CH506893A - Elektrische Zelle mit festem Elektrolyten - Google Patents

Description

  
 



  Elektrische Zelle mit festem Elektrolyten
Vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Zelle mit festem Elektrolyten.



   Die Herstellung elektronischer Kleinstapparate hat in den letzten Jahren rasche Fortschritte   gemacht,    so dass die Nachfrage nach solchen Stromquellen stetig zunahm, die punkto Abmessungen und Gewicht vergleichbar waren mit elektronischen für Schaltanlagen verwendeten Bestandteilen. Ein gewisser Erfolg war dem   Bestreben    beschieden, diesen Anforderungen zu genügen durch die Weiterentwicklung von Zellen mit festem Elektrolyten.



  Abgesehen vom Vorteil, den solche Vorrichtungen durch ihre äusserst kleinen Abmessungen bieten, lassen Zellen mit festem Elektrolyten dem Konstrukteur grösste Freiheit punkto Formgebung, und sie sind fünf bis zehn Jahre   lagerfähig.   



   Die festen   Elektwlyten,    die bei   derartigen    Zellen zur Anwendung gelangen, sind   lonenleiter    und geben, wenn   zwischen    geeigneten Anoden und Kathoden eingebettet, eine Leistung ab.



   Die Leistungsfähigkeit einer Zelle hängt ab vom spezifischen Widerstand des Elektrolyts, der   Beschaffen-    heit des Leiters, der Leiterzahl, der Temperatur der Zelle sowie den Anfangs- und   Endprodukten    der Reaktion der Zelle.



   Ein Zweck der vorliegenden   Erfindung    besteht in der Verbesserung von Zellen mit festem Elektrolyten.



   Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Zelle mit festem Elektrolyten und hoher Energiedichte.



   Weitere Ziele der Erfindung bilden neuartige und verbesserte, hohe Energie liefernde Zellen und Batterien mit festem Elektrolyten, die sich lange lagern lassen und im Verhältnis zu   deren    Grösse kontinuierlich wesentliche Energiemengen abgeben, und die bei geringen Selbstkosten und doch kommerziell   lohnend    einfach hergestellt werden können.



   Um diese Ziele zu erreichen, besteht die   erfindungs-    gemässe Zelle aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten, welcher bei Raumtemperatur fest ist, wobei im aufgeladenen Zustand die Anode wenigstens zum Teil   aus    einem Alkalimetall besteht, welche Anode mit einem Elektrolyten aus einem Halogenid dieses Alkalimetalls in Kontakt steht Hohe Energiedichte im System lässt sich dadurch erreichen, indem man eine leichte   Hochspannungseiektrode    aus einem Alkalimetall und   deren    Halogenverbindung, z. B. Lithium/Lithiumjodid, in einer   Halbwelle    verwendet. Die Kathoden bestehen zweckmässig ebenfalls aus Metall/Metallhalogenid   Haibzellen,    namentlich aus   Silber/Silberhalogenid,    wie z.

  B.   Silber/Jodsilber.    Andere Metall/Metallhalogenide, die sich zur Herstellung von Kathoden eignen, sind beispielsweise   Silber/Silberquecksilberj odid,    (Ag/Ag2HgJ4),   Blei/Bieihalogenid    und   Kupfer/Kupferhalogenid.    Der Elektrolyt besteht   zweckmässig    aus einer Verbindung zweier verschiedener Salze, wie z. B.   Lithiumjodid    in Verbindung mit Halogensilber, Silberquecksilberhalogenid,   Bleihalogenidloder    Kupferhalogenid.



   Das Hauptproblem bei Zellen mit festem Elektrolyten ist die Wahl der bestgeeigneten Elektrolyten. Das Ion oder die Ionen der Elektrolyten müssen den Inonentransport des grössten Teils des Stromes bewirken. Diesen und weiteren Anforderungen genügt das folgende System, welches die zweckmässige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt:
Li/LiJ/AgJ/Ag
Man erkennt, dass die zweckmässige Zelle aus einem System mit festem Elektrolyten hoher Energiedichte besteht und sich aus zwei miteinander verbundenen Me   tall/Metallhalogenid    enthaltenden Zellen zusammensetzt.



  Für praktischen Gebrauch wurden Zellen   dieser    Art hergestellt, indem man gepresste   Täfelchen    (1   cm2    x 1 mm) aus jedem der Elektrolytsalze in geeigneter Weise zwischen metallischem Lithium und Silber einschloss. Es wurden laufend Messungen der Spannung der Zelle ausgeführt,   nachdem    geeignete elektrische Verbindungen vorgesehen und   die    Zellen mit Teflonband   umwickelt    worden waren.  



   Zur beiliegenden Zeichnung:
Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt durch eine Zelle mit fe   stern    Elektrolyten, welche die vorliegende Erfindung verkörpert;
Fig. 2 ist eine Kurvenlinie der Polarisationsmerkmale der in Fig. 1 dargestellten Zelle;
Fig. 3 ist eine ähnliche Kurvenlinie, welche die Pola   ris ationsmerkmale    einer andern Ausführungsform veranschaulicht.



   In Fig. 1 bezeichnet Bezugsziffer 10 die Anode, welche in einer zweckmässigen Ausführungsform der Erfindung metallisches Lithium sein kann. Die Anode 10 befindet sich in Kontakt mit der einen Seite der festen Elektrolytschicht 12, die beispielsweise aus   Lithiumjodid    besteht, während die andere Seite des Elektrolyten in Berührung mit der Kathode 14 steht. Die Kathode kann aus Jodsilber oder aus irgendeinem der in der Beschreibung   erwähnten    Körper bestehen. Eine Schicht 16 hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie z. B. eine Silberfolie, wird in innigen Kontakt mit der Kathode 14 durch Umwicklung gebracht. Zuleitungen 18 und 20 sind mit der Anode 10 bzw. mit dem Kathodenkontakt 16 verbunden und bilden die Polköpfe der Zelle.

  Zum Schutze der Zelle kann sie mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Band aus Polytetrafluoräthylen umwickelt werden, wobei die Zuleitungsdrähte frei nach aussen vorstehend zu belassen sind. Selbstverständlich können ebenso gut Schutzumhüllungen oder Gehäuse anderer Art verwendet werden, was einem Fachmann ohne weiteres einleuchten dürfte.



   Fig. 2 veranschaulicht die Leerlaufspannung und die Merkmale beim Betrieb typischer Zellen, wie sie oben beschrieben wurden. Die   Leerlaufspannung    der Zelle beträgt 2,2 bis 2,45 Volt. Das Potential der Zelle verändert sich linear mit dem verbrauchten Strom, was darauf hinweist, dass innerer Widerstand die   Zellenleistung    bedingt. Zellen mit ähnlichen Leistungsmerkmalen können hergestellt werden, indem man die Jodsilberkathode durch andere Silber/Halogensilberkathoden ersetzt. Ferner können Kathoden aus   Silber/Silberquecksilberhalo-    genid, Blei/Bleihalogenid oder   Kupfer/Kupferh alogenid    mit Anoden aus   Lithium/Lithiumjodid    kombiniert werden, um Zellen mit befriedigend hoher Energiedichte zu ergeben.



   Die Leistung aller obgenannten Zellen lässt sich verbessern, indem man die Dicke der Elektrolytschicht vermindert und fremde Salze hinzufügt, um die Ionenwanderung der Ladungsträger zu begünstigen, oder indem man die Zellen bei erhöhter Temperatur betreibt oder alle diese Hilfsmittel gleichzeitig anwendet. Eine Mehr   gleit    der erfindungsgemässen Zellen kann in Serie oder parallel, oder auf beide Arten, geschaltet werden, um dadurch Batterien höherer Spannungen oder Kapazität zu erhalten. Auch können die erfindungsgemässen Zellen als sekundäre oder wiederaufladbare Elemente verwendet werden.



   Von allen Alkalimetallhalogeniden besitzt Lithiumjodid einen spezifischen Widerstand in der Grössenordnung von 5 X 106 Ohm/cm bei Zimmertemperatur und ist daher zur Verwendung in Zellen ausserordentlich geeignet. Bei der zweckmässigen Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, wird eine Lithium/Lithiumjodid-Halbzelle mit einer Silber/Jodsilber-Halbzelle verbunden. Aber auch die   Lflhinmjodid-Anode    kann mit einer Jodkathode (Li/LiJ/J) kombiniert werden. Eine geeignete Jodkathode kann hergestellt werden, indem man Jod durch Holzkohle absorbieren lässt (0,75 g Jod je Gramm Holzkohle). Die Dicke der Elektrolytschicht betrug 1 mm. Fig. 3 zeigt das Polarisationsverhalten einer solchen Zelle und deutet darauf hin, dass der innere Widerstand der Zelle dem spezifischen Widerstand des Elektrolyten entspricht.

  Daher kann die Leistung der Zelle dadurch verbessert werden, indem man die Dicke der Elektrolytschicht vermindert oder geeignete Salze beifügt. Beispielsweise verbessert die Beigabe von Magnesiumjodid in einer Menge von 0,06 bis 0,08 Molprozent die Leitfähigkeit des Elektrolyten. Auf diese Weise wird ein Zellenpotential von 3 Volt ohne Aufreihen von Zellen erreicht.



   Während die Kombination einer Lithium/Lithiumjo   did-Anode    sowohl mit einer Silber/Jodsilber-Kathode wie mit einer Jodkathode praktisch verwendbare und wirksame Zellen mit festem Elektrolyten ergibt, bestehen gewisse wesentliche Unterschiede zwischen den Merkmalen und der Arbeitsweise der beiden Arten von Zellen, nämlich: a) Bei Verwendung einer Silber/Jodsilber-Kathode ist der Elektrolyt eine Kombination zweier verschiedener Salze, wogegen der Elektrolyt einer Zelle mit einer Jodkathode aus einem einzigen Salz besteht.



   b) Eine Zelle mit einer Silber/Jodsilber-Kathode arbeitet mit hoher Energiedichte, während eine Zelle mit einer Jodkathode geringe Energiedichte aufweist.



   c) Eine Zelle mit einer Silber/Jodsilber-Kathode arbeitet nach dem Prinzip elektrischer Zellen, d.h. die Metalle werden aufgelöst und an der Metall/Halogenmetall-Zwischenfläche abgeschieden. Im Gegensatz hiezu beruht die Arbeitsweise einer Zelle mit Jodkathode auf der Reduktionsfähigkeit.



   Ganz allgemein sind Zellen, in denen eine Silber/   Jodsiiber-Kathode    verwendet wird, leistungsfähiger als jene mit Jodkathoden. Erstere verwenden kein Jod, das ein Bindemittel sowie einen Leiter für die Halbzelle bedingt. Das ist nicht notwendig, wenn die Kathode von   Siiber/Silberhalogenid    gebildet wird und beispielsweise aus Silber/Jodsilber besteht, und wenn das abscheidende Metall selbst, beispielsweise Ag aus der Verbindung AgJ, als Leiter dient, wobei die Kathoden keinen weiteren Leiter und kein Bindemittel erfordern. Im Gegensatz zu Jod greifen die Metall/Metallhalogenid-Kathoden die Zellen nicht an, was die Verwendung der Zellen in Fällen erlaubt, in denen die Gegenwart korrodierender Stoffe, wie Jod, nicht zulässig ist.

   Aus den vorgenannten Gründen vereinfacht der Gebrauch von Silber/Silberhalogen-Kathoden die Herstellung und den Zusammenbau sowohl einfacher wie aufgereihter Zellen wesentlich.



   Ausser Jod- können auch andere reduktionsfähige Kathoden verwendet werden. Es sind dies Kohlenstoffgemische mit Oxyden und Halogeniden polyvalenter Metalle, wie z. B. AgO, MnO2, PbO2,   V2O5,    CeO2 oder    Fix3,    HgX2,   MIX,,    CbX2 und dgl., wobei  X  das Halogenatom bedeutet. In Kombination mit einem Alkalimetall und seinen Halogeniden, besonders Lithium/Lithiumjodid als Anode, ergeben diese Kathoden Zellen mit festen Elektrolyten und verschiedenen Spannungen. 

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH

   Elektrische Zelle mit festem Elektrolyten, gekennzeichnet durch eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten, welcher bei Raumtemperatur fest ist, wobei im aufgeladenen Zustand die Anode wenigstens zum Teil aus einem Alkalimetall besteht, welche Anode mit einem Elektrolyten aus Halogenid dieses Alkalimetalls in Kontakt steht.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Zelle nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkalimetall Lithium ist.

   2. Zelle nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Halogenid Lithiumjodid ist.

   3. Zelle nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode aus Silber/Silberhalogenid, Silber Siiber-Quecksilberhalogenid, Blei/Bleihalogenid oder Kupfer/Kupferhalogenid besteht.

   4. Zelle nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode aus Silber/Silberjodid besteht.

   5. Zelle nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode Jod enthält.

   6. Zelle nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode aus einer gepressten Mischung von Jod, Kohlenstoff und Graphit als Bindemittel besteht.

   7. Zelle nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode aus Oxyden und Halogeniden von mehrwertigen Metallen besteht.

   8. Zelle nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Kathodenmaterial AgO, MnO2, PbO2, V2O5, CeO2, FeX3, HgX2, TIX, oder CuX2 dient, wobei X ein Halogenatom bezeichnet.

   9. Zelle nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt aus einer Kombination von zwei verschiedenen Halogeniden besteht.

   10. Zelle nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie Li/LiJ an der Anode und AgJ/Ag an der Kathode enthält.

   11. Zelle nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie Li/LiJ an der Anode enthält, und dass die Kathode aus Jod besteht.