NO880921L - Anode for batterier. - Google Patents

Anode for batterier.

Info

Publication number
NO880921L
NO880921L NO880921A NO880921A NO880921L NO 880921 L NO880921 L NO 880921L NO 880921 A NO880921 A NO 880921A NO 880921 A NO880921 A NO 880921A NO 880921 L NO880921 L NO 880921L
Authority
NO
Norway
Prior art keywords
lithium
anode
ions
electrolyte
electrochemical cell
Prior art date
Application number
NO880921A
Other languages
English (en)
Other versions
NO880921D0 (no
Inventor
C David Desjardins
Hossein Sharifian
Gregory K Maclean
Original Assignee
New Brunswick Telephone Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by New Brunswick Telephone Co filed Critical New Brunswick Telephone Co
Publication of NO880921D0 publication Critical patent/NO880921D0/no
Publication of NO880921L publication Critical patent/NO880921L/no

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
    • H01M10/0562Solid materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0565Polymeric materials, e.g. gel-type or solid-type
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/06Electrodes for primary cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/364Composites as mixtures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/381Alkaline or alkaline earth metals elements
    • H01M4/382Lithium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/40Alloys based on alkali metals
    • H01M4/405Alloys based on lithium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/581Chalcogenides or intercalation compounds thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14Cells with non-aqueous electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14Cells with non-aqueous electrolyte
    • H01M6/18Cells with non-aqueous electrolyte with solid electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/24Cells comprising two different electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027Negative electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/002Inorganic electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025Organic electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
    • H01M2300/0068Solid electrolytes inorganic
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
    • H01M2300/0082Organic polymers
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Primary Cells (AREA)

Abstract

Anodematerial omfattende en fast løsning av 1 itiummetal 1 og 1 itiumnitrid for anvendelse i litiura-baserte elektrokjemiske celler. Anodematerialet kan omfatte 1 itiumlegeringer, karbon og polymere materialer.

Description

Oppfinnelsen vedrører anvendelsen av en blanding av litium
i*
og nitrogen som anodematerial i oppladbare eller ikke-oppladbare høyenergi-densitet-batterier.
Problemene i forbindelse med anvendelsen av rene 1 itiummeta 11-anoder i elektrokjemiske systemer, og særlig i oppladbare celler, er godt beskrevet i den vitenskapelige og tekniske litteratur (se f.eks. U.S.Patenter 4.550.064, 4.499.161, 4.118.550, 4.071664, 4.086.403). Det viktigste problem er den termodynamiske og kinetiske ustabilitet av litium overfor cellematerialer "og elektrolytten, særlig ved anode-elektrolytt — grenseflaten. I elektrokjemiske celler,/resulterer dette i • korrosjon/pa ss i ver ing av 1 itium-e1ektroden. Således, vil forsøk på resirkulering av litium resultere i dendritisk vekst, dannelse av dårlig vedhengende avleiringer med stort ove r f1 atearea1 av litiummetall ved oppladning og sakte kjemisk nedbrytning av elektrolytten. Tilsist, forekommer cellesvikt p.g.a. cellekortslutning, utarming og/eller isolering av anoden, og anodepassivering fra e1 ektroiytt-nedbrytningsprodukter. Kortsiktige løsninger på de ovennente problemer har vært anvendelse av overskudd av litiummetall og/eller ledende/beskyttende filmer. En annen tilnærming har vært anvendelse av komposi11-e1ektrode r lik 1 itium-a 1uminium-legering. I slike tilfeller, fremmer det immoaile - verts-material ved en jevn fordeling av litium med redusert kjemisk aktivitet. Litium-a1uminiumleger inger er underøkt meget omfattende i ikke-vandfige elektrolyttsystemer. Imidlertid, gjennomgår elektroden store volumforandringer under avleiring/ stripping i forbindelse med fase-trans formasjone r. Slike elektroder, ved omfattende resirkulering, utviser alvorlig ustabilitet. Andre ufordelaktigheter i forbindelse med anvendelsen av legeringer omfatter store ."spennings- og kapasitetstap sammenlignet med rene 1 i t i u-m-anode r .
Man har nå funnet at de ovennevnte problemer med anode fremstillt av litiujn eller litium-aluminiumlegering kan reduseres eller unngås ved anvendelse av anoder fremstilt -
av en blanding av litium og nitrogen. Den forliggende oppfinnelse er derfor først og fremst rettet pålitium-baserte elektrokjemiske celler med et nytt anode-materiale som omfatter en blanding i. fast tilstand av 1 itium-raeta 11
og nitrogen hvori nitrogenet er i form av 1 itiumnitr id.
Anoder omfattende den faste blanding eller løsning dannet
fra denne blanding', (nevnte blanding eller løsning omtales noen ganger i den foreliggende ansøkning som "Li/Li^N")
skal anvendes for å erstatte 1 itiumanodene i litium-
baserte elektrokjemiske celler , Uttrykkene "blanding" og "løsning" anvendes vekslende i den foreliggende oppfinnelse;
karakteriseringen av det faste anodemateriale som en:"bl and ing" eller en "løsning" er uten betydning- De øvrige elementer i de 1 itium-base rte elektrokjemiske celler, slik som katoden, separatoren og elektrolytten, kan anvendes uten modifikasjoner i de elektrokjemiske celler som fremstilles i henhold til den foreliggende oppfinnelse og som har anoder av Li/Li^N. Slike elementer er omfattende beskrevet i litteraturen som ved-rører 1 itium-ba11er ier.
Blandinger av litium og 1 itium-nitr id er identifisert i den vitenskapelige litteratur (f.eks. U.S. Patent4.447.379, Wagner) som mellomprodukter i fremstillingen av en fast elektrolytt og litium-nitrid har vært anvendt som en fast ioneleder i celler i fast tilstand, som redegjort av A. Rabenau ( Solid State Ionics) , 6 ( 1 982 ) 277 ). Overflate-filmer av li^N på litiumfolie-anoder er også undersøkt av Thevenin et al. (Lawrence Berkeley Lab., CA (USA), Jan. 1986, Rapport nr. LBL 20659). Det har imidlertid hittil ikke vært kjent å anvende Li/Li^N som et anodemateriale.
Det nye anodemateriale har redusert kjemisk/elektrokjemisk aktivitet overfor elektrolytten, særlig ved anode/elektrolytt-grenseflate, kan resirkulere litium meget effektivt og utviser ingen tap av ce1le-spenning. Li/Li N reduserer betydelig graden av gjensidig påvirkning mellonT elementært litium og elektrolytt under oppladnings-/utladningssyklus og ved lagring. Derfor, er et forbedret litium-basert anodemateriale dannet av litium og litumnitrid, som kan anvendes med en passende elektrolytt, separator og katode for anvendelse i en elektrokjemisk celle, og, spesielt, en 1 itium-opp1adbar celle, omtalt i den forliggende oppfinnelse.
Litiumnitrid er kjent for å ha den høyeste Li+-ioneledings-evne av ethvert uorganisk litiumsalt og er blitt omfattende undersøkt som en fast elektrolytt i faste celler. Det relativt lave nedbrytnings-potensial for litiumnitrid (Ed=0.44V) har imidlertid begrenset dens komersielle anvendelse i faste celler. I motsetning til dette, er litiu-nitrid termodynamisk stabil overfor litiummetall og danner,
i kombinasjon med litiummetall, et meget stabilt anodematerial.
Fig. 1 er polariseringskurvenfor Li/Li^N (11 mol?oN) i en 1M LiAsF 6/2-MeTHF-elektrolytt ved romtemperatur. ■ Fig. 2 og 3 viser aktiviteten av Li/Li^N (11 m o 1 ?o N ) og rene 1 iti urne 1ektrode r under lagring i 1M LiAsF6/2-MeTHF - base rt elektrolytt og henholdsvis 1M LiAsF^/THF-elektrolytt ved romtemperatur . Fig. 4 viser vekselstrømmen av Li/Li^N (11 m o 1 ?o N ) og rene litiumelektroder i LiAlCl 4/1 i on y 1 k 1 o r i d-e 1 e k t rt) 1 y 11 ved romtemperatur . Fig. 5 viser graden av passivering av rent litium og Li/Li^<N>(11 mol?oN) under det anodiske trinn i en 1M LiAsF^dioksolan-basert elektrolytt ved- 20°c. Fig. 6 viser den sykliske yteevne av litium og Li/Li^N-elektrodene (1 1 molSKN) r i en 1M LiAsF6,/2-MeTHF-elektrolytt ved
••romtemperatur.
Anodemateriale i henhold til den forliggende oppfinnelse
kan fremstilles ved å smelte 1 itiummeta 11-folie i en smelte-digel i en tørr beholder fyllt med argon, tilsetning- av nitrogen i form av litiumnitrid-pulver, nitrogengass eller et annet passende nitrogeninneholdende materiale for å danne et homogent materiale, og avkjøle materialet til romstemperatur. Det således dannede anodematerial omfatter en fast løsning
av litiummetall og litiumnitrid. Hvorvidt -nitrogen tilsettes til flytende litium i form av litiumnitrid, nitrogengass eller noen annen nitrogen-inneholdende substans som vil frigjøre sitt nitrogen i smeltet litium, har man funnet at nitrogenet i løsningen eller blandingen er i form av litium-nitrid. Den nøyaktige sammen setning a v Li/Li^N-nrater ia 1et er avhengig av prosesstemperaturen og avkjø1 ingshastigheten. Temperaturav hengigheten er særlig definert ved hjelp av
materialets fasediagram (se P.F.Adams et al. J. of the U- ss-Common Metals, 42 ( 1 975 ) .1 -1 1, 325-334). Selv små mengder
avLi/Li-jN i anoden betraktes som en forbedring i forhold til en ren litiumanode, og elektrokjemiske celler som anvender slike anoder er innen området for den forliggende oppfinnelse.
I det spesielle tilfellet med 11mol«?oN Li/Li^N-blandingen anvendt for dataene som er representert heri,ble omtrent2gLi^N-pulver sakte tilsatt til 2g smeltet litiummetall i
o
en nikkeldigel ved omtrent 300 C. Materialet ble omrørt i flere minutter inntil homogenitet og ble deretter avkjølt til romtemperatur. Det oppnådde anodemateriale ble presset ved omtrent -4082; kg/cm 2 til den ønskede--form .
Anodematerialet kan rulles eller ekstruderes til en folie,
som betraktes som en foretrukket form for anvendelse i elektrokjemiske celler.
Et anodemateriale omfattende<*>en fast løsning av '1,12 mol% nitrogen, ble freraetillt ved sakte oppløsning av 6,34g Li-jN i 108,21g rent smeltet litium ved en temperatur på omtrent
o
445 C. Sme1te1øsningen ble deretter helt i en form med et stort varmetap for å tillate hurtig avkjøling. " Materialet størknet nesten øyeblikkelig og formen ble overført til en ekstruder for videre bearbeiding.
I ahodernater i a1et i henhold til den foreliggende oppfinnelse, kan forholdet av Li^N i blandingen være på ethvert effektivt nivå. Ved nivåer hvori forholdet av N i blandingen varierer fra omtrent 0,06 til 20 mol%, danner Li<g>g Li^N en fast løsning ved forhøyde temperaturer, og gir et tilfreds-stillende, homogent anodematerial . Innen dette store området, betraktes et mindre område på omtrent 0,1 til 10 mo 1S5 N som f oretrukket.
Et elektrokjemisk system som anvender Li/Li^N-anoden omfatter en separator, en elektrolytt og en katode.
Passende separator materiale** omfatter dem-som vanligvis anvendes i litiumceller slik som porøst polypropylen -og materialer av glass-mikrofibre som er tilstrekkelig porøse og kan vætes ved hjelp av den passende elektrolytt.
Passende ikke-vandige løsningssystemer for elektrolytten omfatter alle løsninger som normalt anvendes i litiums-celler med særlig vekt på aprotisk etereller svovel-analoge systemer, foretrukket dioksolaner, furaner, glym, metoksy-* metaner, glykolsulfitter, sulfolaner, propy le,nkarbonat og kombinasjoner derav. Passende litiumsalter' er valgt basert på deres høye oppløselighet (f.eks.=0,5M) og ledningsevne i det valgte løsningssystem, men vil mere spesielt omfatte anioner slik som perklorater, sulfonater, acetater, borater, closoboraner, heksafluor- eller tetrafluor-metallater, halider, aluminater og derivater derav. Man bør merke seg at normal litiumfolieanode-avhengigheter og/eller bundethet når det gjelder valget av elektrolytt,
(f.eks. oppløst materiale/løsningsmiddel-kombinasjoner) ikke. gjelder for systemer som anvender Li/Li^N-anodemateriale.
D.v.s., at langt flere elektrolytter kan anvendes. Noen av disse elektrolytter viser tydelige forbedrede egenskaper når det gjelder yteevne sammenlignet med standard litiumanode-materiale
Faste elektrolytter slik som litiumnitrid". litiumjodid og litiumaluminiumnitrid, så vel som poly mere ioneledere eller kombinasjoner derav, kan også anvendes i den foreliggende oppfinnelse.
Anvendelsen av elektrolytter basert på uorganiske løsnings-midler slik som svoveldioksyd, tionylklorid eller sulfuryl-klorid, med et passende ledende litiumsalt, er agså overveiet.
En passende katode omfatter hver av dem som er beskrevet i teknisk og patentlitteratur for litium-baserte elektrokjemiske systemer, . F.eks. kan katoder omfattende et halogen eller halid, et metalloksyd, sulfider, selenider, oksyhalider, svoveldioksyd og karbon anvendes.
Katoder med et aktivt material omfattende et ciialkogen eller. en cha 1kogenid-forbinde 1se av et overgangsmetall er også passende. Når det gjelder oppladbare celler, er anvendelse av innskudds.-typem3terial.er og o ve rgan.gs.me t al 1 - su 1 f i der (f.eks. TiS eller MoS ) eller oksyder (f.eks. V 0 ), foretrukket.
22yv V 6 13
Anoder fremstilt i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan alene eller alt vesentlig alene omfatte Li/Li^N, eller de kan omfatte komposittmaterialer, hvori Li/Li^N er en bestanddel. F.eks., er anode-sammensetning-er omfattende plast eller elastormert makromolekylært materiale med ione— ledning, litiumlegeringer og karbon-forbindelser beskrevet i U.S. Patent 4.517.265 (Belanger et al.).''- Lignende anode- ' sammensetninger kan fremstilles i henhold til den foreliggende oppfinnelse som vil omfatte Li/Li^N som en bestanddel.
Det er likeledes kjent å anvende legeringer av litium og aluminium som et anodemateriale (f.eks. U.S.Patent 4.002.492 (Rao). Anoder kan fremstilles i henhold til den foreliggende oppfinnelse ved anvendelse av blandinger av Li/Li N og litium-aluminiumlegeringer, eller blandinger av litiumnitrid og litium-aluminiumlegeringer.
Anvendelse av andre litiumlegeringer som anodemateriale er også kjent innen teknikkens stand, og anvendelse av blandinger av litiumnitrid og en eller flere litiumlegeringer slik som Li-Si, Li-Sn, Li-Fe, Li-Sb, Li-Bi, Li-B, Li-Pb, Li-As, etc. og andre kobinasjoner derav som anodematerialer, er tatt i betraktning i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse.
Som vist i Fig. 1 på tegningene, viser polariserings-
kurven for Li/Li^N ved torn t empe r a t u.r at ved det anodiske trinn øker strømmen til store verdier. Til tross for det relativt lave nedbrytningspotensial for Li 3 N (0,40V),2kan cellen som anvender Li/Li^N utlades opp til 7,0 mA/cm i de fleste aprotiske løsningsmidler som vanligvis anvendes i 1 itium-opp1 adningsbare celler. Polariseringskurven indikerer også at Li/Li N-anoder syklisert ved lave strøm-tettheter kun vil vise mindre over-potensialer I disse tilfeller, er over-potensialene mindre enn nedbrytnings-potensialet av Li^N.
Fig. 2 viser den relative aktivitet av litiummetall og Li/Li^N under lagring ved romtemperatur. Generellt, forårsaker dannelsen av uoppløselige lag på elektroden under lagrings-periodene en tilknyttet reduksjon av dens aktive overflate. Utviklingen av tilsvarende aktivitetstap er blitt fulgt ved
å måle forholdet i /i (i er utvekslingsstrømmen ved
t o o
begynnelsestiden, i ter utvekslingsstrømmen etter en senere angitt tid) ved hjelp av AC impedans-spektrsskopi på slutten av den innledende behandling (io) og etter en henstandstid (t) med åpen krets (i^)■
Kurvene i Fig. 2 viser at den kjemiske stabilitet, av litium sammenlignet med elektrolytten faller alvorlig med tiden,
mens Li/Li N viser en utmerket stabilitet sammenlignet med løsningmidlet under lignende forsøksbetingelser.
Et lignende forsøk ble gjennomført ved anvendelse av et relativt mere reaktivt løsningsmiddel, slik som
tetrahydrofuran ("THF"). Det er kjent at THF er alt for reaktivt for anvendelse i sekundære celler. Selv svært rent THF reagerer hurtig med litium med dannelse av en gel-lignende film. Fra Fig.3 kan mern tydelig se at overflateaktiviteten av Li/Li^N nedsettes moderat under en lagringstid på 50 timer
ved romtemperatur, mens overflaten av en ren litium-elektrode ble totalt innaktiv under den samme periode.
Disse fysikalske fenomen støtter den konklusjon at Li/Li^N
gir en betydelig lengere holdbarhet, hvori et immobilt verts-material slik som Li^N fremmer en jevn litiumfordeling av redusert aktivitet. Dette er særlig tilfelle for litium-elektroder i primære celler hvor man konstant støler • på problemer som stammer fra tilstedeværelsen av passiverende lag på overflaten av 1 itiummetal1et, som begrenser transporten av de aktive materialer til grenseflaten. Dessuten, vil en utpreget passivering av den rene litiumanode medføre en lang-varig forsinkelse for oppnåelse av en likevektsspenning på innledende utladning. Alle disse problemer kan dempes betraktelig ved anvendelse av en Li/Li^N anode, hvor vesentlig redusert kjemisk aktivitet observeres.
Dessuten, kan celler som anvender Li/Li^N-anoder være svært viktige i dagens primære celletetekno logi.En av., de mest lovende av disse, er litiumtionylkloridcellen, hvori LiAlCl^tilsettes til flytende tionylklorid for å øke ledningsevnen og forenkle Li + -ionetransport. Den høye stabilitet a.v litium i LiAlCl^/ SOCl^løsning skyldes en beskyttende over fl a te fi lm av LiCl
som er dannet når elektroden kommer i kontakt med elektrolytten.
Mens filmen gjør det mulig å bygge opp et batteri fra en termodynamisk ustabil kombinasjon slik som Li i SOC^» ma en opptredende spenningsforsinkelse overvinnes for å få et praktisk system.
I denne sammenheng, har Li/Li3N~elekt rode r blitt undersøkt
i tionylklorid- og svoveldioksyd-løsninger. Fig. 4 viser prosentdelen av utvekslingsstrømmen i cellen ved anvendelse av Li og L i/L i -jN (11 mol^N) i t i ony 1 kl ori d/L i Al Cl (1,6M) under lagring ved romtemperatur. Størrrelsen på utvekslings-strømmen er indikativ på overflateaktiviteten av elektroden som i sin tur er direkte relatert til tykkelsen av den passive film dannet på elektrodeoverflaten. Fra Fig. 4 kan det tydelig sees at utvekslingsstrømmen for 1 iti urne 1ektroden nedsettes med økende lagringstid, mens cellen som anvender en Li/L i^N-e1 ektrode utviser en større utveks 1 insstrøm under lignende betingelser.
LiCl-filmen som vokser kontinuerlig på litium forårsaker en initial spennings forsinkelse, noe som er omtalt tidligere. Man antar videre at den initiale spenningsforsinkelse for Li/sOCl^~ce11en avhenger av den effektive veksthastigheten
av LiC1-fi 1mtykke1sen. Således, vil den initiale spenningsforsinkelse for en celle som anvender en Li/L i^N-anode være betydelig mindre enn cellen som anvender en Li-meta 11 anode. Dette er spesielt tilfelle ved lengre lagringstider, hvori Li-cellen lider betydelig fra den kontinuerlige vekst av LiCl-film på litium med en tilsvarende gradvis økning i cellens initiale spenningsforsinkelse.
Fig. 5 viser aktiviteten av litiummetall og Li/L^N under anodisk stripping ved 1,0 mA/cm ved -20 C. Dannelsen av isolerende lag på litiummetall-overflaten kan tydelig sees i Fig. 5. Disse lag er blitt tilskrevet ,en løsningsmiddel-polymerisering initiert ved LiAsF -nedbrytningsprodukter. Svekkelse av de elektrokjemiske egenskaper i metall-elektrolytt-grenseflaten som skyldes dannelse av en passiverende lag, kan tilskrives et betydelig overpotensial av motstandsfall som skyldes lavere ledningsevne såvel som høyere
Følgelig, begrenser dette mengden litiummetall i hver
syklus. Det kan vjdere sees fra Fig. 5 at graden av pasivering for Li/Li,N ikke er så alvorlig som den for litium-elektroder ved -20 oC under en anodisk stripping ved
2
1,0 mA/cm , til tross for det større motstandsfall i cellen som anvender Li/Li^N.
Fig. 6 viser utladningskapasiteten av litium og Li/Li^N som en funksjon av antall sykluser ved romtemperatur. Katoden ble fremstil • fra et innskuddsmateria• l, nemlig TiS 2•
Cellen ble gjort fullstendig med en glassfiber-separator som var gjennombløttmed 1,0M L iAsF^ i 2-mety11etr ahydrofuran. Resultatene fra syklus-forsøkene viser den høyere teoretiske kapasitet for Li/Li N-elektroden i forhold til rene litium-anoder etter gjennomkjøring. I videre forsøk, fullførte cellen med en ren litiumanode kun 5 sykluser ved 30 % av dens teoretiske kapasitet, mens cellen med Li/L i^N-anoden fullførte 125 sykluser med 40 % av dens teoretiske kapasitet.
Fra de ovennevnte data, ser man at den forliggende oppfinnelse tilveiebringer en løsning på en rekke problemer i forbindelse med anvendelsen av rene 1 itiummeta 11-anoder i litium-galvaniske celler og, spesielt litium-oppladbare celler. En foreslått forklaring på de overlegne egenskaper for Li/Li^N som et anodemateriale står i forbindelse med dannelsen av mikro-porer på overflaten av elektroden under utladningsprosessen. Den porøse Li/L i^N-e1 ektroden dannet ved utladning kan virke som en tredimensjonal elektrode, og dermed redusere den lokale strømtettheten betydelig og eliminere masse fordelingen av litium ved forlenget gjennomkjøring. Videre, har morfo-logiske undersøkelser gjennomført på Li/Li-jN ved hjelp av et scanning-elektronmikroskop vist at anodisk polarisering effektivt renser anodeoverflaten. Den mikroporøse struktur ble klart åpenbart etter at elektrodeoverflaten var anodisk polarisert ved omtrent +50 mV overpotensial og 10 coulomb/. cm<2>ladningstetthet.
Under det katodiske trinn,.begynner litium å vokse på. en ren overflate. Det er foreslått at forbedringen i elektrode-egenskaper er d i r e"k t e bundet til tilstedeværelsen av mikro-hulrom dannet på elektrodeoverflaten under det initiale anodetrinn. Dessuten, vil innlemmelse av litium i Li/Li^N-anoden under påfølgende katodiske trinn finne sted gjennom disse mikro-hu1 rom. Størrelsen av hulrommene sikrer imidlertid bare passeringen av små molekyler slik som litium, mens løsningsmiddelmolekyler fra bulk ikke er i stand til å trenge inn i hulrommene. Basert på denne -modellen, spiller den første anodiske polarisering en bestemmende rolle når det gjelder kvaliteten av elektrodens egenskaper, og dannelse av hulrom som tillater passering av litiumioner alene og ikke løsningsmiddelmolekylene eller oppløste molekyler. Som en del av denne modell, er det videre forventet at litiumnitrid i tillegg til å virke som en verts-spesies, kan også fremme litiumione-ledningsevne inne i anoden. I tillegg, indikerer innledende litium-NMR studier fullstendig delokalisering av 1 iti urne 1ektroner som utjevnes og nedsetter den totale litium-aktivitet. Man antar at kombinasjonen av alle disse effekter resulterer i forbedret syklus og lengre holdbarhet som observert i undersøkelsene med Li/Li^N-e1 ektroden.

Claims (7)

1. En elektrokjemisk celle, karakterisert ved at den omfatter: (a) en anode omfattende • en fast løsning av litiummetall og litiumnitrid; (b) en katode; (c) en ikke-vandig elektrolytt omfattende et løsnings-middel og et litiumsalt oppløst deri; (d) en porøs separator.
2. Elektrokjemisk celle som angitt i krav 1, karakterisert ved at andelen nitrogen i nevnte løsning er i området fra omtrent 0,06 til 20 mol %.
3. Elektrokjemisk celle, karakterisert ved at den omfatter: (a) en anode omfattende en fast løsning av litiumnitrid og en legering valgt fra gruppen bestående av Li-Al, L.t -Si, Li-Sn, Li-Fe, Li-5b,Li-Bi, Li-B og Li-Pb, hvori andelen nitrogen i nevnte løsning er i området på omtrent 0,06 til 2 0 mol %. (b) en katode; (c) en ikke-vandig elektrolytt omfattende et løsningsmiddel og et litiumsalt oppløst deri; og (d) en porøs separator.
4. Elektrokjemisk celle som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte litiumsalt har et anion valgt fra gruppen bestående av halidioner, heksafluromatallationer, tetrafluormetallation.er, perkl*orat ioner, sulfonationer, borationer, fiocyanationex, aluminationer, closoboranioner og acetationer og derivater derav.
5. Elektrokjemisk celle som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte elektrolytt ex en fast elektrolytt valgt fra gruppen bestående av litiumnitrid, litiumiodid og litiumaluminiumnitrid.
6. En forbedre litium-basert elektrokjemisk celle av typen med en anode, en katode, en elektrolytt og en -separator karakterisert ved a-t forbedringen omfatter en anode omfattende litium og litiumnitrid, idet nevnte anode er dannet ved tilsetning av nitrogen til smeltet litium og avkjøling og forming av det oppnådde materiale.
7 . En anode for anvendelse i en litium-basert elektrokjemisk celle , karakterisert ved at den omfatter en fast løsning av litiummetall og litiumnitrid, hvor andelen nitrogen i nevnte løsning er i området fra 0,06 til 20 mol %, og hvori nevnte anode er i form av en folie.
NO880921A 1987-03-04 1988-03-02 Anode for batterier. NO880921L (no)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CA531168 1987-03-04

Publications (2)

Publication Number Publication Date
NO880921D0 NO880921D0 (no) 1988-03-02
NO880921L true NO880921L (no) 1988-09-05

Family

ID=4135099

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NO880921A NO880921L (no) 1987-03-04 1988-03-02 Anode for batterier.

Country Status (6)

Country Link
KR (1) KR880011946A (no)
BR (1) BR8800926A (no)
DK (1) DK106788A (no)
FI (1) FI880999L (no)
IL (1) IL85631A0 (no)
NO (1) NO880921L (no)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100666821B1 (ko) * 2004-02-07 2007-01-09 주식회사 엘지화학 유/무기 복합 다공성 코팅층이 형성된 전극 및 이를포함하는 전기 화학 소자
EP1784876B1 (en) 2004-09-02 2018-01-24 LG Chem, Ltd. Organic/inorganic composite porous film and electrochemical device prepared thereby
KR100966024B1 (ko) 2007-04-24 2010-06-24 주식회사 엘지화학 이종의 세퍼레이터를 구비한 전기화학소자

Also Published As

Publication number Publication date
IL85631A0 (en) 1988-08-31
DK106788A (da) 1988-09-05
DK106788D0 (da) 1988-02-29
BR8800926A (pt) 1988-10-11
FI880999A0 (fi) 1988-03-03
NO880921D0 (no) 1988-03-02
KR880011946A (ko) 1988-10-31
FI880999A7 (fi) 1988-09-05
FI880999L (fi) 1988-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2269841C2 (ru) Первичные (неперезаряжаемые) и вторичные (перезаряжаемые) батареи на основе магния
Baggetto et al. Germanium as negative electrode material for sodium-ion batteries
Judez et al. Stable cycling of lithium metal electrode in nanocomposite solid polymer electrolytes with lithium bis (fluorosulfonyl) imide
US4118550A (en) Aprotic solvent electrolytes and batteries using same
US5219679A (en) Solid electrolytes
Sun et al. A Li-ion sulfur full cell with ambient resistant Al-Li alloy anode
US20120082901A1 (en) Lithium-based anode with ionic liquid polymer gel
JPS6057188B2 (ja) 再充電可能なリチウム−アルミニウム負極を有する化学電池
Schoetz et al. Aluminium-poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) rechargeable battery with ionic liquid electrolyte
Wang et al. An in-situ generated composite solid-state electrolyte towards high-voltage lithium metal batteries
Chen et al. A single-ion conducting polymer electrolyte based on poly (lithium 4-styrenesulfonate) for high-performance lithium metal batteries
KR20170036793A (ko) 리튬 이온 전지용 황화물계 고체 전해질 및 고체 전해질 화합물
US4888258A (en) Lithium-lithium nitride anode
Chen et al. Self-healing artificial solid electrolyte interphase enhanced by quadruple hydrogen bonding for stable lithium metal anode
CA1302491C (en) Lithium-lithium nitride anode
JP4371952B2 (ja) リチウム電池用の結合剤と電極及びそれを採用したリチウム電池
Li et al. In situ polymerized polydioxolane interlayer enabled dendrite-free argyrodite-based solid-state batteries
WO2023241138A1 (zh) 醚类电解液及其在电池中的应用
Sanchez et al. Preparation and characterization of lithium-boron alloys: electrochemical studies as anodes in molten salt media, and comparison with pure lithium-involving systems
Tan et al. Dual-layer composite solid polymer electrolytes with Janus properties for interface modification of solid state lithium metal batteries
Ye et al. SnS2 quantum dot as bifunctional “electrolyte additive” for lithium metal anode
Di Lecce et al. A multiple electrolyte concept for lithium-metal batteries
US3998658A (en) High voltage organic electrolyte batteries
JP3659177B2 (ja) 非水系2次電池用負極材料とその製造方法および負極
NO880921L (no) Anode for batterier.