WO2020143983A1 - Elektrochemische zelle und anordnung elektrisch miteinander verschalteter bauteile - Google Patents

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WO2020143983A1
WO2020143983A1 PCT/EP2019/084751 EP2019084751W WO2020143983A1 WO 2020143983 A1 WO2020143983 A1 WO 2020143983A1 EP 2019084751 W EP2019084751 W EP 2019084751W WO 2020143983 A1 WO2020143983 A1 WO 2020143983A1
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electrode
active material
electrodes
electrochemical cell
arrangement
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Martin Krebs
Werner Fink
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VARTA Microbattery GmbH
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/40—Printed batteries, e.g. thin film batteries
    • 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
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • 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

Definitions

  • the invention described below relates to an electrochemical cell and an arrangement of components which are electrically interconnected.
  • Electrochemical cells always include a positive and a negative electrode.
  • an energy-supplying chemical reaction takes place, which is composed of two partial reactions which are electrically coupled to one another but spatially separated from one another.
  • a partial reaction taking place at a comparatively lower redox potential takes place at the negative electrode, one at a comparatively higher redox potential at the positive electrode.
  • electrons are released at the negative electrode by an oxidation process, resulting in an electron current - usually via an external consumer - to the positive electrode, from which a corresponding amount of electrons is taken up.
  • a reduction process therefore takes place at the positive electrode.
  • an ion current corresponding to the electrode reaction occurs inside the cell.
  • This ion current is guaranteed by an ionically conductive electrolyte.
  • this discharge reaction is reversible, so it is possible to reverse the conversion of chemical energy into electrical charge.
  • the discharge reaction is irreversible, or recharging the cell is prohibited for other reasons.
  • Electrochemical cells can not only be produced by joining solid individual components, rather cells have become increasingly important in recent years, for the manufacture of which at least individual functional parts, in particular the electrodes and / or necessary conductor tracks, by pressure, i.e. from a solution and / or suspending agent-containing paste.
  • a printed electrochemical cell usually comprises two current collector levels, two electrode levels and an electrolyte level in a stack-like arrangement.
  • the electrolyte level is arranged between the two electrode levels, while the current collectors form the top and bottom of the electrochemical cell.
  • An electrochemical cell with such a structure is described for example in US 4119770 A.
  • Significantly flatter electrochemical cells, in which the electrodes are located next to one another on a flat, electrically non-conductive substrate (coplanar arrangement), are described in WO 2006/105966 A1.
  • the electrodes are connected to one another via an ion-conductive electrolyte, which can be a gel-like zinc chloride paste, for example.
  • the electrolyte is reinforced and stabilized by a fleece or mesh-like material.
  • electrochemical cells it is not only possible to print electrochemical cells. Rather, it is possible to print circuits with electrochemical cells, in particular the electrical conductors that are required to contact electrical components with the poles of the electrochemical cell.
  • the electrical components can, unless they are also produced by pressure, be glued to the printed conductor in a further step, for example by means of a conductive adhesive.
  • Electrochemical cells of known construction for example the cells shown in the figures of WO 2006/105966 A1, are often required to operate electrical components with different current requirements, for example an optical signal transmitter such as an LED and an IC (integrated circuit).
  • the cells quickly reach their performance limits. To counter this, the components have so far been powered by separate electrochemical cells. However, this increases the cost of the production of the circuits concerned. In addition, the space required for the circuit is growing.
  • the object of the invention described here was to provide a solution to these problems.
  • the invention proposes an electrochemical cell with the features mentioned in claim 1 and an arrangement with the features mentioned in claim 6. Further developments of the invention are the subject of dependent claims.
  • the electrochemical cell claimed has the following features:
  • It comprises a first electrode of a first polarity
  • It comprises a third electrode, which has the same polarity as the second electrode.
  • the first, the second and the third electrode are arranged separately from one another in a coplanar arrangement next to one another on a surface of a substrate and
  • the first electrode is connected to the second and third electrodes via an ion-conductive electrolyte, in particular a layer made of the ion-conductive electrolyte.
  • the claimed cell thus has, for example, a negative pole as the first electrode and two positive poles as the second and third electrodes.
  • a negative pole as the first electrode
  • two positive poles as the second and third electrodes.
  • such a configuration could, however, also be seen as a combination of two cells that have a common negative pole.
  • the surface on which the electrodes are arranged is preferably an electrically non-conductive surface.
  • the substrate can be a paper or electrically non-conductive plastic substrate.
  • first, the second and the third electrode are arranged separately from one another in the coplanar arrangement next to one another on the surface of the substrate is not only to be understood in the sense of a spatial separation, but also in the sense of an electrical one.
  • the electrodes are neither directly connected to one another nor via one or more electrical conductors arranged on the substrate. This is a matter of course with regard to electrodes of different polarity, but in the present case also applies to the second and third electrodes, which have the same polarity.
  • the claimed cell is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. from: a. It comprises a fourth and / or a fifth electrode, which has the same polarity as the second electrode.
  • the first, the second, the third as well as the fourth and / or the fifth electrode are arranged next to one another on the substrate in a coplanar arrangement.
  • the first electrode is connected to the fourth and / or the fifth electrode via an ion-conductive electrolyte.
  • the claimed cell can thus have, for example, a negative pole as the first electrode and three positive poles as the second and third and fourth electrodes. Alternatively, such a configuration could also be seen as a combination of three cells that have a common negative pole.
  • the claimed cell is characterized by at least one of the immediately following features a. to g. from: a.
  • the first, the second and the third electrode are preferably separated from one another by a gap.
  • the ion-conductive electrolyte fills the gap between the first and the second as well as the first and the third electrode.
  • the ion-conductive electrolyte fills the gap between the second and third electrodes.
  • the first electrode and the fourth and / or fifth electrode are each preferably separated from one another and from the second and third electrodes by a gap.
  • the ion-conductive electrolyte fills the gap between the first electrode and the fourth electrode and / or the gap between the first electrode and the fifth electrode.
  • the ion-conductive electrolyte fills the gap between the fourth and fifth electrodes.
  • G. The ion-conductive electrolyte fills the gap between the fourth and / or the fifth electrode on one side and the second and third electrodes on the other side.
  • At least the immediately preceding features a., B. are particularly preferred. and c. realized in combination with each other.
  • the immediately above features d are preferred. to g. realized in combination with each other.
  • the gap between the electrodes preferably has a width in the range from 10 pm to 1 mm.
  • the claimed cell is characterized by at least one of the immediately following features a. to d. from: a.
  • the first electrode is a negative electrode and comprises a negative electrode active material
  • the second, third, fourth and / or fifth electrode are positive electrodes and each comprise a positive electrode active material.
  • the positive electrode active material of the second electrode differs from the positive electrode active material of the third and / or the fourth and / or the fifth electrode.
  • the first electrode is a positive electrode and comprises a positive electrode active material
  • the second, the third, the fourth and / or the fifth electrode are negative electrodes and each comprise a negative electrode active material.
  • the negative electrode active material of the second electrode differs from the negative electrode active material of the third and / or the fourth and / or the fifth electrode.
  • the features immediately above are a. and b. barren e, and d. realized in combination with each other.
  • An electrode active material is generally understood to mean a material which actively participates in the discharge and, if appropriate, also charge processes in an electrochemical cell, that is to say can emit and, if appropriate, resume electrical energy.
  • energy in a battery is usually stored in chemical form and is converted into electrical energy during a discharge process.
  • the electrochemical cell according to the invention is a primary cell, that is to say a non-rechargeable cell.
  • the negative electrode active material preferably comprises an oxidizable metal, preferably at least one metal from the group with zinc, aluminum and magnesium or an alloy with at least one of these metals.
  • the negative electrode active material can comprise a carbon-based material, in particular from the group comprising activated carbon, activated carbon fiber, carbide-derived carbon, carbon airgel, graphite, graphene and carbon nanotubes (CNTs).
  • a carbon-based material in particular from the group comprising activated carbon, activated carbon fiber, carbide-derived carbon, carbon airgel, graphite, graphene and carbon nanotubes (CNTs).
  • Activated carbon is known to be a porous, particularly fine-grained carbon modification with a large inner surface.
  • Activated carbon which can be used according to the invention preferably has a BET surface area of at least 800 m 2 / g, preferably of at least 900 m 2 / g (in each case determined in accordance with DIN ISO 9277).
  • activated carbon which can be used according to the invention has a capacity value of at least 60 F / g (determined in accordance with DIN IEC 62391).
  • Activated carbon fibers can be obtained from activated carbon. They are also porous, have a large inner surface and usually have a typical diameter of around 10 pm. In addition to a high specific capacity, activated carbon fibers have extremely good conductivity along the fiber axis.
  • Carbon airgel is a synthetic, highly porous material made from an organic gel, in which the liquid component of the gel has been replaced by pyrolysis with a gas.
  • Carbon aerogels can be produced, for example, by pyrolysis of resorcinol formaldehyde. They have better electrical conductivity than activated carbon.
  • Carbide-derived carbons (CDC) consist of a number of substances that have been converted from carbides such as silicon carbide and titanium carbide into thermal carbon or chemical halogenation into pure carbon.
  • Carbide-derived carbon electrodes have large surfaces with tailored pore sizes. Generally, electrodes made of CDC have a higher energy density than electrodes made of activated carbon.
  • Graphene is a carbon modification with a two-dimensional structure. A large number of linked benzene rings form a honeycomb-shaped pattern in which each carbon atom is surrounded by three further carbon atoms at an angle of 120 ° and all carbon atoms are sp 2 -hybridized. Graphene offers the theoretically largest surface area that can be reached with carbon per unit weight and is therefore currently the subject of intensive studies in connection with the development of supercapacitors.
  • Carbon nanotubes are graphene layers that have been formed into cylindrical nanotubes. There are single-walled nanotubes and multi-walled nanotubes in which several single-walled nanotubes are coaxially nested. In general, CNT electrodes have a smaller electrode surface than activated carbon. Regardless of this, higher capacities can be achieved with CNTs than with activated carbon electrodes.
  • the negative electrode active material can also comprise the carbon-based materials mentioned in combination with one another. Any mixing ratio is conceivable.
  • an oxidic material from the group with manganese dioxide, silver oxide and nickel hydroxide is preferably used as the positive electrode active material.
  • the positive electrode active material can also comprise a catalyst which catalyzes the reduction of atmospheric oxygen at room temperature.
  • a catalyst is, for example, platinum, palladium or manganese oxide.
  • the positive electrode active material can comprise one or more of the above-mentioned carbon-based materials, that is to say in particular activated carbon, activated carbon fiber, carbide-derived carbon, carbon airgel, graphite, graphene and / or carbon nanotubes (CNTs).
  • the electrodes of the electrochemical cell claimed can also contain an electrode binder and / or a conductive agent as further solid constituents.
  • the conductive agent is, for example, a metal powder, in particular nickel and / or cobalt powder.
  • a cellulose-based binder for example carboxymethyl cellulose or a derivative of carboxymethyl cellulose
  • a cellulose-based binder for example carboxymethyl cellulose or a derivative of carboxymethyl cellulose
  • Water-soluble cellulose ethers such as, for example, methylhydroxyethyl cellulose (MHEC), methylhydroxy propyl cellulose (MHPC) and hydroxyethyl cellulose (HEG) are also particularly suitable.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • SBR styrene-butadiene rubber
  • the electrochemical cell according to the invention is preferably a zinc-manganese dioxide cell (in the case of zinc as a component of the negative electrode active material and manganese dioxide as a component of the positive electrode active material), a silver oxide-zinc cell (in the case of zinc as a component of the negative electrode active material and silver oxide as a component of the positive electrode active material), around a nickel oxyhydroxide cell (in the case of zinc as a component of the negative electrode active material and nickel hydroxide as a component of the positive electrode active material in the case of nickel hydroxide) or around a zinc-air cell (in the case of zinc as a component of the negative electrode active material and the catalyst which catalyzes the reduction of atmospheric oxygen as a component of the positive electrode active material).
  • a zinc-manganese dioxide cell in the case of zinc as a component of the negative electrode active material and manganese dioxide as a component of the positive electrode active material
  • a silver oxide-zinc cell in the case of zinc as a component of
  • the cell can also be a secondary cell, that is to say a rechargeable cell.
  • lithium cobalt (III) oxide, lithium titanate, manganese dioxide, iron disulfide, LiMn 2 O spinel or lithium iron phosphate can be used as the positive electrode active material and, for example, graphitic carbon and / or one capable of intercalating lithium as negative electrode active material non-graphitic carbon material and / or a metallic or semi-metallic material which can be alloyed with lithium (for example tin, antimony or silicon).
  • the cell claimed is preferably a double-layer capacitor.
  • the carbon-based materials mentioned are in fact particularly capable of forming double-layer capacities.
  • Double-layer capacitors (English: electric double layer capacitor) have long been known. In these, a double-layer capacitance forms at the phase boundary between the electrode surface and the electrolyte when an electrical voltage is applied. In this electrical energy is stored in an electrical field. The amount of stored charge is proportional to the applied voltage and is very much determined by the size and nature of the electrode surface.
  • the difference is preferably that the second electrode contains an amount of at least one of the abovementioned carbon -based Materi alien, which is higher or lower than the amount of these materials in the or the other electrodes.
  • the first electrode is a negative electrode and comprises a negative electrode active material while the second, the third and optionally the fourth and / or the fifth electrode are positive electrodes and each comprise a positive electrode active material, the second electrode being the only electrode active material has at least one of the above-mentioned carbon-based materials and the third and optionally the fourth and / or the fifth electrode exclusively has the above-mentioned oxidic material and / or one of the catalysts mentioned: in this case, the second electrode can supply electrical energy only save statically. However, it is then more suitable for delivering short, high-intensity pulse currents than the third and / or the fourth and / or the fifth electrode. This is particularly true, of course, if at the same time the negative electrode has at least a proportion of at least one of the above-mentioned carbon-based materials.
  • the first electrode is a negative electrode and comprises a negative electrode active material
  • the second, the third and optionally the fourth and / or the fifth electrode are positive electrodes and each comprise a positive electrode active material
  • the second electrode being the only electrode active material the above-mentioned oxidic material and / or one of the catalysts mentioned and the third and optionally the fourth and / or the fifth Electrode exclusively has at least one of the above-mentioned carbon-based materials:
  • the third and possibly the fourth and / or the fifth electrode can only store electrical energy statically. However, they are then better suited for delivering short, high-intensity pulse currents than the second electrode.
  • the negative electrode has at least a proportion of at least one of the above-mentioned carbon-based materials.
  • the first electrode is a negative electrode and comprises a negative electrode active material while the second, the third and optionally the fourth and / or the fifth electrode are positive electrodes and each comprise a positive electrode active material
  • the second electrode as an electrode active material in addition the above-mentioned oxidizable metal has at least one of the above-mentioned carbon-based materials
  • the third and optionally the fourth and / or the fifth electrode in addition to the above-mentioned oxidizable metal have at least one of the above-mentioned carbon-based materials
  • the amount on the at least one of the above-mentioned carbon-based materials in the second electrode is larger than in the other positive electrodes: In this case, all electrodes store electrical energy both in a double layer and electrochemically.
  • the double-layer capacity of the second electrode is larger than that of the other positive electrodes, which is why the second electrode is better suited for delivering short, high-intensity pulse currents than the third and / or fourth and / or fifth electrode. This is particularly true, of course, if at the same time the negative electrode has at least a proportion of at least one of the above-mentioned carbon-based materials.
  • the first electrode is a negative electrode and comprises a negative electrode active material while the second, the third and optionally the fourth and / or the fifth electrode are positive electrodes and each comprise a positive electrode active material
  • the second electrode as an electrode active material in addition the above-mentioned oxidizable metal has at least one of the above-mentioned carbon-based materials
  • the third and optionally the fourth and / or the fifth electrode in addition to the above-mentioned oxidizable metal have at least one of the above-mentioned carbon-based materials
  • the amount on the at least one of the above-mentioned carbon-based materials in the second electrode is lower than in the other positive electrodes: In this case too, all electrodes store electrical energy both in a double layer and electrochemically.
  • the third and possibly the fourth and / or the fifth electrode are better suited for delivering short pulse currents of high intensity than the second electrode.
  • the negative electrode has at least a proportion of at least one of the above-mentioned carbon-based materials.
  • the claimed cell is characterized by at least one of the immediately following features a. and b. from: a.
  • the capacitances of the first electrode on one side and the second and third electrodes and optionally the fourth and / or fifth electrode on the other side are in a ratio X in the range from 2: 1 to 1: 2, preferably in Range from 1.5: 1 to 1: 1.5.
  • the capacitances of the second electrode on one side and the third electrode and, where appropriate, the fourth and / or fifth electrode on the other side are in a ratio X in the range from 100: 1 to 1: 100, preferably in the range from 10: 1 to 1:10.
  • the claimed cell is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. from: a.
  • the electrodes and the electrolyte are formed as layers each having a thickness in the range from 10 pm to 200 pm, preferably from 20 pm to 100 pm.
  • the electrodes and the electrolyte are formed by pressure from a suspension or paste.
  • the ion-conductive electrolyte completely covers the electrodes arranged on the substrate.
  • the features immediately above are a. and b., but possibly also all features a. to c., realized in combination with each other.
  • a screen printing process is preferably used for the formation of the electrodes as the printing process.
  • screen printing is a printing process in which a suspension or paste is pressed by means of a doctor blade through a fine-mesh fabric onto the material to be printed.
  • the mesh openings of the fabric are made impermeable by a stencil at those places on the fabric where no suspension or paste is to be printed according to the printed image.
  • the suspension or paste should be able to penetrate the mesh openings without problems. So that the mesh openings do not become clogged, the solid components contained in the suspension or paste should not exceed a certain maximum size, which should be less than the mesh size.
  • the claimed arrangement comprises at least two electrically interconnected components and is characterized by the following feature: a. It comprises an embodiment of the electrochemical cell described above, which is used to supply energy to the components.
  • the arrangement is preferably characterized by at least one of the immediately following additional features a. and b., preferably by both of the following features: a.
  • the arrangement comprises a first electrical component which is electrically connected to the first and to the second electrode.
  • the arrangement comprises a second electrical component which is electrically connected to the first and third electrodes.
  • the electrochemical cell supplies both the first and the second component with electrical energy.
  • the components are both connected to the first electrode.
  • the electrodes which are polarized opposite to the first electrode are each only connected to one of the components. This has the advantage that the components can be operated independently of one another. If necessary, the second and third electrodes, as described above, can also be specifically adapted to the specific energetic requirements of the components.
  • the arrangement is characterized by at least one of the immediately following the additional features a. and b., preferably by both of the following features: a.
  • the first electrical component is selected from the group comprising an electrical switch, integrated circuit, transistor, diode, optical signal generator, acoustic signal generator and sensor.
  • the second electrical component is selected from the group with an electrical switch, integrated circuit, transistor, diode, optical signal generator, acoustic signal generator and sensor.
  • the first and the second component differ.
  • the first component can be an integrated circuit, while the second component is an optical signal generator in the form of an LED.
  • the arrangement is characterized by the immediately following additional feature a. out: a.
  • the electrical components of the arrangement are connected to the electrochemical cell via printed conductor tracks.
  • the substrate on which the electrodes of the cell according to the invention are arranged with conductor tracks before the electrodes are applied to the substrate do not necessarily have to be printed. They can also be formed, for example, by sputtering or by vapor deposition. Appropriate procedures are known to the person skilled in the art.
  • the conductor tracks preferably comprise either a continuous metal layer or metal particles and / or carbon particles in contact with one another.
  • the arrangement is characterized by the immediately following additional feature a. from: a.
  • the arrangement comprises at least one additional electrochemical cell, which is connected in series or in parallel to the electrochemical cell.
  • Different voltages can be provided within the arrangement by the at least one additional cell.
  • an electrochemical cell which has a negative electrode as the first electrode and two positive electrodes as the second and third electrodes
  • one of the electrical components has an additional electrochemical cell with a positive electrode and a negative electrode Switch electrode and thereby connect the second electrode with the negative electrode of the additional cell and the component with the positive electrode of the additional cell.
  • the voltages of the cells connected in series add up in this way.
  • FIG. 1 illustrates the manufacture of an arrangement according to the invention, on the basis of which the structure of an electrochemical cell according to the invention is also illustrated.
  • a current conductor structure 60 (shown as a black, continuous layer) is printed on an electrically non-conductive substrate 12.
  • the electrical components 20 (in the example an integrated circuit) and 30 (in the example an LED) and the switch S are then glued onto the substrate 12 by means of a conductive adhesive. These are connected to one another via the current arrester structure 60.
  • the current collector structure 60 comprises a layer of silver particles directly on the substrate, which is covered by a layer of carbon particles.
  • the current conductor structure 60 with the zinc anodes 10a, 40a and 50a is partially overprinted.
  • the current conductor structure 60 is partially overprinted with the brown stone cathodes 10b, 10c, 40b and 50b.
  • the zinc anodes 10a, 40a and 50a and the brown stone cathodes 10b, 10c, 40b and 50b including gaps formed by the zinc anodes and the brown stone cathodes are overprinted with the electrolyte layers 10d, 40c and 50c.
  • the electrochemical cells 10, 40 and 50 are formed.
  • the electrochemical cell 10 is an embodiment of a cell according to the invention which has the zinc anode 10a as the first electrode of a first polarity and the mud stone cathode 10b as the second electrode of the second polarity opposite the first polarity and as the third electrode which has the same polarity as the second electrode, which has Braunsteinkatho de 10c.
  • the first electrode 10a, the second electrode 10b and the third electrode 10c are arranged separately from one another in a coplanar arrangement next to one another on the surface of the substrate 10.
  • the first electrode is connected to the second and third electrodes via the ion-conductive electrolyte 10c.
  • the electrochemical cells 40 and 50 are additional electrochemical cells that are connected in series with the cell 10.
  • the brown stone cathodes 10b and 10c of the cell 10 are electrically conductively connected to the zinc anodes 40a and 50a via the current conductor structure 60.
  • Both the components 20 and 30 can be operated reliably with the one cell 10, although their respective requirements with regard to their energy supply are very different.
  • the mudstone cathode 10b and the cell 40 can be designed to be able to supply the LED 20 with high pulsed currents.
  • the brownstone cathode 10c and the cell 50 can simultaneously be designed to uniformly close the component 30 with currents of low intensity supply.
  • the cells of cells 10, 40 and 50 can be designed accordingly.
  • the total area available on the substrate 12 can thus be optimally divided.
  • the exploitation of active materials is more efficient.
  • the number of voltage-stabilizing elements is minimized.

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Abstract

Eine elektrochemische Zelle (10) umfasst eine erste Elektrode (10a) einer ersten Polarität, eine zweite Elektrode (10b) einer zweiten, der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität und eine dritte Elektrode (10c), welche die gleiche Polarität wie die zweite Elektrode (10b) aufweist. Die erste, die zweite und die dritte Elektrode (10a; 10b; 10c) sind getrennt voneinander in einer koplanaren Anordnung nebeneinander auf einer Oberfläche eines Substrats (12) angeordnet. Die erste Elektrode (10a) ist mit der zweiten und der dritten Elektrode (10b; 10c) über einen ionenleitfähigen Elektrolyten (10d) verbunden. Sie kann in Schaltungen (11) zur Energieversorgung elektrischer Bauteile (20; 30) eingesetzt werden.

Description

Elektrochemische Zelle und Anordnung elektrisch miteinander verschalteter Bauteile
Die nachfolgend beschriebene Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle sowie eine Anordnung elektrisch miteinander verschalteter Bauteile.
Elektrochemische Zellen umfassen stets eine positive und eine negative Elektrode. Bei der Entladung einer elektrochemischen Zelle findet eine energieliefernde chemische Reaktion statt, welche sich aus zwei elektrisch miteinander gekoppelten, aber räumlich voneinander getrennten Teilreaktionen zu sammensetzt. Eine bei vergleichsweise niedrigerem Redoxpotential stattfindende Teilreaktion läuft an der negativen Elektrode ab, eine bei vergleichsweise höherem Redoxpotential an der positiven Elektrode. Bei der Entladung werden an der negativen Elektrode durch einen Oxidationsprozess Elekt ronen freigesetzt, resultierend in einem Elektronenstrom - meist über einen äußeren Verbraucher - zur positiven Elektrode, von der eine entsprechende Menge an Elektronen aufgenommen wird. An der positiven Elektrode findet also ein Reduktionsprozess statt. Zeitgleich kommt es zu einem der Elekt rodenreaktion entsprechenden lonenstrom innerhalb der Zelle. Dieser lonenstrom wird durch einen ionisch leitenden Elektrolyten gewährleistet. In sekundären elektrochemischen Zellen ist diese Entla dereaktion reversibel, es besteht also die Möglichkeit, die bei der Entladung erfolgte Umwandlung chemischer Energie in elektrische umzukehren. Bei primären Zellen ist die Entladereaktion hingegen irreversibel oder aber eine Wiederaufladung der Zelle verbietet sich aus anderen Gründen.
Ursprünglich wurden mehrere in Serie geschaltete elektrochemische Zellen in einem Gehäuse als Bat terie bezeichnet. Heute werden jedoch häufig auch einzelne elektrochemische Zellen als Batterie be zeichnet.
Elektrochemische Zellen sind nicht nur durch Zusammenfügen fester Einzelkomponenten herstellbar, vielmehr gewinnen in den letzten Jahren auch verstärkt Zellen an Bedeutung, zu deren Herstellung zumindest einzelne Funktionsteile, insbesondere die Elektroden und/oder erforderlichen Leiterbah nen, durch Druck, also aus einer Lösungs- und/oder Suspensionsmittel-haltigen Paste, hergestellt werden.
In der Regel weisen gedruckte elektrochemische Zellen einen mehrschichtigen Aufbau auf. In her kömmlicher Bauweise umfasst eine gedruckte elektrochemische Zelle meist zwei Stromkollektorebe nen, zwei Elektrodenebenen und eine Elektrolytebene in stapelartiger Anordnung. Die Elektrolytebe ne ist dabei zwischen den zwei Elektrodenebenen angeordnet, während die Stromkollektoren die Ober- bzw. die Unterseite der elektrochemischen Zelle bilden. Eine elektrochemische Zelle mit einem solchen Aufbau ist beispielsweise in der US 4119770 A beschrieben. Deutlich flachere elektrochemische Zellen, bei denen sich die Elektroden nebeneinander auf einem flächigen, elektrisch nicht leitenden Substrat befinden (koplanare Anordnung), sind in der WO 2006/105966 Al beschrieben. Die Elektroden sind hierbei über einen ionenleitfähigen Elektrolyten miteinander verbunden, bei dem es sich beispielsweise um eine gelartige Zinkchloridpaste handeln kann. In aller Regel ist der Elektrolyt dabei durch ein vlies- oder netzartiges Material verstärkt und stabilisiert.
Natürlich lassen sich nicht nur elektrochemische Zellen drucken. Vielmehr ist es möglich, auch Schal tungen mit elektrochemischen Zellen zu drucken, insbesondere die elektrischen Leiter, die benötigt werden, um elektrische Bauteile mit den Polen der elektrochemischen Zelle zu kontaktieren. Die elektrischen Bauteile können, sofern sie nicht ebenfalls über Druck hergestellt werden, in einem wei teren Schritt auf die gedruckten Leiter aufgeklebt werden, beispielsweise mittels eines Leitklebers.
Elektrochemische Zellen bekannten Aufbaus, beispielsweise die in den Figuren der WO 2006/105966 Al dargestellten Zellen, werden häufig benötigt, um elektrische Bauteile mit unterschiedlichem Strombedarf zu betreiben, beispielsweise einen optischen Signalgeber wie eine LED und einen IC (in tegrierten Schaltkreis). Dabei stoßen die Zellen schnell an ihre Leistungsgrenzen. Um dem zu begeg nen, werden die Bauteile bislang jeweils von separaten elektrochemischen Zellen mit Energie ge speist. Hierdurch verteuert sich jedoch die Produktion der betroffenen Schaltungen. Darüber hinaus wächst der Flächenbedarf für die Schaltung.
Der hier beschriebenen Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, eine Lösung für diese Probleme bereit zustellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine elektrochemische Zelle mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen und eine Anordnung mit den in Anspruch 6 genannten Merkmalen vor. Weiter bildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Die beanspruchte elektrochemische Zelle zeichnet sich durch die folgenden Merkmale aus:
• Sie umfasst eine erste Elektrode einer ersten Polarität,
• sie umfasst eine zweite Elektrode einer zweiten, der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität, und
• sie umfasst eine dritte Elektrode, welche die gleiche Polarität wie die zweite Elektrode aufweist.
Hierbei sind • die erste, die zweite und die dritte Elektrode getrennt voneinander in einer koplanaren Anord nung nebeneinander auf einer Oberfläche eines Substrats angeordnet und
• die erste Elektrode ist mit der zweiten und der dritten Elektrode über einen ionenleitfähigen Elektrolyten, insbesondere eine Schicht aus dem ionenleitfähigen Elektrolyten, verbunden.
Die beanspruchte Zelle weist also einen beispielsweise als erste Elektrode einen Minuspol und als zweite und dritte Elektrode zwei Pluspole auf. Alternativ könnte man eine solche Konfiguration aller dings auch als Kombination zweier Zellen ansehen, die einen gemeinsamen Minuspol aufweisen.
Bei der Oberfläche, auf der die Elektroden angeordnet sind, handelt es sich bevorzugt um eine elektrisch nichtleitende Oberfläche. Beispielsweise kann es sich bei dem Substrat um ein Substrat aus Papier oder aus elektrisch nichtleitendem Kunststoff handeln.
Zur Klarstellung: Dass die erste, die zweite und die dritte Elektrode getrennt voneinander in der koplanaren Anordnung nebeneinander auf der Oberfläche des Substrats angeordnet sind, ist nicht nur im Sinne einer räumlichen Trennung zu verstehen, sondern auch im Sinne einer elektrischen. Die Elektroden sind weder unmittelbar noch über einen oder mehrere auf dem Substrat angeordnete elektrische Leiter miteinander verbunden. Dies ist im Hinblick auf Elektroden unterschiedlicher Pola rität ohnehin selbstverständlich, gilt vorliegend aber auch für die zweite und die dritte Elektrode, die ja die gleiche Polarität aufweisen.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich die beanspruchte Zelle durch mindes tens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus: a. Sie umfasst eine vierte und/oder eine fünfte Elektrode, welche die gleiche Polarität wie die zweite Elektrode aufweist.
b. Die erste, die zweite, die dritte sowie die vierte und/oder die fünfte Elektrode sind in einer koplanaren Anordnung nebeneinander auf dem Substrat angeordnet.
c. Die erste Elektrode ist mit der vierten und/oder der fünften Elektrode über einen ionenleitfähigen Elektrolyten verbunden.
Die beanspruchte Zelle kann also beispielsweise als erste Elektrode einen Minuspol und als zweite und dritte und vierte Elektrode drei Pluspole aufweisen. Alternativ könnte man eine solche Konfigura tion auch als Kombination dreier Zellen ansehen, die einen gemeinsamen Minuspol aufweisen. ln einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich die beanspruchte Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis g. aus: a. Die erste, die zweite und die dritte Elektrode sind bevorzugt jeweils durch einen Spalt voneinan der getrennt.
b. Der ionenleitfähige Elektrolyt füllt den Spalt zwischen der ersten und der zweiten sowie der ers ten und der dritten Elektrode.
c. Der ionenleitfähige Elektrolyt füllt den Spalt zwischen der zweiten und der dritten Elektrode. d. Die erste Elektrode und die die vierte und/oder die fünfte Elektrode sind bevorzugt jeweils durch einen Spalt voneinander sowie von der zweiten und der dritten Elektrode getrennt.
e. Der ionenleitfähige Elektrolyt füllt den Spalt zwischen der ersten Elektrode und der vierten Elekt rode und/oder den Spalt zwischen der ersten Elektrode und der fünften Elektrode.
f. Der ionenleitfähige Elektrolyt füllt den Spalt zwischen der vierten und der fünften Elektrode. g. Der ionenleitfähige Elektrolyt füllt den Spalt zwischen der vierten und/oder der fünften Elektrode auf der einen Seite und der zweiten und der dritten Elektrode auf der anderen Seite.
Besonders bevorzugt sind zumindest die unmittelbar vorstehenden Merkmale a., b. und c. in Kombi nation miteinander realisiert. Bei Anwesenheit der vierten und gegebenenfalls der fünften Elektrode sind bevorzugt die unmittelbar vorstehenden Merkmale d. bis g. in Kombination miteinander reali siert.
Der Spalt zwischen den Elektroden weist bevorzugt eine Breite im Bereich von 10 pm bis 1 mm auf.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich die beanspruchte Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis d. aus: a. Die erste Elektrode ist eine negative Elektrode und umfasst ein negatives Elektrodenaktivmateri al während die zweite, die dritte, die vierte und/oder die fünfte Elektrode positive Elektroden sind und jeweils ein positives Elektrodenaktivmaterial umfassen.
b. Das positive Elektrodenaktivmaterial der zweiten Elektrode unterscheidet sich vom positiven Elektrodenaktivmaterial der dritten und/oder der vierten und/oder der fünften Elektrode.
c. Die erste Elektrode ist eine positive Elektrode und umfasst ein positives Elektrodenaktivmaterial während die zweite, die dritte, die vierte und/oder die fünfte Elektrode negative Elektroden sind und jeweils ein negatives Elektrodenaktivmaterial umfassen.
d. Das negative Elektrodenaktivmaterial der zweiten Elektrode unterscheidet sich vom negativen Elektrodenaktivmaterial der dritten und/oder der vierten und/oder der fünften Elektrode. ln bevorzugten Ausführungsformen sind die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. öder e, und d. in Kombination miteinander realisiert.
Unter einem Elektrodenaktivmaterial wird gemeinhin ein Material verstanden, das aktiv an den Entla- dungs- und gegebenenfalls auch Ladungsprozessen in einer elektrochemischen Zelle teilnimmt, elekt rische Energie also abgeben und gegebenenfalls wieder aufnehmen kann. Wie eingangs erläutert, ist Energie in einer Batterie in der Regel in chemischer Form gespeichert und wird während eines Entla dungsprozesses in elektrische Energie umgewandelt. Darüber hinaus ist es aber natürlich auch mög lich, elektrische Energie statisch in Form getrennter elektrischer Ladungen zu speichern. Dies erfolgt so klassisch in Kondensatoren.
Bei der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle handelt es sich in besonders bevorzugten Aus führungsformen um eine primäre Zelle, also um eine nicht wiederaufladbare Zelle. Insbesondere in diesem Fall umfasst das negative Elektrodenaktivmaterial bevorzugt ein oxidierbares Metall, bevor zugt mindestens ein Metall aus der Gruppe mit Zink, Aluminium und Magnesium oder eine Legierung mit mindestens einem dieser Metalle.
Zusätzlich zu dem oxidierbaren Metall oder alternativ hierzu kann das negative Elektrodenaktivmate rial ein Kohlenstoff-basiertes Material, insbesondere aus der Gruppe mit Aktivkohle, Aktivkohlefaser, Carbid-abgeleiteter Kohlenstoff, Kohlenstoff-Aerogel, Graphit, Graphen und Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) umfassen.
Bei Aktivkohle handelt es sich bekanntlich um eine poröse, besonders feinkörnige Kohlenstoffmodifi kation mit großer innerer Oberfläche. Erfindungsgemäß einsetzbare Aktivkohle weist bevorzugt eine BET-Oberfläche von mindestens 800 m2/g, bevorzugt von mindestens 900 m2/g (jeweils bestimmt ge mäß DIN ISO 9277) auf. Alternativ oder zusätzlich weist erfindungsgemäß einsetzbare Aktivkohle ei nen Kapazitätswert von mindestens 60 F/g (bestimmt gemäß DIN IEC 62391) auf.
Aktivkohlefasern können aus Aktivkohle gewonnen werden. Sie sind ebenfalls porös, weisen eine gro ße innere Oberfläche auf und haben meist einen typischen Durchmesser von etwa 10 pm. Neben einer hohen spezifischen Kapazität weisen Aktivkohlefasern eine außerordentlich gute Leitfähigkeit entlang der Faserachse auf.
Kohlenstoff-Aerogel ist ein synthetisches, hochporöses Material aus einem organischen Gel, in dem die flüssige Komponente des Gels durch Pyrolyse mit einem Gas ersetzt wurde. Kohlenstoff-Aerogele können beispielsweise durch Pyrolyse von Resorcin-Formaldehyd hergestellt werden. Sie weisen eine bessere elektrische Leitfähigkeit auf als Aktivkohle. Carbid-abgeleitete Kohlenstoffe (CDC) bestehen aus einer Anzahl von Stoffen, die aus Carbiden wie zum Beispiel Siliciumcarbid und Titancarbid durch thermische Zersetzung oder durch chemische Ha logenierung in einen reinen Kohlenstoff umgewandelt wurden. Elektroden aus Carbid-abgeleiteten Kohlenstoffen besitzen große Oberflächen mit maßgeschneiderten Porengrößen. Im Allgemeinen haben Elektroden aus CDC eine höhere Energiedichte als Elektroden aus Aktivkohle.
Bei Graphen handelt es sich um eine Kohlenstoffmodifikation mit zweidimensionaler Struktur. Eine Vielzahl von verketteten Benzol-Ringen bildet ein bienenwabenförmiges Muster aus, in dem jedes Kohlenstoffatom im Winkel von 120° von drei weiteren Kohlenstoffatomen umgeben ist und wobei alle Kohlenstoffatome sp2-hybridisiert sind. Graphen bietet die theoretisch größte mit Kohlenstoff erreichbare Oberfläche pro Gewichtseinheit und ist daher aktuell Gegenstand intensiver Untersu chungen im Zusammenhang mit der Entwicklung von Superkondensatoren.
Bei Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) handelt es sich um zu zylindrischen Nanoröhren umgeformte Graphenschichten. Es gibt einwandige Nanoröhren und mehrwandige Nanoröhren, bei denen mehre re einwandige Nanoröhren koaxial ineinander verschachtelt angeordnet sind. Allgemein besitzen CNT-Elektroden eine kleinere Elektrodenoberfläche als Aktivkohle. Ungeachtet dessen lassen sich mit CNTs höhere Kapazitäten erzielen als mit Aktivkohle-Elektroden.
Selbstverständlich kann das negative Elektrodenaktivmaterial die genannten Kohlenstoff-basierten Materialien auch in Kombination miteinander umfassen. Hierbei ist jedes Mischungsverhältnis denk bar.
Als positives Elektrodenaktivmaterial kommt im Falle einer primären Zelle bevorzugt ein oxidisches Material aus der Gruppe mit Mangandioxid, Silberoxid und Nickelhydroxid zum Einsatz. Gegebenen falls kann das positive Elektrodenaktivmaterial auch einen Katalysator umfassen, der die Reduktion von Luftsauerstoff bei Raumtemperatur katalysiert. Bei einem solchen Katalysator handelt es sich beispielsweise um Platin, Palladium oder Manganoxid.
Zusätzlich zu den genannten oxidischen Materialien und diesen Katalysatoren oder auch alternativ hierzu kann das positive Elektrodenaktivmaterial eines oder mehrere der oben genannten Kohlen stoff-basierten Materialien umfassen, also insbesondere Aktivkohle, Aktivkohlefaser, Carbid- abgeleiteter Kohlenstoff, Kohlenstoff-Aerogel, Graphit, Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs). Neben den genannten Elektrodenaktivmaterialien können die Elektroden der beanspruchten elektro chemischen Zelle als weitere feste Bestandteile auch einen Elektrodenbinder und/oder ein Leitmittel enthalten.
Bei dem Leitmittel handelt es sich beispielsweise um ein Metallpulver, insbesondere um Nickel und/oder Kobaltpulver.
Als Elektrodenbinder kann beispielsweise ein Cellulose-basierter Binder, beispielsweise Carboxyme- thylcellulose oder ein Derivat von Carboxymethylcellulose, verwendet werden. Besonders geeignet sind auch wasserlösliche Celluloseether wie beispielsweise Methylhydroxyethylcellulose (MHEC), Me- thylhydroxypro pylcellulose (MHPC) und Hydroxyethylcellulose (HEG). Alternativ kommen aber auch Polyacrylate oder Kunststoff-basierte Binder wie zum Beispiel PTFE-Binder (PTFE = Polytetrafluo rethylen) oder Binder auf Basis von SBR (Styrene-Butadien-Rubber) in Frage.
Aus diesen Ausführungen wird klar, dass es sich bei der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle bevorzugt um eine Zink-Braunstein-Zelle (im Fall von Zink als Bestandteil des negativen Elektroden aktivmaterials und Mangandioxid als Bestandteil des positiven Elektrodenaktivmaterials), um eine Silberoxid-Zink-Zelle (im Fall von Zink als Bestandteil des negativen Elektrodenaktivmaterials und Silberoxid als Bestandteil des positiven Elektrodenaktivmaterials), um eine Nickel-Oxyhydroxid-Zelle (im Fall von Zink als Bestandteil des negativen Elektrodenaktivmaterials und Nickelhydroxid als Be standteil des positiven Elektrodenaktivmaterials im Fall von Nickelhydroxid) oder um eine Zink-Luft- Zelle (im Fall von Zink als Bestandteil des negativen Elektrodenaktivmaterials und des die Reduktion von Luftsauerstoff katalysierenden Katalysators als Bestandteil des positiven Elektrodenaktivmateri als) handelt.
In einigen Ausführungsformen kann die Zelle aber auch eine sekundäre Zelle, also eine wiederauflad bare Zelle, sein. In diesem Fall kann als positives Elektrodenaktivmaterial beispielsweise Lithium- Cobalt(lll)-oxid, Lithiumtitanat, Mangandioxid, Eisendisulfid, LiMn20 -Spinell oder Lithiumeisenphos phat zum Einsatz kommen und als negatives Elektrodenaktivmaterial beispielsweise graphitischer Kohlenstoff und/oder ein zur Interkalation von Lithium befähigtes nicht-graphitisches Kohlenstoffma terial und/oder ein metallisches oder halbmetallisches Material, das mit Lithium legierbar ist (bei spielsweise Zinn, Antimon oder Silizium).
Wenn die Elektroden beider Polaritäten als Elektrodenaktivmaterial ausschließlich eines oder mehre re der genannten Kohlenstoff-basierten Materialien umfassen, so ist die beanspruchte Zelle bevorzugt ein Doppelschichtkondensator. Die genannten Kohlenstoff-basierten Materialien sind nämlich in be sonderem Maß zur Ausbildung von Doppelschichtkapazitäten befähigt. Doppelschichtkondensatoren (englisch: electric double layer capacitor) sind bereits seit langem be kannt. Bei diesen bildet sich an der Phasengrenze zwischen Elektrodenoberfläche und Elektrolyt beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine Doppelschichtkapazität aus. In dieser ist elektrische Ener gie in einem elektrischen Feld gespeichert. Die Menge der gespeicherten Ladung ist dabei proportio nal zur angelegten Spannung und wird ganz wesentlich durch die Größe und Beschaffenheit der Elekt rodenoberfläche bestimmt.
In den genannten bevorzugten Ausführungsformen, bei denen sich das Elektrodenaktivmaterial der zweiten Elektrode vom Elektrodenaktivmaterial der dritten und gegebenenfalls auch der vierten und/oder der fünften Elektrode unterscheidet, besteht der Unterschied bevorzugt darin, dass die zweite Elektrode eine Menge an mindestens einem der oben genannten Kohlenstoff-basierten Materi alien aufweist, die höher oder niedriger ist als der Menge dieser Materialien in der oder den weiteren Elektroden. Durch die größere Menge an dem mindestens einen Kohlenstoff-basierten Material bei spielsweise in einer zweiten positiven Elektrode ist gewährleistet, dass diese Elektrode eine höhere Doppelschichtkapazität als die dritte und gegebenenfalls die vierte und/oder die fünfte positive Elekt rode aufweist.
Die folgenden bevorzugten Konstellationen sind möglich:
(a) Die erste Elektrode ist eine negative Elektrode und umfasst ein negatives Elektrodenaktivma terial während die zweite, die dritte und gegebenenfalls die vierte und/oder die fünfte Elektrode posi tive Elektroden sind und jeweils ein positives Elektrodenaktivmaterial umfassen, wobei die zweite Elektrode als Elektrodenaktivmaterial ausschließlich mindestens eines der oben genannten Kohlen stoff-basierten Materialien aufweist und die dritte und gegebenenfalls die vierte und/oder die fünfte Elektrode ausschließlich das oben genannte oxidische Material u nd/oder einen der genannten Kataly satoren aufweist: Die zweite Elektrode kann in diesem Fall elektrische Energie nur statisch speichern. Sie ist dann aber besser zur Abgabe von kurzen Pulsströmen hoher Intensität geeignet als die dritte und/oder die vierte und/oder die fünfte Elektrode. Dies gilt natürlich insbesondere dann, wenn gleich zeitig die negative Elektrode zumindest einen Anteil an mindestens einem der oben genannten Koh lenstoff-basierten Materialien aufweist.
(b) Die erste Elektrode ist eine negative Elektrode und umfasst ein negatives Elektrodenaktivma terial während die zweite, die dritte und gegebenenfalls die vierte und/oder die fünfte Elektrode posi tive Elektroden sind und jeweils ein positives Elektrodenaktivmaterial umfassen, wobei die zweite Elektrode als Elektrodenaktivmaterial ausschließlich das oben genannte oxidische Material und/oder einen der genannten Katalysatoren und die dritte und gegebenenfalls die vierte und/oder die fünfte Elektrode ausschließlich mindestens eines der oben genannten Kohlenstoff-basierten Materialien aufweist: Die dritte und gegebenenfalls die vierte und/oder die fünfte Elektrode können in diesem Fall elektrische Energie nur statisch speichern. Sie sind dann aber besser zur Abgabe von kurzen Puls strömen hoher Intensität geeignet als die zweite Elektrode. Auch dies gilt natürlich insbesondere dann, wenn gleichzeitig die negative Elektrode zumindest einen Anteil an mindestens einem der oben genannten Kohlenstoff-basierten Materialien aufweist.
(c) Die erste Elektrode ist eine negative Elektrode und umfasst ein negatives Elektrodenaktivma terial während die zweite, die dritte und gegebenenfalls die vierte und/oder die fünfte Elektrode posi tive Elektroden sind und jeweils ein positives Elektrodenaktivmaterial umfassen, wobei die zweite Elektrode als Elektrodenaktivmaterial neben dem oben genannten oxidierbaren Metall mindestens eines der oben genannten Kohlenstoff-basierten Materialien aufweist und die dritte und gegebenen falls die vierte und/oder die fünfte Elektrode neben dem oben genannten oxidierbaren Metall mindes tens eines der oben genannten Kohlenstoff-basierten Materialien aufweisen, wobei die Menge an dem mindestens einem der oben genannten Kohlenstoff-basierten Materialien in der zweiten Elektrode größer ist als in den weiteren positiven Elektroden: Alle Elektroden speichern in diesem Fall elektri sche Energie sowohl in einer Doppelschicht als auch elektrochemisch. Sie weisen somit sowohl eine Doppelschichtkapazität auf als auch eine sogenannte Pseudokapazität (Speicherung elektrischer Energie durch Faraday’schen Ladungsaustausch mit Hilfe von Redoxreaktionen). Die Doppelschicht kapazität der zweiten Elektrode ist aber größer als die der anderen positiven Elektroden, weshalb die zweite Elektrode besser zur Abgabe von kurzen Pulsströmen hoher Intensität geeignet ist als die dritte und/oder die vierte und/oder die fünfte Elektrode. Dies gilt natürlich insbesondere dann, wenn gleich zeitig die negative Elektrode zumindest einen Anteil an mindestens einem der oben genannten Koh lenstoff-basierten Materialien aufweist.
(d) Die erste Elektrode ist eine negative Elektrode und umfasst ein negatives Elektrodenaktivma terial während die zweite, die dritte und gegebenenfalls die vierte und/oder die fünfte Elektrode posi tive Elektroden sind und jeweils ein positives Elektrodenaktivmaterial umfassen, wobei die zweite Elektrode als Elektrodenaktivmaterial neben dem oben genannten oxidierbaren Metall mindestens eines der oben genannten Kohlenstoff-basierten Materialien aufweist und die dritte und gegebenen falls die vierte und/oder die fünfte Elektrode neben dem oben genannten oxidierbaren Metall mindes tens eines der oben genannten Kohlenstoff-basierten Materialien aufweisen, wobei die Menge an dem mindestens einem der oben genannten Kohlenstoff-basierten Materialien in der zweiten Elektrode niedriger ist als in den weiteren positiven Elektroden: Auch in diesem Fall speichern alle Elektroden elektrische Energie sowohl in einer Doppelschicht als auch elektrochemisch. Hier sind jedoch die drit te und gegebenenfalls die vierte und/oder die fünfte Elektrode besser zur Abgabe von kurzen Puls strömen hoher Intensität geeignet als die zweite Elektrode. Auch dies gilt natürlich insbesondere dann, wenn gleichzeitig die negative Elektrode zumindest einen Anteil an mindestens einem der oben genannten Kohlenstoff-basierten Materialien aufweist.
In einer Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich die beanspruchte Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b. aus: a. Die Kapazitäten der ersten Elektrode auf der einen Seite sowie der zweiten und der dritten Elekt rode sowie gegebenenfalls der vierten und/oder der fünften Elektrode auf der anderen Seite ste hen in einem Verhältnis X im Bereich von 2 : 1 bis 1 : 2, bevorzugt im Bereich von 1,5 : 1 bis 1 : 1,5. b. Die Kapazitäten der zweiten Elektrode auf der einen Seite sowie der dritten Elektrode sowie ge gebenenfalls der vierten und/oder der fünften Elektrode auf der anderen Seite stehen in einem Verhältnis X im Bereich von 100 : 1 bis 1 : 100, bevorzugt im Bereich von 10 : 1 bis 1 : 10.
In einer weiteren möglichen Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich die beanspruchte Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus: a. Die Elektroden und der Elektrolyt sind als Schichten mit jeweils einer Dicke im Bereich von 10 pm bis 200 pm, bevorzugt von 20 pm bis 100 pm, ausgebildet.
b. Die Elektroden und der Elektrolyt sind durch Druck aus einer Suspension oder Paste gebildet. c. Der ionenleitfähige Elektrolyt bedeckt die auf dem Substrat angeordneten Elektroden vollstän dig.
In einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen sind die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b., gegebenenfalls aber auch alle Merkmale a. bis c., in Kombination miteinander realisiert.
Bevorzugt kommt bei der Bildung der Elektroden als Druckverfahren ein Siebdruckverfahren zum Einsatz. Beim Siebdruck handelt es sich bekanntlich um ein Druckverfahren, bei dem eine Suspension oder Paste mittels eines Rakels durch ein feinmaschiges Gewebe hindurch auf das zu bedruckende Material gepresst wird. An denjenigen Stellen des Gewebes, an denen dem Druckbild entsprechend keine Suspension oder Paste aufgedruckt werden soll, werden die Maschenöffnungen des Gewebes durch eine Schablone undurchlässig gemacht. An den übrigen Stellen sollte die Suspension oder Pas te dagegen die Maschenöffnungen problemlos durchdringen können. Damit es nicht zu einem Ver stopfen der Maschenöffnungen kommen kann, sollten die in der Suspension oder Paste enthaltenen festen Bestandteile eine gewisse Maximalgröße, die unter der Maschenöffnungsweite liegen sollte, nicht überschreiten. Die beanspruchte Anordnung umfasst mindestens zwei elektrisch miteinander verschaltete Bauteile und zeichnet sich durch das folgende Merkmal aus: a. Sie umfasst eine Ausführungsform der oben beschriebenen elektrochemischen Zelle, die zur Energieversorgung der Bauteile dient.
Bevorzugt zeichnet sich die Anordnung durch mindestens eines der unmittelbar folgenden zusätzli chen Merkmale a. und b., bevorzugt durch beide der folgenden Merkmale, aus: a. Die Anordnung umfasst ein erstes elektrisches Bauteil, das mit der ersten und mit der zweiten Elektrode elektrisch verbunden ist.
b. Die Anordnung umfasst ein zweites elektrisches Bauteil, das mit der ersten u nd der dritten Elekt rode elektrisch verbunden ist.
Es ist also bevorzugt, dass die elektrochemische Zelle sowohl das erste als auch das zweite Bauteil mit elektrischer Energie versorgt. Die Bauteile sind beide mit der ersten Elektrode verbunden. Die zur ers ten Elektrode entgegengesetzt gepolten Elektroden sind dabei jeweils aber nu r mit einem der Bautei le verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Bauteile unabhängig voneinander betrieben werden kön nen. Gegebenenfalls können die zweite und die dritte Elektrode, wie oben beschrieben, auch spezi fisch an spezielle energetische Anforderungen der Bauteile angepasst werden.
In einer Weiterbildung zeichnet sich die Anordnung durch mindestens eines der unmittelbar folgen den zusätzlichen Merkmale a. und b., bevorzugt durch beide der folgenden Merkmale, aus: a. Das erste elektrische Bauteil ist ausgewählt aus der Gruppe mit elektrischem Schalter, integrier ter Schaltkreis, T ransistor, Diode, optischer Signalgeber, akustischer Signalgeber und Sensor. b. Das zweite elektrische Bauteil ist ausgewählt aus der Gruppe mit elektrischem Schalter, inte grierter Schaltkreis, Transistor, Diode, optischer Signalgeber, akustischer Signalgeber und Sen sor.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen unterscheiden sich das erste und das zweite Bauteil. So kann das erste Bauteil beispielsweise ein integrierter Schaltkreis sein während das zweite Bauteil ein optischer Signalgeber in Form einer LED ist.
In einer weiteren möglichen Weiterbildung zeichnet sich die Anordnung durch das unmittelbar fol gende zusätzliche Merkmal a. aus: a. Die elektrischen Bauteile der Anordnung sind über gedruckte Leiterbahnen mit der elektrochemi schen Zelle verbunden.
Am einfachsten ist es, das Substrat, auf dem die Elektroden der erfindungsgemäßen Zelle angeordnet sind, mit Leiterbahnen zu versehen, bevor die Elektroden auf das Substrat aufgebracht werden. Die Leiterbahnen müssen allerdings nicht unbedingt gedruckt werden. Sie können beispielsweise auch durch Sputtern oder über eine Abscheidung aus der Gasphase gebildet werden. Dem Fachmann sind entsprechende Vorgehensweisen bekannt.
Abhängig von der Art ihrer Herstellung umfassen die Leiterbahnen bevorzugt entweder eine durchge hende Metallschicht oder miteinander in Kontakt stehende Metallpartikel und/oder Kohlenstoffparti kel.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung zeichnet sich die Anordnung durch das unmittelbar folgende zusätzliche Merkmal a. aus: a. Die Anordnung umfasst mindestens eine zusätzliche elektrochemische Zelle, die in Reihe oder parallel zu der elektrochemischen Zelle geschaltet ist.
Durch die mindestens eine zusätzliche Zelle können innerhalb der Anordnung unterschiedliche Span nungen bereitgestellt werden. So ist es beispielsweise möglich, in einer erfindungsgemäßen Anord nung zwischen eine elektrochemische Zelle, die als erste Elektrode eine negative Elektrode und als zweite und dritte Elektrode zwei positive Elektroden aufweist, und eines der elektrischen Bauteile eine zusätzliche elektrochemische Zelle mit einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode zu schalten und dabei die zweite Elektrode mit der negativen Elektrode der zusätzlichen Zelle und das Bauteil mit der positiven Elektrode der zusätzlichen Zelle zu verbinden. Die Spannungen der in Serie geschalteten Zellen addieren sich so.
Weitere Merkmale und Vorteile der beschriebenen Erfindung ergeben sich aus der nachfolgend be schriebenen Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung und eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle dargestellt sind. Die beschriebenen Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Ver ständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
In Fig. 1 ist die Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung illustriert anhand derer auch der Aufbau einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle verdeutlicht wird. 1A Zur Herstellung der Anordnung 11 wird eine Stromableiterstruktur 60 (als schwarze, durchgehen de Schicht dargestellt) auf ein elektrisch nichtleitendes Substrat 12 gedruckt. Auf das Substrat 12 werden anschließend die elektrische Bauteile 20 (im Beispiel ein integrierter Schaltkreis) und 30 (im Beispiel eine LED) sowie der Schalter S mittels eines Leitklebers aufgeklebt. Diese sind über die Stromableiterstruktur 60 miteinander verbunden. Die Stromableiterstruktur 60 umfasst eine Lage aus Silberpartikeln unmittelbar auf dem Substrat, die von einer Lage aus Kohlenstoffpartikeln abgedeckt ist.
1B In einem weiteren Schritt wird die Stromableiterstruktur 60 mit den Zinkanoden 10a, 40a und 50a teilweise überdruckt.
IC In einem weiteren Schritt wird die Stromableiterstruktur 60 mit den Braunsteinkathoden 10b, 10c, 40b und 50b teilweise überdruckt.
ID In einem weiteren Schritt werden die Zinkanoden 10a, 40a und 50a und die Braunsteinkathoden 10b, 10c, 40b und 50b einschließlich von den Zinkanoden und den Braunsteinkathoden gebildeter Spalte mit den Elektrolytschichten lOd, 40c und 50c überdruckt. In diesem Schritt werden die elektro chemischen Zellen 10, 40 und 50 gebildet.
Bei der elektrochemischen Zelle 10 handelt es sich um eine Ausführungsform einer erfindungsgemä ßen Zelle, die als erste Elektrode einer ersten Polarität die Zinkanode 10a und als zweite Elektrode einer zweiten, der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität die Braunsteinkathode 10b und als dritte Elektrode, welche die gleiche Polarität wie die zweite Elektrode aufweist, die Braunsteinkatho de 10c aufweist. Die erste Elektrode 10a, die zweite Elektrode 10b und die dritte Elektrode 10c sind getrennt voneinander in einer koplanaren Anordnung nebeneinander auf der Oberfläche des Sub strats 10 angeordnet. Über den ionenleitfähigen Elektrolyten 10c ist die erste Elektrode mit der zwei ten und der dritten Elektrode verbunden.
Die elektrochemischen Zellen 40 und 50 sind zusätzliche elektrochemische Zellen, die in Reihe mit der Zelle 10 geschaltet sind. Hierzu sind die Braunsteinkathoden 10b und 10c der Zelle 10 über die Strom- ableiterstruktur 60 elektrisch leitend mit den Zinkanoden 40a und 50a verbunden.
Mit der einen Zelle 10 können sowohl die Bauteile 20 und 30 zuverlässig betrieben werden, obwohl ihre jeweiligen Anforderungen bezgl. ihrer Energieversorgung sehr unterschiedlich ist. So können bei spielsweise die Braunsteinkathode 10b und die Zelle 40 dazu ausgelegt werden, die LED 20 auch mit hohen pulsartigen Strömen versorgen zu können. Die Braunsteinkathode 10c und die Zelle 50 können gleichzeitig dazu ausgelegt werden, das Bauteil 30 gleichmäßig mit Strömen geringer Intensität zu versorgen. Entsprechend können die Zellen Elektroden der Zellen 10, 40 und 50 ausgelegt werden. Die zur Verfügung stehende Gesamtfläche auf dem Substrat 12 kann so optimal aufgeteilt werden. Die Ausbeutung der Aktivmaterialien ist effizienter. Die Anzahl der spannungsstabilisierenden Elemente ist dabei minimiert.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemische Zelle (10) mit den folgenden Merkmalen: a. Sie umfasst eine erste Elektrode (10a) einer ersten Polarität,
b. Sie umfasst eine zweite Elektrode (10b) einer zweiten, der ersten Polarität entgegengesetz ten Polarität,
c. Sie umfasst eine dritte Elektrode (10c), welche die gleiche Polarität wie die zweite Elektrode aufweist, wobei d. die erste Elektrode (10a), die zweite Elektrode (10b) und die dritte Elektrode (10c) getrennt voneinander in einer koplanaren Anordnung nebeneinander auf einer Oberfläche eines Substrats (12) angeordnet sind und
e. die erste Elektrode (10a) mit der zweiten Elektrode (10b) und der dritten Elektrode (10c) über einen ionenleitfähigen Elektrolyten (lOd) verbunden ist.
2. Elektrochemische Zelle (10) nach Anspruch 1 mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen
Merkmale: a. Sie umfasst eine vierte und/oder eine fünfte Elektrode, welche die gleiche Polarität wie die zweite Elektrode aufweist.
b. Die erste, die zweite, die dritte sowie die vierte und/oder die fünfte Elektrode sind in einer koplanaren Anordnung nebeneinander auf dem Substrat angeordnet.
c. Die erste Elektrode ist mit der vierten und/oder der fünften Elektrode über einen ionenleit fähigen Elektrolyten verbunden.
3. Elektrochemische Zelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Die erste Elektrode (10a) ist eine negative Elektrode und umfasst ein negatives Elektroden aktivmaterial während die zweite (10b), die dritte (10c) und gegebenenfalls die vierte und/oder die fünfte Elektrode positive Elektroden sind und jeweils ein positives Elektro denaktivmaterial umfassen. b. Das positive Elektrodenaktivmaterial der zweiten Elektrode unterscheidet sich vom positi ven Elektrodenaktivmaterial der dritten und gegebenenfalls der vierten und/oder der fünf ten Elektrode.
c. Die erste Elektrode ist eine positive Elektrode und umfasst ein positives Elektrodenaktivma terial während die zweite, die dritte und gegebenenfalls die vierte und/oder die fünfte Elekt rode negative Elektroden sind und jeweils ein negatives Elektrodenaktivmaterial umfassen. d. Das negative Elektrodenaktivmaterial der zweiten Elektrode unterscheidet sich vom negati ven Elektrodenaktivmaterial der dritten und gegebenenfalls der vierten und/oder der fünf ten Elektrode.
4. Elektrochemische Zelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Die Kapazitäten der ersten Elektrode (10a) auf der einen Seite sowie der zweiten und der dritten Elektrode (10b; 10c) sowie gegebenenfalls der vierten und/oder der fünften Elektro de auf der anderen Seite stehen in einem Verhältnis X im Bereich von 2 : 1 bis 1 : 2.
b. Die Kapazitäten der zweiten Elektrode (10b) auf der einen Seite sowie der dritten Elektrode (10c) sowie gegebenenfalls der vierten und/oder der fünften Elektrode auf der anderen Sei te stehen in einem Verhältnis X im Bereich von 100 : 1 bis 1 : 100.
5. Elektrochemische Zelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Die Elektroden (10a; 10b; 10c; 40a; 40b; 50a; 50b) und der Elektrolyt (lOd; 40c; 50c) sind als Schichten mit einer Dicke im Bereich von 10 pm bis 200 pm ausgebildet.
b. Die Elektroden (10a; 10b; 10c; 40a; 40b; 50a; 50b) und der Elektrolyt (lOd; 40c; 50c) sind durch Druck aus einer Suspension oder Paste gebildet.
c. Der ionenleitfähige Elektrolyt (lOd; 40c; 50c) bedeckt die auf dem Substrat angeordneten Elektroden (10a; 10b; 10c; 40a; 40b; 50a; 50b) vollständig.
6. Anordnung (11) elektrisch miteinander verschalteter Bauteile mit dem folgenden Merkmal: a. Sie umfasst eine elektrochemische Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Energie versorgung der Bauteile (20; 30).
7. Anordnung (11) nach Anspruch 6 mit den folgenden zusätzlichen Merkmalen: a. Ein erstes Bauteil (20) ist mit der ersten Elektrode (10a) und mit der zweiten Elektrode (10b) elektrisch verbunden.
b. Ein zweites Bauteil (30) ist mit der ersten Elektrode (10a) und der dritten Elektrode (10c) elektrisch verbunden.
8. Anordnung (11) nach Anspruch 7 mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Das erste elektrische Bauteil (20) ist ausgewählt aus der Gruppe mit elektrischem Schalter, integrierter Schaltkreis, Transistor, Diode, optischer Signalgeber, akustischer Signalgeber und Sensor.
b. Das zweite elektrische Bauteil (30) ist ausgewählt aus der Gruppe mit elektrischem Schalter, integrierter Schaltkreis, Transistor, Diode, optischer Signalgeber, akustischer Signalgeber und Sensor.
9. Anordnung (11) nach einem der Ansprüche 6 bis 8 mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: a. Die elektrischen Bauteile (20; 30) der Anordnung (11) sind über gedruckte Leiterbahnen (60) mit der elektrochemischen Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 verbunden.
10. Anordnung (11) nach einem der Ansprüche 6 bis 9 mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: a. Sie umfasst mindestens eine zusätzliche elektrochemische Zelle (40; 50), die in Reihe oder parallel zu der Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 geschaltet ist.
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