite. 前記の電解質塩が、リチウムテトラフルオロボレート、リチウムパークロレート、リチウムヘキサフルオロアルセネート、リチウムトリフルオロメタンスルホネート、及びこれらの混合物からなる群より選ばれたものであることを特徴とする請求項1に記載の電池。 2. The electrolyte salt according to claim 1, wherein the electrolyte salt is selected from the group consisting of lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate, lithium hexafluoroarsenate, lithium trifluoromethanesulfonate, and a mixture thereof. Battery. 前記の活性金属アノードが、リチウム、カリウム及びナトリウムからなる群より選ばれたものであることを特徴とする請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the active metal anode is selected from the group consisting of lithium, potassium, and sodium. 前記の活性金属アノードがリチウムであることを特徴とする請求項1に記載の電池。 The battery according to claim 1, wherein the active metal anode is lithium. (a)活物質として電気化学的に活性な金属を含むアノード電極と、(b)非水性液体電解質と、(c)フッ素化非等方性炭素とフッ素化等方性炭素の混合物を主要活物質として含むカソード電極からなる電池によって電力供給され、しかも、前記のフッ素化非等方性炭素とフッ素化等方性炭素の混合物が、5重量%〜30重量%のフッ素化等方性炭素を含むことを特徴とする生物医学的な体内埋め込み装置。 (A) an anode electrode containing an electrochemically active metal as an active material; (b) a non-aqueous liquid electrolyte; and (c) a mixture of fluorinated anisotropic carbon and fluorinated isotropic carbon. Power is supplied by a battery comprising a cathode electrode containing as a substance, and the mixture of the fluorinated anisotropic carbon and the fluorinated isotropic carbon contains 5 wt% to 30 wt% of fluorinated isotropic carbon. A biomedical implant device characterized by comprising. 体内埋め込み可能な心臓ペースメーカー、細動除去器、インシュリンポンプ及び神経刺激装置からなる群より選ばれたものであることを特徴とする請求項13に記載の生物医学的な体内埋め込み装置。 14. The biomedical implantable device according to claim 13, wherein the biomedical implantable device is selected from the group consisting of an implantable cardiac pacemaker, a defibrillator, an insulin pump, and a nerve stimulation device.
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