PL207915B1 - Ogniwo elektrochemiczne z elektrolitem stałym i sposób wytwarzania elektrolitu stałego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest ogniwo z elektrolitem stałym i sposób wytwarzania elektrolitu stałego do tego ogniwa, które przeznaczone jest głównie do łączenia w akumulatory stosowane w elektronice i elektrotechnice, do zasilania takich urządzeń, jak: telefony, notebooki, palmtopy, kalkulatory, aparaty fotograficzne i wszelkiego rodzaju przenośnych mierników zasilanych prądem stałym.

Znane są i powszechnie stosowane ogniwa litowe. Do budowy tych ogniw wykorzystuje się stopy metalicznego litu, zawierające związki kobaltu, manganu lub niklu oraz przewodzące polimery organiczne. Ogniwa tego typu wytwarzają napięcie 3,6 V. Baterie litowe są najczęściej małe, okrągłe i płaskie. Stosowane są w urządzeniach elektronicznych, np. zegarkach elektronicznych i kalkulatorach.

W bateriach takich anodą jest metaliczny lit, a katodą dwutlenek manganu. Pomię dzy anodą i katodą umieszczony jest przewodzą cy polimer, np. polianilina. Pł aska bateria litowa posiada obudowę składającą się z dwóch odizolowanych od siebie metalowych elektrod w kształcie miseczek, pomiędzy którymi znajduje się warstwa przewodzącego polimeru, warstwa metaliczna zawierająca lit oraz warstwa dwutlenku manganu z dodatkiem węgla aktywnego.

Z polskiego opisu patentowego 203 254 znane jest ogniwo, w którym anodę stanowi metaliczny sód, a pomiędzy elektrodami znajduje się warstwa z przewodzącego polimeru butadienowego lub butadienowo-styrenowego z dodatkiem chloranu VII sodu.

Znany jest także sposób wytwarzania przewodzącego polimeru, według polskiego opisu patentowego 202140. Polega on na rozpuszczeniu polimeru butadienowego albo butadienowo-styrenowego w rozpuszczalniku organicznym wę glowodorowym, korzystnie w proporcji 1:4. Do otrzymanej oleistej substancji wprowadza się w nadmiarze roztwór chloranu VII metalu, rozpuszczonego w metanolu. Wytrącony polimer przewodzący ma postać elastycznej masy, którą oddziela się od pozostałości roztworu.

Według znanego sposobu, korzystnym rozpuszczalnikiem organicznym polimeru jest benzen lub pirydyna. Korzystnym jest także, jeśli jako chloran VII metalu użyje się chloranu VII sodu.

Istota ogniwa według wynalazku polega na tym, że anoda wykonana jest ze stopu magnezu, korzystnie stopu magnezu z glinem, manganem i cynkiem, a katoda wykonana jest ze sprasowanego grafitu albo grafitowanego węgla, natomiast elektrolit ma postać stałej i elastycznej warstwy ze zmodyfikowanego chemicznie polimetakrylanu metylu.

W korzystnej postaci anoda i katoda mają postać pł ytek, a w jeszcze innej korzystnej postaci anoda ma postać folii.

Inna cecha wynalazku polega na tym, że ogniwo umieszczone jest w elektrycznie obojętnej obudowie, na zewnątrz której wyprowadzono końcówki biegunowe połączone z elektrodami.

Zastosowanie w ogniwie lekkiej anody z magnezu oraz przewodzącego stałego polimeru ze zmodyfikowanego chemicznie polimetakrylanu metylu - jako elektrolitu, daje w efekcie bardzo lekki i płaski akumulator, który nie grozi wyciekiem elektrolitu w trakcie eksploatacji i posiada parametry elektryczne pozwalające na zastosowanie go do zasilania urządzeń elektronicznych.

Według wynalazku sposób wytwarzania elektrolitu stałego do ogniwa elektrochemicznego, polega na tym, że polimetakrylan metylu, korzystnie sproszkowany, miesza się w stosunku 1:1 z kwasem triflatowym (CF3SO3H) rozpuszczonym uprzednio w chloroformie (CHCI3), po czym odparowuje się nadmiar chloroformu.

Po odparowaniu otrzymuje się stały, elastyczny i przezroczysty polimer przewodzący prąd elektryczny, do stosowania jako elektrolit.

Wynalazek jest bliżej objaśniony na przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku, który jest schematem pojedynczej komórki akumulatora magnezowo-polimerowego.

Elektrochemiczne ogniwo zbudowano stosując folię ze stopu magnezu z glinem, manganem i cynkiem o grubości 1 mm jako anoda, sprasowany grafit, lub grafitowany węgiel o grubości 2 mm jako katoda oraz zmodyfikowany chemicznie polimetakrylan metylu, jako przewodzący polimer spełniający rolę elektrolitu.

Anodą jest lekki stop magnezu zawierający 4,5-5,3 % Al, 0,28-0,5 % Mn i do 0,2 % Zn. Ogniwo umieszczone jest w obudowie dielektrycznej z tworzywa sztucznego, z którego wyprowadzone są końcówki biegunowe elektrod ze srebra, miedzi lub ich stopów.

Elektrolit polimerowy uzyskano działając superkwasem triflatowym (CF3SO3H), rozpuszczonym uprzednio w chloroformie (CHCI3) w stosunku 1:1 na polimetakrylan metylu w postaci granulek, bez

PL 207 915 B1 dostępu powietrza, w temperaturze pokojowej przez 24 h oraz mieszaniu zawartości co kilka godzin i samoczynnym odparowaniu nadmiaru chloroformu.

Elektrolit ma postać stałej, elastycznej, lekko brunatnej i przezroczystej warstwy polimeru przewodzącego prąd elektryczny, niewyciekającej z ogniwa.

Napięcie znamionowe pojedynczego ogniwa wynosi 2,4 V. Pojemność znamionowa baterii z połączenia trzech ogniw wynosi 1800 mAh. Ogniwa te można łączyć ze sobą szeregowo w celu uzyskania akumulatora o większym napięciu, lub równolegle w celu zwielokrotnienia pojemności. Charakteryzują się one odwracalnością - można je ładować. Akumulatory są bardzo płaskie, elastyczne i lekkie. Posiadają parametry elektryczne pozwalające na zastosowanie do zasilania urządzeń elektronicznych.

Prąd elektryczny generowany jest w tym ogniwie w wyniku elektrochemicznej interkalacji jonów magnezu w strukturę grafitu. Jony te zajmując pozycje w strukturze grafitu między warstwami zachowują się jak akceptory elektronów, redukując się do wolnych atomów magnezu. Podczas ładowania tego ogniwa zachodzi utlenianie atomów magnezu i ich deinterkalacja.

Claims (5)

1. Ogniwo elektrochemiczne z elektrolitem stałym w postaci warstwy przewodzącego polimeru pomiędzy warstwami stanowiącymi anodę i katodę, znamienne tym, że anoda (1) wykonana jest ze stopu magnezu, korzystnie stopu magnezu z glinem, manganem i cynkiem, a katoda (3) wykonana jest ze sprasowanego grafitu albo grafitowanego węgla, natomiast elektrolit (2) ma postać stałej i elastycznej warstwy ze zmodyfikowanego chemicznie polimetakrylanu metylu.

2. Ogniwo według zastrz. 1, znamienne tym, że anoda (1) i katoda (3) mają postać płytek.

3. Ogniwo według zastrz. 1, znamienne tym, że anoda (1) ma postać folii.

4. Ogniwo według zastrz. 1 albo zastrz. 2, albo zastrz. 3, znamienne tym, że jest umieszczone w elektrycznie obojętnej obudowie (5), na zewnątrz której wyprowadzone są końcówki biegunowe (4).

5. Sposób wytwarzania elektrolitu stałego do ogniwa elektrochemicznego, znamienny tym, że polimetakrylan metylu, korzystnie sproszkowany, miesza się w stosunku 1:1 z kwasem triflatowym (CF3SO3H), rozpuszczonym uprzednio w chloroformie (CHCI3), po czym odparowuje się nadmiar chlo-