PL215383B1 - Sposób wytwarzania katody do ogniwa elektrycznego polimerowego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania katody do ogniwa elektrycznego polimerowego, przeznaczonego 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.

Stosowane coraz częściej akumulatory, określane jako polimerowe, w zasadzie tylko w części są polimerowe. Polimerem jest najczęściej tylko elektrolit. Znane są i powszechnie stosowane ogniwa nazywane litowo-polimerowe. Do budowy tych ogniw wykorzystuje się stopy metalicznego litu, zawierające związki kobaltu, manganu lub niklu oraz przewodzące polimery organiczne jako elektrolit, najczęściej polianilinę. Ogniwa tego typu wytwarzają napięcie 3,6 V. Baterie litowe są najczęściej małe, okrągłe i płaskie. Stosowane są w urządzeniach elektronicznych, np. telefonach komórkowych, zegarkach elektronicznych i kalkulatorach.

W bateriach takich anodą jest metaliczny lit, a katodą dwutlenek manganu. Pomiędzy anodą i katodą umieszczony jest przewodzący polimer, np. polianilina. Płaska 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 nr 198602 znany jest sposób wytwarzania przewodzącego polimetakrylanu metylu, przeznaczonego do zastosowania w elektrotechnice i elektronice, zwłaszcza przy wytwarzaniu ogniw, baterii i czujników prądowych. Sposób ten polega na rozpuszczeniu polimetakrylanu metylu w rozpuszczalniku organicznym, korzystnie w proporcjach 1:3. Proces rozpuszczania w temperaturze pokojowej trwa kilka dni. Do otrzymanej oleistej substancji wprowadza się wodny roztwór nadchloranu metalu. Wytrącony przewodzący polimer jest elastyczny i oddziela się go od pozostałości roztworu.

Z innego polskiego opisu patentowego nr 202140 znany jest sposób wytwarzania przewodzącego polimeru butadienowego albo butadienowo-styrenowego. Sposób ten polega na tym, że rozpuszcza się polimer butadienowy albo butadienowo-styrenowy w rozpuszczalniku organicznym węglowodorowym aromatycznym, korzystnie w proporcji 1:4, a następnie do roztworu wprowadza się roztwór chloranu (VII) metalu z metanolem, po czym oddziela się wytrącony przewodzący polimer, mający postać elastycznej masy.

Z kolejnego polskiego opisu patentowego nr 203254 znana jest bateria sucha, zwłaszcza o małych wymiarach. Bateria ma obudowę, składającą się z dwóch odizolowanych od siebie metalowych elektrod w kształcie miseczek, pomiędzy którymi znajdują się warstwy stanowiące anodę i katodę, przy czym anodę stanowi metaliczny sód, a pomiędzy elektrodami, jako separator, znajduje się warstwa z przewodzącego polimeru butadienowego albo butadienowo-styrenowego z dodatkiem chloranu (VII) sodu.

Natomiast polski opis patentowy nr 207915 przedstawia ogniwo elektrochemiczne z elektrolitem stałym i sposób wytwarzania elektrolitu stałego. Przedstawione w tym opisie patentowym ogniwo ma anodę wykonaną ze stopu magnezu, korzystnie stopu magnezu z glinem, manganem i cynkiem, a katodę wykonaną ze sprasowanego grafitu albo grafitowanego węgla, natomiast elektrolit ma postać stałej i elastycznej warstwy ze zmodyfikowanego chemicznie polimetakrylanu metylu. Natomiast przedstawiony w tym opisie patentowym sposób wytwarzania elektrolitu stałego do ogniwa elektrochemicznego, polega na tym, że polimetakrylan metylu, korzystnie sproszkowany, miesza się w stosunku 1:1 z kwasem triflatowym (CF3O3H), rozpuszczonym uprzednio w chloroformie (CHCl3), po czym odparowuje się nadmiar chloroformu. Po odparowaniu otrzymuje się stały, elastyczny i przezroczysty polimer przewodzący prąd elektryczny, do stosowania jako elektrolit.

Sposób wytwarzania polimerowej katody według wynalazku polega na tym, że na polimetakrylan metylu (PMMA), korzystnie w postaci płytki, nanosi się trifluorometanosulfonowy kwas (CF3SO3H), korzystnie rozcieńczony uprzednio w chloroformie (CHCl3), całość umieszcza na 2-4 h w szczelnej, odpornej na działanie chemikaliów komorze, po czym odparowuje samoczynnie nadmiar produktów gazowych. Po odparowaniu otrzymuje się stały, elastyczny i przezroczysty polimer przewodzący prąd elektryczny, do stosowania jako elektroda w ogniwie elektrochemicznym.

W wyniku elektrofilowego protonowania grupy karbonylowej PMMA kwasem triflatowym powstaje polimerowy karbokation skompleksowany z nukleofilem triflatowym, w którym przemieszczaniu ulegać mogą protony w łańcuchu polimerowym.

PL 215 383 B1

Ogniwo elektrochemiczne ma warstwę przewodzącego polimeru pomiędzy warstwami stanowiącymi anodę i katodę, przy czym anoda wykonana jest z metalu albo stopu metali, a katodę stanowi warstwa polimeru przewodzącego prąd elektryczny. Zarówno katoda jak i elektrolit, są zmodyfikowanym chemicznie polimetakrylanem metylu, a elektrolit ma korzystnie postać żelu.

Prąd elektryczny generowany jest w tym ogniwie w wyniku elektrochemicznego przechodzenia jonów metalu w strukturę PMMA. Jony te zajmując pozycje w strukturze PMMA zachowują się jak akceptory elektronów, redukując się do wolnych atomów metalu. Podczas ładowania tego ogniwa zachodzi redukcja jonów metalu i ich ponowne osadzanie w strukturę metalu.

P r z y k ł a d y

Sposób wytwarzania katody do ogniwa polega na tym, że na cienką płytkę z polimetkrylanu metylu nanosi się trifluorometanosulfonowy kwas (CF3SO3H), rozcieńczony uprzednio w chloroformie (CHCl₃). Całość umieszcza się na 2-4 godzin w szczelnej, odpornej na działanie chemikaliów komorze, po czym odparowuje samoczynnie nadmiar produktów gazowych. Po odparowaniu otrzymuje się elastyczną i przezroczystą płytkę polimerową, przewodzącą prąd elektryczny, do stosowania jako elektroda w ogniwie elektrochemicznym.

Ogniwo zawierające katodę według wynalazku przedstawiono na rysunku.

Ogniwo ma anodę 1 wykonaną z cienkiej folii z metalicznego litu, albo magnezu, albo glinu, albo cynku, albo żelaza, albo ich stopów. Katoda 4 ma postać cienkiej płytki wykonanej sposobem według przedstawionego wynalazku. Elektrolit 2 ma postać żelowej warstwy przewodzącego polimeru. Separatorem 3 jest papier celulozowy.

W innym przykładzie anoda 1 ma postać płytki o grubości 0,5 mm, wykonanej z litu, albo magnezu, albo glinu, albo cynku, albo żelaza, albo stopów tych metali. Katoda 4 ma postać lekkiej i elastycznej płytki o grubości 1 mm do 2 mm.

Elektrolitem 2 jest zmodyfikowany chemicznie polimetakrylan metylu w postaci przewodzącego żelu. Jako separator 3 zastosowano bibułę celulozową. Ogniwo umieszczone jest w elektrycznie obojętnej obudowie 7 z tworzywa sztucznego, na zewnątrz której wyprowadzono końcówki biegunowe 5, 6 połączone z elektrodami ogniwa.

Taka budowa ogniwa, zawierającego katodę i elektrolit w postaci zmodyfikowanego chemicznie polimeru PMMA daje w efekcie bardzo lekkie, płaskie ogniwa, które po złączeniu dają lekkie i niewielkie objętościowo akumulatory, które nie grożą wyciekiem elektrolitu w trakcie eksploatacji i posiadają parametry elektryczne pozwalające na zastosowanie ich do zasilania urządzeń elektronicznych. Ogniwa takie generują napięcie 1,5-3,7V w zależności od rodzaju użytej metalicznej anody.

Claims (1)

1. Sposób wytwarzania katody do ogniwa elektrycznego polimerowego, znamienny tym, że na polimetakrylan metylu, korzystnie w postaci płytki, nanosi się trifluorometanosulfonowy kwas (CF3SO3H), korzystnie rozcieńczony uprzednio w chloroformie (CHCl3), całość umieszcza na 2-4 godziny w szczelnej, odpornej na działanie chemikaliów komorze, po czym odparowuje samoczynnie nadmiar produktów gazowych, do postaci stałego, elastycznego i przezroczystego polimeru.