SE455356B - Elektrokemisk cell med aktiv metallanod och vetske- eller gasformig katoddepolarisator - Google Patents

Description

15 20 25 30 .SS 40 455 356' 2 verkligade kapaciteterna hos anoden och katoddepolarisatorn är beroende av åtminstone en variabel parameter, kännetecknad därav, att vid förutbestämda parametrar, vilka resulterar i den inerta katoden som är den begränsande faktorn för livslängden hos cellen och de förutbestämda parametrarna som är utvalda som approxime- rande míssbruksbetingelser, förhållandet mellan den användbara kapaciteten hos den aktiva metallanoden och den förverkligade ka- pacitetenihos den inerta katoden är sådan att vid slutet av ur- laddningslivslängden hos cellen är mängden av urladdningsbar aktiv metall som återstår i anoden icke större än cirka 15 % av mängden av den aktiva metall som redan är urladdad, och att där finns från början ett stökiometriskt överskott av katoddepolarísatorn över den initiala mängden av den användbara anodmetallen.

En cell enligt en andra aspekt på uppfinningen har en aktiv metallanod, en vätske- eller gasformig katoddepolarisator i en icke-vattenhaltig elektrolytlösning och en inert katod, varvid den förverkligade kapaciteten hos den inert katoden, relativt de förverkligade kapaciteterna hos anoden och katoddepolarisatorn, är beroende på åtminstone en variabel parameter, kännetecknad där-. av, att under förutbestämda parametrar, vilka resulterar i den inerta katoden som är en begränsande fakfor i livslängden hos cel- len och de förutbestämda parametrarna som utvalts som approxime- rande missbruksbetingelser, sambandet mellan den användbara kapa- citeten hos den aktiva metallanoden och den förverkligade kapaci- teten hos den inerta_katoden är sådan att vid slutet av cellur- laddningen hos denna cell som undergàr forcerad urladdning med en_ hastighet som är väsentligen ekvivalent med den initiala urladd- ningshastigheten den tid som erfordras för anodpolarísation är icke större än cirka 15 % av den tid som från början erfordrades för att uppnå slutet av cellivslängden varvid vid tiden för anod- polarísation finns återstående vätske- eller gasformig depolari- sator: Helt allmänt omfattar föreliggande uppfinning en stryktâlig elektrokemisk cell omfattande en aktiv metallanod (en metall över väte i elektromotoriska serien), en vätske- eller gasformíg katod- depolarisator, en inert katod, vilken åstadkommer cellreaktions- läget, ochzen elektrolytlösning för jonisk konduktivitet och ma- terialtransport. Cellen enligt föreliggande uppfinning är före- trädesvis anodbegränsad vid relativt låga urladdningshastigheter (cirka 1 mA eller mindre) och vid rumstemperatur (cirka ZSOC), 10 15 20 25 30 .35 40 455 356 men vid ökande högre hastigheter och/eller lägre temperaturer är kapaciteten hos den inerta katoden som ett reaktionsläge minskat varigenom katoden ökande blir den begränsande faktorn vid bestäm- ning av slutet av cellivslängden vid noll volt. Denna växling sker på grund av att vid högre urladdningshastigheten och lägre temperaturer den yttre ytan av katoden blir ett företrädesvis reaktionsläge, med bildade cellreaktionsprodukter vid'ytan av katoden som förhindrar ytterligare utnyttjning av katodens inre.

Högre urladdningshastigheter förorsakar snabb reaktionsprodukt- uppbyggnad vid katodytan, och därigenom blockering av djupare pe- netrering av ktoden som ett reaktionsläge. Lägre temperaturer re- ducerar vanligen konduktiviteten hos elektrolytlösningen, och bringar därigenom också penetreringen av katoden av elektrolyten till ett minimum. Resultatet är att endast katodytan fungerar som ett reaktionsläge.

I cellen enligt föreliggande uppfinning är de relativa kapa- citeterna hos cellkomponenterna - anod, katod och vätske- eller gasformig katoddepolarisator - avpassade eller balanserade för förhållanden under vilka cellen blir katodbegränsad, så att mäng- den urladdningsbar anodmetall förblir då cellen när noll volt (betecknas som t1) förorsakad av katoddeaktivering och polarise- ring, fördröjer inte orimligt anodpolariseringen och djup cell- reversering om cellen forceras till reversering. Varje fördröj- ning (under en tid tz) av anodpolariseringen till tiden för anod- polarisering och djupcellreversering (betecknas som t3) bör inte överstiga 15 % av den initiala tiden (t1) för att uppnå noll volt (under antagande att den forcerade reverseringshastigheten är den- samma som vid den initiala urladdningshastigheten), vid t3 - t1 eller tz 5 0,15 t1 vid urladdningshastigheten = tigheten. Begränsningen av den_initiala kapaciteten hos anoden, reverseríngshas- så att anoden förblir den begränsande elektroden även vid höga hastigheter eller låga temperaturer, resulterar i en cell med myc- ket låga kapaciteter under normala utnyttjningsbetingelser. I överensstämmelse härmed har celler sådana som Li/S02 vänligen konstrueras med klart överskott av litium för hög kapacitet och är vanligen katodbegränsade eller katoddepolarisatorbegränsade.

Förutom fordringen att fördröjningstiden till djup reversering (tz) inte bör överstiga 15 % av den initiala urladdningstiden (t1), måste det finnas tillräcklig depolarisator av vätske- eller gasform i cellen från början för att tillförsäkra att något av 10 15 20 25 30 35 40 455 356 4 den vätske- eller gasformiga depolarisatorn (företrädesvis 5 % eller mer över den förverkligade anodkapaciteten) förblir vid ti- den för djup cellreversering (t3).

Det förutsättes att explosiva eller eldfarliga förhållanden i starkt reverserade celler kan vara kännetecknande för dendri- tiska eller högytområdet som pläteras av anodmetall på den inert polariserade katoden, vilken plätering fortsätter på cellreverse- ringen till dess urladdningsbar anodmetall som återstår vid t1 är fullt urarmat. Vid tiden för anodmetallutarmningen är även anoden polariserad med en medföljande djup cellreversering och ökande celltemperaturer. Om det inte finns någon vätske- eller gasformiga depolarísator som återstår vid tiden för sådan djup cellreversering (t3), kan den högst reaktiva dendritiska eller högytområde pläterade anodmetallen reagera med andra reaktiva cellkomponenter vid de ökande celltemperaturerna, med eventuellt resulterande explosion eller eld. Ett exempel på en eventuell skadlig reaktion inkluderar litium med acetonitrillösningsmedel vanligen använd i Li/S02-celler. Sådana reaktioner inträffar inte under initialurladdningen, enär vätske- eller gasformiga depolari- satorn effektivt förhindrar sådana reaktioner från att inträffa, genom bildningen av en passiverande film på anoden. Det har emel- lertid upptäckts att även närvaron av vätske- eller gasformig ka- toddepolarísator vid tiden för djupcellreverseringen är vanligen íneffektiv för att skyddande passivera den dendritiska eller hög- ytområde pläterade anodmetallen såvida inte mängden av sådan plä-i terad anodmetall bringas till ett minimum så att tz 3 0,15 t1 såsom beskrivits ovan.

Tidparametrarna som beskrives ovan är beroende på olika fak- torer inkluderande cellurladdnings- (och reversal-) hastigheterna, temperaturbetingelserna, konduktiviteten hos elektrolyten, utse- ende och relativa läge hos elektroderna och andra faktorer, som kanbestämma effektiviteten hos elektroderna. Sålunda minskar exem- pelvis högre urladdningshastigheter kapaciteten hos katoden, med den snabba bildningen av icke-konduktiva reaktionsprodukter vid ytan av katoden, vilket förhindrar ytterligare utnyttjning av det inre av kâtoden. Som ett resultat når cellen noll volt snabbare, med ytterligare anodmetall kvarvarande tillgänglig för skadlig dendritisk eller högytområde-plätering, så att t1 müßkar och för- dröjníngstiden till ytcellreversering, tz, ökar.

På samma sätt inverkar lägre temperaturer genom att minska 10 15 20 25 30 35 40 5 455 356 elektrolytkonduktiviteten och därigenom deaktivera katoden snab- bare vilket förorsakar att t1 mfiflfiäf och fördröjningstiden tz skad- ligt ökar.

Med avseende på konduktiviteten hos elektrolyten bör det no- teras att ehuru det är en fordran att vätske- eller gasformiga depolarisatorn är närvarande vid tiden för djupcellréversering kan allt för mycket vätske- eller gasformig depolarišator faktiskt vara skadligt för cellsäkerheten. Vanligen inträffar den högsta konduktiviteten hos cellelektrolyten vid en vätske- eller gasfor- mig depolarisatorkoncentration som är annan än vid mättning. I överensstämmelse härmed kan avvikelser i koncentration, (både minskning och ökning) av den vätske- eller gasformiga depolarisa- torn inom elektrolytlösningen vilken har motsatt effekt på elek- trolytkonduktiviteten resultera i en för tidig deaktívering av katoden på ett sätt som liknar dem vid lägre temperaturer vilka också minskar konduktiviteten.

Utseendet och relativa läget hos elektroderna bestämmer van- ligen effektiviteten hos sådana elektroder varvid cellkapaciteten kan öka och därigenom öka t1 och gynnsamt minska tz. Exempel på sådana utseenden och lägesmodifikationer inkluderar ökad katod- porositet och ytområden, nedbringandet av katodtjockleken till ett minimum med medföljande ökning i yttre ytreaktionsläget, och placeringen av anod och katod intill varandra för maximalt utnytt- jande av anoden (katoden bör vara belägen mitt emot anoden på bå- da sidor därav).

Med avseende på relativa kapacíteterna hos cellkomponenterna bör kapaciteten hos katoddepolarisatorn vara i stökiometriskt överskott över mängden av urladdningsbar aktiv metallanod. Vidare bör under förhållanden såsom höga urladdningshastigheter och/eller låga temperaturer när cellen blir katodbegränsad, kapaciteten hos den urladdningsbara anodmetallen (i korrelation till ovannämnda fördröjningstid) icke överskrida den aktuella kapaciteten hos den inerta katoden underïsådana betingelser med mer än 15 %.

Eftersom användningen av en cell när den sä1jes¿kommersiel1t vanligen är oförutsägbar med avseende på olika konsumenttillämp- ningar måste det antagas att cellen kan urladdas vid höga hastig- heter varigenom kapaciteten reduceras hos den inerta katoden som ett reaktionsläge (lägre t1 och högre tz). Som ett resultat är det sannolikt att överskott av anodmaterial kommer att stanna kvar vid slutet av cellurladdningen (noll volt) med möjligheten 10 15 20 25 30 35 40 455 356 att fördröja djupa cellreverseringen (resulterande av fördröjning- en i polariseringen av anoden) och skadlig dendritisk plätering.

Cellen bör i överensstämmelse därmed från början företrädesvis "balanseras" såsom ovan beskrives för en urladdningshastighet av åtminstone 1 ampereoch företrädesvis 2 ampere. Eftersom konsument- tillämpningar för maximalt höga uttag vanligen fordrar från cirka 0,5 till 1,0 ampere strömuttag, såsom för belysning och leksaker, 2 ampere"strömuttag för balansering antages att åstadkomma en tillräcklig säkerhetsmarginal för de flesta konsumentapplikatio- ner. Vid lägre strömuttag än 2 ampere utnyttjas anodmetallen mer effektivt med ett till och med lägre värde för tz, vilket ger säk- rare celler.

Förutom utbalansering av en 2 ampere lerna dessutom företrädesvis vara utbalanserade för en temperatur av lägre än cirka 0°C och företrädesvis till en temperatur lägre än cirka -30°C, för att ytterligare kompensera för möjlig låga temperaturer under vintern. Ukade strömuttag och låga temperaturer både tenderar att förkorta livslängderna hos cellen (till noll volt) genom deaktivering av katoden med medföljande underutnytt- jande av den aktiva metallanoden vilket resulterar i den ökade möjligheten av överdriven dendritisk eller högytområdeanodmetall- utfällning på katoden före djucellreverseringen. I överensstämmel- se härmed bör för att åstadkomma en marginal för säkerhet cellerna kapacitetsbalanserade vid både höga strömut- strömuttag bör cel- företrädesvis vara tag och låga temperaturer såsom ovanpåvisats.

Följande diskussion hänför sig till specifik säkerhetsutba- lansering av en cell med en lítiumanod, en kolkatod och en svavel- dioxidkatod-depolarisator. Det bör emellertid förstås att sådan utbalansering är tillämpbar på andra celler med olika komponenter och att varje detaljspecificering endast göres för illustrativt ändamål.

Den teoretiska kapaciteten av litium som en anod är 3,86 amperetimmar per gram och den teoretiska kapaciteten av S02 som katoddepolarisator är 0,418 amperetimmar per gram. Kapaciteten hos kolhaítíga katoder baserade på tillgängligt ytområde för an- vändning som reaktionslägen (cirka 85 % porositet) är cirka 3 amperetimmar per gram.

I en aktuell cell är den förverkligade kapaciteten hos li- tiumanoden beroende på anodens utseende. En tunn förlängd litium- folie såsom i en "gelerulle" eller en lindad konstruktion skulle 10 15 20 25 35 40 7 455 :se exempelvis tendera att förlora litiumkapacitet genom den elektriska bristen på förbindelse mellan segmenten och folien vilka är avläg- set belägna från anodanslutningen. På liknande sätt begränsas li- tiumkapaciteten genom en "utvändig anod" i vilken en del av ano- den inte är belägen mitt emot katoden ehuru ännu elektriskt för- bunden. I en bestämning av kapaciteten hos litiumanoden i en cell som inrymmer föreliggande uppfinning, är det bortkopplade litiumet inte inkluderat i litiumkapaciteten för utbalanseringsändamål eftersom sådant litium genom dess bortkoppling icke är tillgäng- lig för förstörande dendrit eller högytområdeplätering på katoden. Återstående litium vilket sålunda erhålles på grund av att det inte är beläget mitt emot en katod inkluderas inom kapacitetsbe~ stämningen hos litium hos föreliggande cell. I en konstruktion omfattande en lindad yttre anod åstadkommer litíumfolíen vanligt- vis 75 till 85 % utnyttjning i en litiumbegränsad cell. I en ytt- re katodform är procenthalten utnyttjning något högre och är cirka 80-85 %. Denna utnyttjning varierar inte i någon större utsträck- ning under olika cellurladdningshastigheter och/eller temperatur- betingelser såvida icke andra cellkomponenter åstadkommer cellbe- gränsande faktorer under sådana olika cellurladdningshastigheter och/eller temperaturbetingelser. _ På grund av vätske- eller gasformiga naturen hos S02-katod- depolarisatorn är dess förverkligade kapacitet vanligen tätt in- till den teoretiska kapaciteten och det är vanligen cirka 95-97 % i en S02-begränsad cell. Detta förblir vanligtvis konstant trots växlingen i urladdningshastighet och temperaturbetingelser.

Den cellkomponent som är mest känslig för växlingar av cell- betingelserna är den kolhaltiga katoden, med dess kapacitet som ett reaktionsläge varierande vidsträckt under olika betingelser hos temperaturen, elektrolytkonduktiviteten och urladdningshastig- heterna. För en 0,0889 cm tjock kolhaltig katod som är urladdad mot en litíumanod med en 70 % S0, - lM LiBr acetonitrildepolarisa- tor/elektrolytlösning vid rumstemperatur och en urladdningshastig- het av 0,88 mA är sålunda kolkapaciteten reducerad från den teo- ritiska kapaciteten av cirka 1,88 amperetimmar/gram. Vid lägre temperaturer och/eller högre urladdningshastigheter är kapaciteten hos katoden ytterligare reducerad. Dessutom kommer, eftersom för Li/S02-systemet beskrivet ovan den optimala elektrolytkonduktivi- teten (inkluderande en tillåten växling i S02-koncentrationen alstrad genom utarmning av S02 genom cellreaktionen) är cirka UI 10 15 20 25 30 35 455 356 s 70 % S02, växlingen av S02-koncentrationen såsom till 60 % eller 80 % också att reducera kapaciteten av katoden. Det är särskilt fördelaktigt att koncentrationen av S02 i elektrolyten inte över- skrider 75 %.

Som ett exempel på en säkerhetscell (för förutsett konsument- missbruk) hos föreliggande uppfinning har liknande katoder en katodkapagitet av cirka 1 amperetimme per gram kol vid en urladd- ningshastighet av cirka 2 ampere vid en temperatur av cirka -30°C.

I den föredragna konstruktionen av en säkerhetscell (med en yttre katod) i överensstämmelse med föreliggande uppfinning är sålunda 85 % av den initiala mängden lítium inom cellen utbalanserad för att åstadkomma en kapacitet icke större än cirka 15 % mer än katod- kapaciteten vid -30°C med en urladdningshastighet av 2 ampere.

På liknande sätt kan mängden av kolhaltíg katod utbalanseras mot de initiala mängderna och förverkligad kapacitet hos litiumanoden.

Mängden elektrolyt och S02 som finns inom cellen bör tillpassas för att åstadkomma maximal konduktivitet och mängden av urladd- ningsbar S02 utbalanseras vidare mot förverkligad litiumkapacitet så att någon S02 förblir då lítium utarmas fullständigt av den forcerade urladdningen eller cellreverseringsbetingelserna. Efter- som en förverkligad litiumkapacitet i den lindade formen (och be- tingelserna) som beskríves ovan är cirka 70 % (85-15) av den ur- sprungliga mängden lítium kan S02-mängden anpassas i överensstäm- melse därmed för att åstadkomma en förverkligad kapacitet av S02 utöver den för litiumkapaciteten och företrädesvis åtminstone 5 % eller mer än den förverklígade kapaciteten för lítium.

Följande exempel på olika celler med olika komponentförhål- landen och former illustrerar vidare effektiviteten och säkerheten hos cellerna som är konstrukerade i överensstämmelse med förelig- gande uppfinning jämfört med icke "utbalanserade" celler. Alla cellerna som beskrivs ovan urladdades med en hastighet av 2 ampere vid -30°C och tvingades till reversering med en hastighet av 2 ampere likaså. Det bör förstås att följande exempel är för illu- strativt ändamål enbart och inte utgör begränsningar av uppfin- ningen. Alla delar är viktdelar såvida icke annat anges.

Bifogade ritning visar grafiskt urladdningsegenskaperna hos míssbrukafe celler med olika komponentformer och relativ urladd- ningskapacitet som cellspänníngen V mot tiden T i timmar. 455 356 Tabell* (jämför ritningen för urladdnings- och reverseríngs- kurvorna) ' ' Nummer Litium Teoretisk Elektrolytsammansättning** på cell Li-anod kapacitet a och ex. tjocklek hos litium _ cm (Ah) _ 1 0,0Z54 11,5 70 % S02 2 0,0Z54 11,5 80 % S02 3 0,0203 9,2 80 % S02 4 0,0203 9,2 70 % S02 5 0,0Z03 9,2 70 % S02 * Alla celler konstruerade med: ** Alla 1M LiBr i acetonítríl -S0 59,7 x 4,128 x 0,0889 cm katod (kolvikt 710,6 g, aluminium "Exmet" vikt 2,6 g) 121,9 cm "Celgard" separator; alla lindade med yttre katod; och 34,2 g elektrolyt med SO depolarisator. Alla cellerna urladdade och tvingade till reversering vid 2 ampere, -3006. har 0,75 M LiAsF6-elektrolyt Tabell (jämför ritning för urladdning och reverseríngs- 2-lösning utom cell nr 5, som kurvor) Nummer Teoretisk Aktuell kapacitet Tid till noll på cell kapacitet för (A h) av kolkapaci- volt under t1 och ex S02 (A h) teten baserat på noll- (h) spänning 1 10,0 7,2 3,6 2 11,4 7,2 , 3 11,4 5,4 2,7 4 10,0 7,2 , s 10,0 7,85 3,9 52,94 x 4,128 cm lítiumfolie- anod, 2 10 -15 20 25 455 356 10 Tabell, forts.

Nummer Tid för djup Fördröjníngstid . tz på cell reverseríng t3 - t1 É- och ex. t3 tz _ 1 (h) (h) resultat 1 5 1,4 0,4 cell fullproppad och _ förkolnad 2 _- 1,4 0,4 cell förkolnad 1,3 0,48 hål förbränt genom cell 4 4 , 0,11 ventil S 4 0, 0,03 ingen ventil Såsom framgår av föregående tabell samt av ritningen är cel- lerna 1-3 obalanserade och är därför vanligen osäkra under miss- bruksförhållanden. Cellerna 4 och 5 är utbalanserade i överens- stämmelse med föreliggande uppfinning och är i överensstämmelse därmed väsentligen säkra för allmänna konsumenttillämpningar.

I cellerna 1 och 2 finns ett särskilt stort överskott av li- tium kvarstående vid slutet av cellurladdningen (katoddeaktive- ' \ ring, med resulterande skadlig dendrit eller högytarea-1itiump1ä- tering på katoden. Cell 3 som har en mindre absolut mängd lítium är icke dess mindre också osäker som ett resultat av den minskade konduktivíteten alstrad genom den minskade konduktivíteten hos 80 % S02-elektrolytkomposiitonen, som i förtid deaktiverar kol- katoden. Fördröjningstiden med dendrit eller högytareaplätering mellan slutet av cellurladdningen och den djupa cellreverseringen av cellerna 1-3 är cirka 40-50 % av initialurladdningstiden, under det att cellerna 4 och 5 har fördröjningstider av endast 11 och 3 % respektive. Det bör vidare framhållas att användningen av Líi"F6-salt i cell 5 resulterar i något lägre viskositet hos elektrolyten och ökad materialtransportförmåga varigenom katod- effektiviteten något ökas och utnyttjningen ökar av lítium före cellreverseringen.

Av ritningarna framgår det vidare att det inte finns någon växelverkan genom att utnyttja mindre litium för anoderna än vad man kan ha väntat. Utförandet av cell 4 under en 2 ampere urladd- ningshastighet är nästan identiskt med den som hos cellerna 1 och 2, som innehåller mera litium, och utförandet av cell 5 är avsevärt bättre än det hos cellerna 1 och 2.

Det bör även framhållas att obalanserade celler, särskilt 10 15 20 25 30 40 11 455 356 0 sådana med elektrolyter med låg konduktivitet, såsom 80 a S02, kan antändas eller explodera även före den fullständiga dendrit eller högytareapläteringen av litiumanoden på katoden. Tiden för sådan besvärlig händelse tages inte med i beräkningen för tiden av djupcellreverseringen för ändamålet enligt föreliggande upp- finning, eftersom det finns kvarvarande litium på anaden vid bran- den eller explosionen. _ Den vätske- eller gasformiga katoddepolarisatorn som används i cellerna enligt föreliggande uppfinning inkluderar ovannämnda svaveldíoxid och andra icke-metalliska oxider, vätske- eller gas- formiga oxihalogenider, icke-metallíska halogenider och bland- ningar därav, såsom tionylklorid (SOCl2), fosforoxiklorid (POCl3), selenoxiklorid (SeOCl2), svaveltrioxid (S03), vanadinoxitriklorid (VOCl3), kromylklorid (Cr02Cl2), svaveloxiklorid (SO2Cl2), nitryl- klorid (NOZCI), nitrosylklorid (NOCl), kvävedioxid (N02), svavel- monoklorid (SZCIZ) och svavelmonobromíd (SzBr2). Vätske- eller gasformiga katoddepolarisatorer såsom de uppräknade kan fungera som elektrolytsaltlösningsmedel eller som ett samlösningsmedel med icke-vattenhaltiga lösningsmedel inkluderande organiska lös- ningsmedel såsom propenkarbonat, acetonitril, metylformiat, tetra- hydrofuran och liknande, vilka har allmänt använts i icke-vatten- haltiga celler med litium med hög energitäthet och 1itium/SO,-cel- Företrädesvis bör elektrolytsaltet eller salterna som används 2ohm'1cm'1 vid rumstemperatur ler. åstadkomma en konduktivitet över 10' varigenom maximumanvändning av katoden är möjlig. Exempel på elek- trolytsalter med de erforderliga konduktiviteterna och kombiner- barheten som vanligen används i celler innehållande vätske- eller gasformiga katoddepolarisatorer inkluderar alkali- och alkali- jordartsmetallhalogenider, tetrahaloaluminater, tetrahaloborater, klovoborater, hexafluorofosfater, hexafluoroarsenater, perklora- ter och andra elektrolytsalter eller lösta ämnen som är uppräknade i amerikanska patenten 3 926 669 och 4 020 240.

Ehuru litium är den mest föredragna metallen för metallanoden är andra metaller med hög energitäthet, såsom alkali'och alkali- jordartsmetaller, såsom natrium, kalium, rubidium, magnesium och kalcium samt andra aktiva metaller över väte i den elektromotoris- ka serien användbara i föreliggande uppfinningen antingen ensamma eller i kombination eller i olika legerade former.

Det föredragna materialet för den inerta katoden är kolsvart, såsom "Shawinigan black" på grund av sin höga ytarea. Andra katod- 10 455 ass 12 material inkluderar grafit och cellförenbara porösa metaller så- som titan, nickel, koppar och liknande. Allmänt är kolhaltiga ka- toder också byggda med små mängder (av storleksordningen 5-10 viktprocent] bindemedel såsom PTFE, som är dispergerat däri.

De kolhaltiga katoderna är vanligen pastaformade på expanderat metallgaller (Exmet) av metall såsom aluminium för att åstadkomma både strukturmässig enhet och funktion som katodströmsamlare.

Det bör förstås att de ovannämnda exemplen har presenterats för att klargöra uppfinningen och utgöra en illustration av denna och dess effektivitet. Några detaljer däri bör inte betraktas som en begränsning av uppfinningen. Växlingar av cell- och kompo- nentform, identitet, relativa kapacitet och liknande, kan göras utan att frångå uppfinningeníram, såsom denna definieras i efter- följande krav.

Claims (18)

“ 455 sse Ealanlknu

1. Mieebrukebeetändig elektrokemiek cell omfattande en aktiv metallanod, en väteke- eller gasformig katoddepolari- eator i en icke-vattenhaltig elektrolytlöening Éch en inert katod, i vilken den förverkligade kapaciteten aå_den inerta katoden relativt de förverkligade kapaciteterna hoe anoden och katoddepolarieatorn är beroende pa atminatone en variabel pa- rameter, k ä n n e t e c k n a d därav, att deeea paramet- rar, eom är bestämda i förväg och eom innefattar urladdnings- etröm, temperatur och cellkonfiguration och som medför att den inerta katoden blir en begränsande faktor i cellens livslängd, är et valda att de närmar eig miesbrukebetingelser, och att relationen mellan den utnyttjningsbara kapaciteten hos den aktiva metallanoden och den förverkligade kapaciteten hos den inerta katoden är sådan att vid slutet av urladdningelivs- längden hoe cellen kvantiteten av urladdningsbar aktiv metall eom förblir i anoden inte är atörre än cirka 15% av mängden aktiv metall eom redan urladdats; och att det finne ett etö- kiometriekt överekott av katoddepolarisatorn över den initiala mängden av utnyttjningsbar ancdmetall.

2. Cell enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att de i förväg bestämda parametrarna inkluderar en urladd- ningshastighet och en forcerad urladdningshaetighet av åtmin- etone 1 ampere, företrädeevis atminetone 2 ampere.

3. Cellfenligt krav 1, eller 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att de i förväg bestämda parametrarna inkluderar en urladdningetemperatur för omgivningen och en forcerad urladd- ningstemperatur av mindre än 0°C, företrädesvis en lägre tem- peratur än -30°C.

4. Cell enligt nagot av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d därav, att vätske- eller gasformiga katodpola- rieatorn omfattar evaveldioxid.

5. Cell enligt krav 4, k ä n n e t e c kín a d därav, att det stökiometriska överskottet är åtminstone 5%.

6. Mieebrukebeetändig elektrokemiek cell enligt krav 1, omfattande en litiumanod, en vätske- eller gaeformig evavel- dioxidkatoddepolarisator i en icke-vattenhaltig elektrolyt- lösning vari evaveldioxiden inte överekrider 75 viktprocent av elektrolytlöeningen och en inert-kolhaltig katod, vari vid en 455 356 V* urladdningehastighet av åtminstone 2 ampere och en lägre omgi- vande temperatur än -30°C, den inerta katoden är den begrän- sande faktorn för livslängden hoe cellen, k ä n n e - t e c k n a d därav, att vid slutet av urladdningelivelängden hos cellen kvantiteten av urladdningsbar litium kvaretaende i anoden är mindre än cirka 15% av mängden litium som redan ur- laddate och att det finne fran början ätminetone ett 5-procen- tigt etökiometriekt överskott av S02 utöver den initiala mäng- den av utnyttjningsbar litiummetall.

7. Cell enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d därav, att evaveldioxiden omfattar cirka 70% av elektrolytlösningen.

8. Miesbruksbeetändig elektrokemiek cell omfattande en aktiv metallanod, en väteke- eller gaeformig katoddepolariea- tor i en icke-vattenhaltig elektrolytlöening och en inert ka- tod, vari den förverkligade kapaciteten hoe den inerta katoden relativt de förverkligade kapaciteterna hos anoden och katod- depolarisatorn är beroende av atmineetone en variabel parame- ter, k ä n n e t e c k n a d därav, att under parametrar, eom är bestämda i förväg och som medför att den inerta katoden blir den begränsande faktorn i livslängden hos cellen och -dessa parametrar är sa valda att de närmar sig misebrukebetin- geleer, relationen mellan den utnyttjningebara kapaciteten hoe den aktiva metallanoden och den förverkligade kapaciteten hos den inerta katoden är sådan att vid slutet av cellurladdningen med cellen i tvangeurladdningstilletänd med en hastighet som väsentligen är ekvivalent med den initiala urladdningehaetig- heten, tiden som erfordras för anodpolarieering inte är större än cirka 15% av den tid som fran början erfordradee för att uppnå slutet av cellivslängden och att vid tiden för anodpola- rieation det finns kvaretaende väteke- eller gasformig polari- sator. C

9. Cell enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d därav, att urladdningehaetigheten och den forcerade urladdningehas- tigheten är åtminstone 2 ampere. ï

10. Cell enligt krav 8 eller 9, k ä n n e t e c k n a d därav, att de i förväg bestämda parametrarna da inkluderar en lägre omgivande temperatur för urladdning och tvängeurladdning än -30°C.

11. Cell enligt nagot av kraven 1-S och 7, 10, k ä n - V5 i 455 356 n e t e c k n a d därav, att den aktiva metallanoden består av litium.

12. Cell enligt nagot av kraven 1-5 och 7-11, k ä n - n e t e c k n a d därav, att den vätake- eller gasformiga katodpolarieatorn utväljes fran gruppen beetaende av avavel- dioxid, tionylklorid, foaforoxiklorid, aelenoxidklorid, eva- veltrioxid, vanadinoxiklorid, kromylklorid, evaveloxiklorid, nitrylklorid, nitroeylklorid, kvävedioxid, evavelmonoklorid, evavelmonobromid och blandningar därav.

13. Cell enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a d där- av, att väteke- eller gasformiga katoddepolarieatorn omfattar evaveldioxid.

14. Cell enligt krav 13, k ä n n e t e o k n a d där- av, att evaveldioxiden inte överekrider 75 viktprocent av elektrolytlöeningen.

15. Cell enligt krav 13 eller 14 med en litiumanod, k ä n n e t e c k n a d därav, att kvarvarande evaveldioxid överskrider den initiala användbara litiumanoden med en atö- kiometriek mängd av minst 5%.

16. Cell enligt nagot av krav 1-15, k ä n n e t e c k- n a d därav, att elektrolytlöeningen omfattar ett elektrolyt- ealt eom är löet i acetonitril.

17. Cell enligt krav 16, k ä n n e t e c k n a d där- av, att elektrolytealtet är utvald från LiBr och LiAeF5.

18. Cell enligt nagot av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d. därav, att den inerta katoden omfattar ett kol- haltigt material pa ett metalletöd.