NO880921L - ANODE FOR BATTERIES. - Google Patents
ANODE FOR BATTERIES.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
Links
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 72
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 58
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 claims abstract description 8
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 25
- BHZCMUVGYXEBMY-UHFFFAOYSA-N trilithium;azanide Chemical compound [Li+].[Li+].[Li+].[NH2-] BHZCMUVGYXEBMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 13
- -1 halide ions Chemical class 0.000 claims description 11
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 8
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 claims description 6
- JFBZPFYRPYOZCQ-UHFFFAOYSA-N [Li].[Al] Chemical compound [Li].[Al] JFBZPFYRPYOZCQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 4
- HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M lithium iodide Chemical compound [Li+].[I-] HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 4
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims description 4
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 claims description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 claims description 3
- 239000011255 nonaqueous electrolyte Substances 0.000 claims description 3
- 229910007960 Li-Fe Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910008367 Li-Pb Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910008365 Li-Sn Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910008290 Li—B Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910006564 Li—Fe Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910006738 Li—Pb Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910006759 Li—Sn Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims 3
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims 1
- 229910007857 Li-Al Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910008447 Li—Al Inorganic materials 0.000 claims 1
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-M perchlorate Chemical compound [O-]Cl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 abstract description 21
- 229910000733 Li alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 239000001989 lithium alloy Substances 0.000 abstract description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- IDBFBDSKYCUNPW-UHFFFAOYSA-N lithium nitride Chemical compound [Li]N([Li])[Li] IDBFBDSKYCUNPW-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 18
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 12
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 7
- RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N Sulphur dioxide Chemical compound O=S=O RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M lithium chloride Chemical compound [Li+].[Cl-] KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- FYSNRJHAOHDILO-UHFFFAOYSA-N thionyl chloride Chemical compound ClS(Cl)=O FYSNRJHAOHDILO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 4
- JWUJQDFVADABEY-UHFFFAOYSA-N 2-methyltetrahydrofuran Chemical compound CC1CCCO1 JWUJQDFVADABEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000007857 degradation product Substances 0.000 description 2
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 2
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 2
- 239000010416 ion conductor Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 229910001540 lithium hexafluoroarsenate(V) Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- XTHFKEDIFFGKHM-UHFFFAOYSA-N Dimethoxyethane Chemical compound COCCOC XTHFKEDIFFGKHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010238 LiAlCl 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015013 LiAsF Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015015 LiAsF 6 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006745 Li—Sb Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 230000018199 S phase Effects 0.000 description 1
- SOZVEOGRIFZGRO-UHFFFAOYSA-N [Li].ClS(Cl)=O Chemical compound [Li].ClS(Cl)=O SOZVEOGRIFZGRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QSNQXZYQEIKDPU-UHFFFAOYSA-N [Li].[Fe] Chemical compound [Li].[Fe] QSNQXZYQEIKDPU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001242 acetic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 230000001464 adherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000000627 alternating current impedance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 150000004645 aluminates Chemical class 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000000010 aprotic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001642 boronic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 150000001722 carbon compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 230000006735 deficit Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 150000004862 dioxolanes Chemical class 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N ethylene glycol Natural products OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 150000002240 furans Chemical class 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 238000011221 initial treatment Methods 0.000 description 1
- 239000003049 inorganic solvent Substances 0.000 description 1
- 229910001867 inorganic solvent Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000000543 intermediate Substances 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000005923 long-lasting effect Effects 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N perchloric acid Chemical class OCl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 150000003346 selenoethers Chemical class 0.000 description 1
- 150000003384 small molecules Chemical class 0.000 description 1
- 239000008247 solid mixture Substances 0.000 description 1
- HXJUTPCZVOIRIF-UHFFFAOYSA-N sulfolane Chemical class O=S1(=O)CCCC1 HXJUTPCZVOIRIF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000001273 sulfonato group Chemical group [O-]S(*)(=O)=O 0.000 description 1
- 150000003463 sulfur Chemical class 0.000 description 1
- YBBRCQOCSYXUOC-UHFFFAOYSA-N sulfuryl dichloride Chemical compound ClS(Cl)(=O)=O YBBRCQOCSYXUOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000003568 thioethers Chemical class 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/136—Electrodes based on inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0561—Accumulators 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
- H01M10/0563—Liquid materials, e.g. for Li-SOCl2 cells
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Primary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (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.Anode material comprising a solid solution of 1 lithium metal 1 and 1 lithium nitride for use in lithium-based electrochemical cells. The anode material may comprise 1 lithium alloys, carbon and polymeric materials.
Description
Oppfinnelsen vedrører anvendelsen av en blanding av litiumThe invention relates to the use of a mixture of lithium
i* in*
og nitrogen som anodematerial i oppladbare eller ikke-oppladbare høyenergi-densitet-batterier. and nitrogen as anode material in rechargeable or non-rechargeable high energy density batteries.
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 . The problems in connection with the use of pure 1 itium meta 11 anodes in electrochemical systems, and in particular in rechargeable cells, are well described in the scientific and technical literature (see, for example, U.S. Patents 4,550,064, 4,499,161, 4,118,550 , 4.071664, 4.086.403). The most important problem is the thermodynamic and kinetic instability of lithium towards cell materials "and the electrolyte, especially at the anode-electrolyte interface. In electrochemical cells, this results in corrosion of the lithium electrode. Thus, attempts to recycle lithium result in dendritic growth, formation of poorly adherent deposits with a large surface area of lithium metal during charging and slow chemical breakdown of the electrolyte. Finally, cell failure occurs due to cell short-circuiting, depletion and/or isolation of the anode, and anode passivation from e1 electrode degradation products. Short-term solutions to the above problems have been the use of excess lithium metal and/or conductive/protective films. Another approach has been the use of composite electrodes such as 1 itium-a 1uminium alloy. In such cases, promotes the immoaile - host material by an even distribution of lithium with reduced chemical activity.Li Tium-a1luminium alloys have been studied very extensively in non-aqueous electrolyte systems. However, the electrode undergoes large volume changes during deposition/stripping in connection with phase transformation. Such electrodes, with extensive recycling, exhibit severe instability. Other disadvantages associated with the use of alloys include large voltage and capacity losses compared to pure 1 i t i u-m anodes.
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 - It has now been found that the above problems with anodes made from lithium iron or lithium-aluminum alloy can be reduced or avoided by using anodes made from -
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 of a mixture of lithium and nitrogen. The present invention is therefore primarily directed at lithium-based electrochemical cells with a new anode material comprising a mixture in the solid state of 1 itium-raeta 11
og nitrogen hvori nitrogenet er i form av 1 itiumnitr id.and nitrogen wherein the nitrogen is in the form of 1 lithium nitride id.
Anoder omfattende den faste blanding eller løsning dannetAnodes comprising the solid mixture or solution formed
fra denne blanding', (nevnte blanding eller løsning omtales noen ganger i den foreliggende ansøkning som "Li/Li^N") from this mixture', (said mixture or solution is sometimes referred to in the present application as "Li/Li^N")
skal anvendes for å erstatte 1 itiumanodene i litium-should be used to replace 1 the lithium anodes in lithium-
baserte elektrokjemiske celler , Uttrykkene "blanding" og "løsning" anvendes vekslende i den foreliggende oppfinnelse; based electrochemical cells, The terms "mixture" and "solution" are used interchangeably in the present invention;
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. the characterization of the solid anode material as a: "mixture" or a "solution" is without meaning- The other elements in the 1 itium-based electrochemical cells, such as the cathode, the separator and the electrolyte, can be used without modifications in the electrochemical cells which are produced according to the present invention and which have anodes of Li/Li^N. Such elements are extensively described in the literature relating to lithium batteries.
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. Mixtures of lithium and lithium nitride have been identified in the scientific literature (e.g., U.S. Patent 4,447,379, Wagner) as intermediates in the preparation of a solid electrolyte, and lithium nitride has been used as a solid ion conductor in solid state cells. state, as explained by A. Rabenau ( Solid State Ionics) , 6 ( 1 982 ) 277 ). Surface films of li^N on lithium foil anodes have also been investigated by Thevenin et al. (Lawrence Berkeley Lab., CA (USA), Jan. 1986, Report No. LBL 20659). However, it has so far not been known to use Li/Li^N as an anode material.
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. The new anode material has reduced chemical/electrochemical activity towards the electrolyte, particularly at the anode/electrolyte interface, can recycle lithium very efficiently and exhibits no loss of ce1le voltage. Li/LiN significantly reduces the degree of interaction between elemental lithium and electrolyte during charge/discharge cycles and during storage. Therefore, an improved lithium-based anode material formed from lithium and lithium nitride, which can be used with a suitable electrolyte, separator and cathode for use in an electrochemical cell, and, in particular, a lithium rechargeable cell, is disclosed in the present invention.
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, Lithium nitride is known to have the highest Li+ ion conductivity of any inorganic lithium salt and has been extensively investigated as a solid electrolyte in solid cells. However, the relatively low breakdown potential of lithium nitride (Ed=0.44V) has limited its commercial use in solid cells. In contrast, lithium nitride is thermodynamically stable to lithium metal and forms,
i kombinasjon med litiummetall, et meget stabilt anodematerial. in combination with lithium metal, a very stable anode material.
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 Fig. 1 is the polarization curve for Li/Li^N (11 mol?oN) in a 1M LiAsF 6/2-MeTHF electrolyte at room temperature. ■ Figs 2 and 3 show the activity of Li/Li^N (11 m o 1 ?o N ) and clean 1 iti urn 1 electrodes during storage in 1M LiAsF6/2-MeTHF - base rt electrolyte and 1M LiAsF^/THF- respectively electrolyte at room temperature. Fig. 4 shows the alternating current of Li/Li^N (11 m o 1 ?o N ) and pure lithium electrodes in LiAlCl 4/1 i on y 1 k 1 o r i d-e 1 e k t rt) 1 y 11 at room temperature. Fig. 5 shows the degree of passivation of pure lithium and Li/Li^<N> (11 mol?oN) during the anodic step in a 1M LiAsF^dioxolane-based electrolyte at -20°c. Fig. 6 shows the cyclic performance of lithium and the Li/Li^N electrodes (1 1 molSKN) r in a 1M LiAsF6,/2-MeTHF electrolyte at
••romtemperatur.••room temperature.
Anodemateriale i henhold til den forliggende oppfinnelseAnode material according to the present invention
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 can be prepared by melting 1 lithium meta 11 foil in a crucible in a dry container filled with argon, adding nitrogen in the form of lithium nitride powder, nitrogen gas or another suitable nitrogen-containing material to form a homogeneous material, and cooling the material to room temperature. The anode material thus formed comprises a solid solution
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 of lithium metal and lithium nitride. Whether -nitrogen is added to liquid lithium in the form of lithium nitride, nitrogen gas or any other nitrogen-containing substance that will release its nitrogen in molten lithium, it has been found that the nitrogen in the solution or mixture is in the form of lithium nitride. The exact composition of Li/Li^N-rates in the 1et depends on the process temperature and the cooling rate. The temperature dependence is particularly defined by means of
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 the material's phase diagram (see P.F. Adams et al. J. of the U- ss-Common Metals, 42 ( 1 975 ) .1 -1 1, 325-334). Even small amounts
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. avLi/Li-jN in the anode is considered an improvement over a pure lithium anode, and electrochemical cells using such anodes are within the scope of the present invention.
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 In the particular case of the 11mol«?oN Li/Li^N mixture used for the data represented herein, approximately 2g of Li^N powder was slowly added to 2g of molten lithium metal in
o 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 . a nickel crucible at about 300 C. The material was stirred for several minutes until homogeneity and was then cooled to room temperature. The resulting anode material was pressed at about -4082; kg/cm 2 to the desired shape.
Anodematerialet kan rulles eller ekstruderes til en folie,The anode material can be rolled or extruded into a foil,
som betraktes som en foretrukket form for anvendelse i elektrokjemiske celler. which is considered a preferred form for use in electrochemical cells.
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 An anode material comprising a solid solution of 1.12 mol% nitrogen was prepared by slowly dissolving 6.34 g of Li-jN in 108.21 g of pure molten lithium at a temperature of about
o 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. 445 C. The melt was then poured into a mold with a large heat loss to allow rapid cooling. " The material solidified almost instantly and the mold was transferred to an extruder for further processing.
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. In embodiments of the present invention, the ratio of Li^N in the mixture may be at any effective level. At levels in which the ratio of N in the mixture varies from approximately 0.06 to 20 mol%, Li<g>g Li^N forms a solid solution at elevated temperatures, and provides a satisfactory, homogeneous anode material. Within this large area, a smaller area of approximately 0.1 to 10 mo 1S5 N is considered preferred.
Et elektrokjemisk system som anvender Li/Li^N-anoden omfatter en separator, en elektrolytt og en katode. An electrochemical system using the Li/Li^N anode comprises a separator, an electrolyte and a cathode.
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. Suitable separator materials** include those commonly used in lithium cells such as porous polypropylene and materials of glass microfibres which are sufficiently porous and can be wetted using the appropriate electrolyte.
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, Suitable non-aqueous solution systems for the electrolyte include all solutions normally used in lithium cells with particular emphasis on aprotic ether or sulfur analogue systems, preferably dioxolanes, furans, glyme, methoxy-* methanes, glycol sulfites, sulfolanes, propylene carbonate and combinations hence. Suitable lithium salts' are chosen based on their high solubility (e.g.=0.5M) and conductivity in the chosen solution system, but will more particularly include anions such as perchlorates, sulphonates, acetates, borates, closoboranes, hexafluoro- or tetrafluoro- metals, halides, aluminates and derivatives thereof. One should note that normal lithium foil anode dependencies and/or bounds in the choice of electrolyte,
(f.eks. oppløst materiale/løsningsmiddel-kombinasjoner) ikke. gjelder for systemer som anvender Li/Li^N-anodemateriale. (eg solute/solvent combinations) do not. applies to systems using Li/Li^N anode material.
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 This means that far more electrolytes can be used. Some of these electrolytes show clearly improved performance characteristics compared to standard lithium anode material
Faste elektrolytter slik som litiumnitrid". litiumjodid og litiumaluminiumnitrid, så vel som poly mere ioneledere eller kombinasjoner derav, kan også anvendes i den foreliggende oppfinnelse. Solid electrolytes such as lithium nitride, lithium iodide and lithium aluminum nitride, as well as polymeric ion conductors or combinations thereof, can also be used in the present invention.
Anvendelsen av elektrolytter basert på uorganiske løsnings-midler slik som svoveldioksyd, tionylklorid eller sulfuryl-klorid, med et passende ledende litiumsalt, er agså overveiet. The use of electrolytes based on inorganic solvents such as sulfur dioxide, thionyl chloride or sulfuryl chloride, with a suitable conductive lithium salt, is also contemplated.
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. A suitable cathode includes each of those described in technical and patent literature for lithium-based electrochemical systems, . E.g. cathodes comprising a halogen or halide, a metal oxide, sulfides, selenides, oxyhalides, sulfur dioxide, and carbon can be used.
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. Cathodes with an active material comprising a ciialcogen or. a cha 1kogenide compound 1se of a transition metal is also suitable. In the case of rechargeable cells, the use of deposit-type materials and organic metals (e.g. TiS or MoS) or oxides (e.g. V 0 ) is , preferred.
22yv V 6 13 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. Anodes produced in accordance with the present invention may alone or substantially alone comprise Li/Li^N, or they may comprise composite materials, in which Li/Li^N is a component. For example, anode compositions comprising plastic or elastomeric ion-conducting macromolecular material, lithium alloys, and carbon compounds are described in U.S. Pat. Patent 4,517,265 (Belanger et al.).''- Similar anode compositions can be prepared according to the present invention which will include Li/Li^N as a component.
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. It is also known to use alloys of lithium and aluminum as an anode material (e.g. U.S. Patent 4,002,492 (Rao). Anodes can be produced according to the present invention using mixtures of Li/Li N and lithium-aluminum alloys , or mixtures of lithium nitride and lithium-aluminum alloys.
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. The use of other lithium alloys as anode material is also known in the prior art, and the use of mixtures of lithium nitride and one or more lithium alloys such as Li-Si, Li-Sn, Li-Fe, Li-Sb, Li-Bi, Li-B, Li-Pb, Li-As, etc. and other combinations thereof as anode materials are contemplated in accordance with the present invention.
Som vist i Fig. 1 på tegningene, viser polariserings-As shown in Fig. 1 of the drawings, polarization shows
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. the curve for Li/Li^N at thorn t empe r a t u.r that at the anodic stage the current increases to large values. Despite the relatively low breakdown potential of Li 3 N (0.40V),2 the cell using Li/Li^N can be discharged up to 7.0 mA/cm in most aprotic solvents commonly used in 1 lithium rechargeable cells . The polarization curve also indicates that Li/Li N anodes cycled at low current densities will only show smaller over-potentials In these cases, the over-potentials are smaller than the breakdown potential of 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 Fig. 2 shows the relative activity of lithium metal and Li/Li^N during storage at room temperature. Generally, the formation of insoluble layers on the electrode during the storage periods causes an associated reduction of its active surface area. The development of the corresponding loss of activity has been followed
å måle forholdet i /i (i er utvekslingsstrømmen ved to measure the ratio i /i (i is the exchange current at
t o ot 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^)■ the initial time, i ter the exchange current after a later specified time) by means of AC impedance spectroscopy at the end of the initial treatment (io) and after an open-circuit dwell time (t) (i^)■
Kurvene i Fig. 2 viser at den kjemiske stabilitet, av litium sammenlignet med elektrolytten faller alvorlig med tiden, The curves in Fig. 2 show that the chemical stability of lithium compared to the electrolyte falls seriously with time,
mens Li/Li N viser en utmerket stabilitet sammenlignet med løsningmidlet under lignende forsøksbetingelser. while Li/LiN shows an excellent stability compared to the solvent under similar experimental conditions.
Et lignende forsøk ble gjennomført ved anvendelse av et relativt mere reaktivt løsningsmiddel, slik som A similar experiment was carried out using a relatively more reactive solvent, such as
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 tetrahydrofuran ("THF"). THF is known to be far too reactive for use in secondary cells. Even very pure THF reacts rapidly with lithium to form a gel-like film. From Fig.3 you can clearly see that the surface activity of Li/Li^N decreases moderately during a storage time of 50 hours
ved romtemperatur, mens overflaten av en ren litium-elektrode ble totalt innaktiv under den samme periode. at room temperature, while the surface of a pure lithium electrode became totally inactive during the same period.
Disse fysikalske fenomen støtter den konklusjon at Li/Li^NThese physical phenomena support the conclusion that 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. gives a significantly longer shelf life, in which an immobile host material such as Li^N promotes a uniform lithium distribution of reduced activity. This is particularly the case for lithium electrodes in primary cells, where problems arising from the presence of passivating layers on the surface of the lithium metal, which limit the transport of the active materials to the interface, are constantly encountered. Moreover, a pronounced passivation of the pure lithium anode will entail a long-lasting delay in reaching an equilibrium voltage on initial discharge. All these problems can be mitigated considerably by using a Li/Li^N anode, where significantly reduced chemical activity is observed.
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 Also, cells using Li/Li^N anodes can be very important in today's primary cell technology. One of the most promising of these is the lithium thionyl chloride cell, in which LiAlCl^ is added to liquid thionyl chloride to increase conductivity and facilitate Li + -ion transport. The high stability of lithium in LiAlCl^/ SOCl^ solution is due to a protective surface film of LiCl
som er dannet når elektroden kommer i kontakt med elektrolytten. which is formed when the electrode comes into contact with the electrolyte.
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. While the film makes it possible to build a battery from a thermodynamically unstable combination such as Li in SOC^» an emerging voltage delay must be overcome to obtain a practical system.
I denne sammenheng, har Li/Li3N~elekt rode r blitt undersøktIn this context, Li/Li3N~electrodes have been investigated
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. in thionyl chloride and sulfur dioxide solutions. Fig. 4 shows the percentage of the exchange current in the cell using Li and L i/L i -jN (11 mol^N) in t i ony 1 kl ori d/L i Al Cl (1.6M) during storage at room temperature. The magnitude of the exchange current is indicative of the surface activity of the electrode which in turn is directly related to the thickness of the passive film formed on the electrode surface. From Fig. 4, it can be clearly seen that the exchange current for the inner electrode decreases with increasing storage time, while the cell using a Li/L i^N-e electrode exhibits a greater exchange current under similar conditions.
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 The LiCl film growing continuously on lithium causes an initial voltage delay, which is discussed earlier. It is further assumed that the initial voltage delay for Li/sOCl^~ce11en depends on the effective growth rate
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. of LiC1-fi 1mtykke1sen. Thus, the initial voltage delay for a cell using a Li/L i^N anode will be significantly less than the cell using a Li-meta 11 anode. This is particularly the case at longer storage times, in which the Li cell suffers significantly from the continuous growth of LiCl film on lithium with a corresponding gradual increase in the cell's initial voltage delay.
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 Fig. 5 shows the activity of lithium metal and Li/L^N during anodic stripping at 1.0 mA/cm at -20 C. The formation of insulating layers on the lithium metal surface can be clearly seen in Fig. 5. These layers have been attributed to , a solvent polymerization initiated by LiAsF degradation products. Impairment of the electrochemical properties in the metal-electrolyte interface due to the formation of a passivating layer can be attributed to a significant overpotential of resistance drop due to lower conductivity as well as higher
Følgelig, begrenser dette mengden litiummetall i hverConsequently, this limits the amount of lithium metal in each
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 cycle. It can also be seen from Fig. 5 that the degree of passivation for Li/Li,N is not as severe as that for lithium electrodes at -20 oC during an anodic stripping at
2 2
1,0 mA/cm , til tross for det større motstandsfall i cellen som anvender Li/Li^N. 1.0 mA/cm , despite the larger resistance drop in the cell using 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• Fig. 6 shows the discharge capacity of lithium and Li/Li^N as a function of the number of cycles at room temperature. The cathode was produced • from a deposit material• l, namely 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. The cell was completed with a glass fiber separator soaked with 1.0 M L iAsF 2 in 2-methylether ahydrofuran. The results from the cycle tests show the higher theoretical capacity for the Li/Li N electrode compared to pure lithium anodes after run-through. In further testing, the cell with a pure lithium anode completed only 5 cycles at 30% of its theoretical capacity, while the cell with the Li/L i^N anode completed 125 cycles at 40% of its theoretical capacity.
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. From the above data, it can be seen that the present invention provides a solution to a number of problems in connection with the use of pure 1 lithium meta 11 anodes in lithium galvanic cells and, in particular, lithium rechargeable cells. A proposed explanation for the superior properties of Li/Li^N as an anode material is related to the formation of micro-pores on the surface of the electrode during the discharge process. The porous Li/L i^N-e1 electrode formed by discharge can act as a three-dimensional electrode, thereby significantly reducing the local current density and eliminating the mass distribution of lithium during extended run-through. Furthermore, morphological investigations carried out on Li/Li-jN using a scanning electron microscope have shown that anodic polarization effectively cleans the anode surface. The microporous structure was clearly revealed after the electrode surface was anodically polarized at approximately +50 mV overpotential and 10 coulomb/. cm<2>charge density.
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. During the cathodic stage, lithium begins to grow on. a clean surface. It is proposed that the improvement in electrode properties is directly tied to the presence of micro-cavities formed on the electrode surface during the initial anode step. Moreover, the incorporation of lithium into the Li/Li^N anode during subsequent cathodic steps will take place through these micro-hu1 space. However, the size of the voids only ensures the passage of small molecules such as lithium, while bulk solvent molecules are unable to penetrate the voids. Based on this -model, the initial anodic polarization plays a decisive role when concerns the quality of the electrode properties, and the formation of cavities that allow the passage of lithium ions alone and not the solvent molecules or solute molecules.As part of this model, it is further expected that lithium nitride, in addition to acting as a host species, can also promote lithium ion conductivity inside the anode Additionally, initial lithium NMR studies indicate complete delocalization of 1 iti urne 1ektrons which equalize and reduce the total lithium activity. It is assumed that the combination of all these effects results in improved cycling and longer durability as observed in the investigations with the Li/Li^N-e1 electrode.
Claims (7)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CA531168 | 1987-03-04 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
NO880921D0 NO880921D0 (en) | 1988-03-02 |
NO880921L true NO880921L (en) | 1988-09-05 |
Family
ID=4135099
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
NO880921A NO880921L (en) | 1987-03-04 | 1988-03-02 | ANODE FOR BATTERIES. |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR880011946A (en) |
BR (1) | BR8800926A (en) |
DK (1) | DK106788A (en) |
FI (1) | FI880999A (en) |
IL (1) | IL85631A0 (en) |
NO (1) | NO880921L (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100666821B1 (en) * | 2004-02-07 | 2007-01-09 | 주식회사 엘지화학 | Organic/inorganic composite porous layer-coated electrode and electrochemical device comprising the same |
EP1784876B1 (en) | 2004-09-02 | 2018-01-24 | LG Chem, Ltd. | Organic/inorganic composite porous film and electrochemical device prepared thereby |
KR100966024B1 (en) | 2007-04-24 | 2010-06-24 | 주식회사 엘지화학 | A electrochemical device having a different kind of separators |
-
1988
- 1988-02-29 DK DK106788A patent/DK106788A/en not_active Application Discontinuation
- 1988-03-02 NO NO880921A patent/NO880921L/en unknown
- 1988-03-03 KR KR1019880002183A patent/KR880011946A/en not_active Application Discontinuation
- 1988-03-03 BR BR8800926A patent/BR8800926A/en unknown
- 1988-03-03 IL IL85631A patent/IL85631A0/en unknown
- 1988-03-03 FI FI880999A patent/FI880999A/en not_active Application Discontinuation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FI880999A (en) | 1988-09-05 |
BR8800926A (en) | 1988-10-11 |
NO880921D0 (en) | 1988-03-02 |
DK106788A (en) | 1988-09-05 |
DK106788D0 (en) | 1988-02-29 |
FI880999A0 (en) | 1988-03-03 |
IL85631A0 (en) | 1988-08-31 |
KR880011946A (en) | 1988-10-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2269841C2 (en) | Primary (non-rechargeable) and secondary (rechargeable) magnesium base batteries | |
Baggetto et al. | Germanium as negative electrode material for sodium-ion batteries | |
KR101797510B1 (en) | Sulfide-based solid electrolyte for lithium ion cell, and solid electrolyte compound | |
Zhang | Binder based on polyelectrolyte for high capacity density lithium/sulfur battery | |
US4118550A (en) | Aprotic solvent electrolytes and batteries using same | |
CN109921097B (en) | Preparation method of all-solid-state battery and all-solid-state battery obtained by preparation method | |
Judez et al. | Stable cycling of lithium metal electrode in nanocomposite solid polymer electrolytes with lithium bis (fluorosulfonyl) imide | |
US20120082901A1 (en) | Lithium-based anode with ionic liquid polymer gel | |
JPS6057188B2 (en) | Chemical battery with rechargeable lithium-aluminum negative electrode | |
US4888258A (en) | Lithium-lithium nitride anode | |
CA1302491C (en) | Lithium-lithium nitride anode | |
Wang et al. | An in-situ generated composite solid-state electrolyte towards high-voltage lithium metal batteries | |
Chen et al. | Self-healing artificial solid electrolyte interphase enhanced by quadruple hydrogen bonding for stable lithium metal anode | |
Song et al. | Thermally stable gel polymer electrolytes | |
Xu et al. | Stabilizing electrode/electrolyte interface in Li-S batteries using liquid/solid Li2S-P2S5 hybrid electrolyte | |
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 | |
CN111799442A (en) | Semi-liquid-state cathode of branchless crystallized sodium-potassium ion battery and preparation method and application thereof | |
CN111276755A (en) | Preparation method of lithium ion battery with long storage performance | |
US3998658A (en) | High voltage organic electrolyte batteries | |
Wu et al. | Stabilizing poly (vinylidene fluoride) solid-state electrolytes/lithium metal interface by constructing an ultrathin interface layer to inhibit the electron transfer | |
Tan et al. | Dual-layer composite solid polymer electrolytes with Janus properties for interface modification of solid state lithium metal batteries | |
JP3659177B2 (en) | Negative electrode material for non-aqueous secondary battery, method for producing the same, and negative electrode | |
NO880921L (en) | ANODE FOR BATTERIES. | |
WO2023241138A1 (en) | Ether electrolyte solution and application thereof in batteries | |
Scrosati | Silver rubidium iodide solid electrolyte |