DE3525271A1

DE3525271A1 - Elektrochemische speicherzelle

Info

Publication number: DE3525271A1
Application number: DE19853525271
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl Chem Dr Weddigen; Hans Dipl Chem Dr Nienburg; Herbert Dipl Phy Kleinschmager
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1985-07-16
Filing date: 1985-07-16
Publication date: 1987-01-29

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine wiederaufladbare elektrochemische Speicherzelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Speicherzelle eignet sich sehr gut als Energiequelle und wird deshalb für den Aufbau von Akkumulatoren verwendet.

Aus der EP-OS 32 84 076 ist eine wiederaufladbare elektrochemische Speicherzelle bekannt, die eine feste Anode und eine feste Kathode aufweist. Die beiden Elektroden sind aus einem synthetischen Triaromatmethanpolymer gefertigt. Zur Erzielung der elektrischen Leitfähigkeit der Elektroden ist das Polymer mit Elektronendonatoren und Elektronenakzeptoren zur Bildung von Charge-Transfer- Komplexen dotiert. Die beiden Elektroden sind von einem flüssigen Elektrolyten umgeben. Dieser wird durch Lithiumjodid gebildet, das in Tetrahydrofuran gelöst ist.

Aus der DE-OS 00 36 118 ist eine weitere elektrochemische Speicherzelle bekannt, deren Elektroden aus Polyacetylen gefertigt sind, das zur Erzielung der elektrischen Leitfähigkeit mit Halogenidionen und metallischen Ionen dotiert ist. Beide Batterien weisen den Nachteil auf, daß der flüssige Elektrolyt durch Lösen von Lithiumjodid bzw. Tetra-n-Butylamoniumperchlorat in Tetrahydrofuran bzw. in Dichlormethan gebildet wird. Diese beiden Lösungsmittel zeigen während des Betriebs der Speicherzelle korrosive Nebenwirkungen und haben die Eigenschaft, daß sie sich unter den Einwirkungen thermischer und chemischer Belastungen sowie elektrischer Felder mit der Zeit zu zersetzen beginnen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde eine Speicherzelle der eingangs genannten Art zu schaffen, deren flüssiger Elektrolyt durch lösen einer definierten chemischen Verbindung in einem Lösungsmittel gebildet wird, das weder korrosive Nebenreaktionen hervorruft noch dazu neigt, sich unter Betriebsbedingungen zu zersetzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Das erfindungsgemäß für die Herstellung des Elektrolyten verwendete polare Lösungsmittel bzw. das Gemisch, gebildet aus mehreren polaren Lösungsmitteln, weist die Eigenschaften auf, daß es keine C-H-aziden und/oder N-H- aziden-Gruppen besitzt. Erfindungsgemäß weisen die verwendeten Lösungsmittel ringförmige bzw. lineare Strukturen auf und enthalten Reste aus den Gruppen N-CF₃, N- SO₂-F, N-CO-CH₃, N-SO₂-N, R-SO₂-R, R-SO-R, N-CO-N, N- CS-N und N-CF₂-N. Vorzugsweise handelt es sich bei den Resten um CH₃, (CH₃)₃, COCH₃CF₃, SO₂-CF₃, SO₂F, Phenyle, Halogene und Pseudohalogene. Die zur Bildung des Elektrolyten verwendeten Lösungsmittel besitzen die Eigenschaften, daß sie nicht mit Jod reagieren, so daß die Bildung von Wasserstoffhalogeniden und Wasserstoffchalkogeniden vermieden wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Die in der einzigen Figur dargestellte elektrochemische Speicherzelle 1 wird im wesentlichen durch ein Gehäuse 2, eine Anode 3, eine Kathode 4, sowie einen flüssigen Elektrolyten 5 gebildet. Das Gehäuse 2 ist vorzugsweise aus einem korrossionsbeständigen Werkstoff, vorzugsweise einem langlebigen Material hergestellt. Seine Abmessungen sind so gewählt, daß die Anode 3 und die Kathode 4 innerhalb des Gehäuses so angeordnet werden können, daß sie allseitig von dem flüssigen Elektrolyten 5 umgeben sind. Der Elektrolyt 5 wird durch Lithiumjodid oder Natriumjodid gebildet, das in einem Gemisch aus Nitrobenzol und Dimethylacetamid gelöst wird. Das Gemisch enthält das Nitrobenzol und das Dimethylacetamid in einem Verhältnis 1 : 1. Ein ebenso wirkungsvolles Lösungsgemisch kann aus Nitrobenzol und Dimethylsulfoxid hergestellt werden. Ferner können zum Lösen der den Elektrolyten bildenden chemischen Verbindung auch andere aromatische oder aliphatische Lösungsmittel bzw. Gemische davon verwendet werden, welche die oben erwähnten Reste enthalten. Erfindungsgemäß sind Lösungsmittel zu verwenden, die Reste in Form von CH₃, (CH₃)₃, COCH₃CF₃, SO₂- CF₃, SO₂F, Phenyle, Halogene und/oder Pseudohalogene enthalten.

Die Anode 3 der Speicherzelle 1 ist außen durch einen einseitig geschlossenen metallischen Zylinder 3 Z begrenzt. Die Abmessungen des Zylinders 3 Z sind an die Größe der zu bauenden Speicherzelle 1 anzupassen. Der Zylinder 3 Z ist so angeordnet, daß seine geschlossene Fläche nach außen weist und seine Längsachse zur oberen und unteren Begrenzungsfläche des Gehäuses 2 parallel verläuft. Die seitliche Außenfläche des Zylinders 3 Z ist mit einem elektrischen Leiter 10 verbunden. Dieser ist durch eine Öffnung 11 in der Deckfläche des Gehäuses nach außen geführt und steht über das Gehäuse einige Millimeter über. Im Innenraum des Zylinders 3 Z ist das die Anode bildende Triaromatmethanpolymer 6 angeordnet. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Anode einen Kern aus Graphitfilz 3 G auf, der eine 95%ige Porosität besitzt. Der Graphitfilz 3 G ist vollständig mit dem Polymer getränkt. Zur Erzeugung der elektrischen Leitfähigkeit des Polymers ist dieses mit einem Alkalimetall dotiert. Die Verwendung eines Erdalkalimetalls zur Erzielung der elektrischen Leitfähigkeit ist ebenfalls möglich. Das Polymer ist schmelzbar, so daß die Tränkung des Graphitfilzes mit diesem Polymer problemlos möglich ist. In einem definierten Abstand von der Anode 3 ist die Kathode 4 angeordnet. Die Größe des Abstands ist so gewählt, daß zwischen beiden eine ausreichend große Menge des flüssigen Elektrolyten 5 vorhanden ist. Die äußere Begrenzung der Kathode 4 wird ebenfalls durch einen metallischen Zylinder 4 Z gebildet, der die gleiche Form wie der Zylinder 3 Z aufweist. Seine Abmessungen sind ebenso groß gewählt. Die geschlossene Fläche des Zylinders 4 Z ist nach außen gerichtet. Die seitliche Außenfläche des Zylinders 4 Z ist mit einem elektrischen Leiter 20 verbunden, der durch eine Öffnung 11 in der Deckfläche des Gehäuses 2 hindurchgeführt ist und einige Millimeter über diese übersteht. Der Innenraum des metallischen Zylinders 4 Z enthält das die Kathode bildende Polymer 7. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist auch die Kathode 4 einen Kern aus Graphitfilz 4 G auf. Dieser ist mit dem Polymer getränkt. Das die Kathode bildende Triaromatmethanpolymer 7 ist mit Halogenen bzw. Chalkogenen, insbesondere mit Jod, Brom bzw. Selen oder Schwefel zur Bildung von Charge-Transfer-Komplexen dotiert, um die erforderliche elektrische Leitfähigkeit zu erzielen.

Für die Aufladung der Speicherzelle 1 wird eine Gleichspannungsquelle an die Elektroden 3 und 4 angeschlossen. Insbesondere wird an die Anode 3 der negative Pol und an die Kathode 4 der positive Pol der Gleichspannungsquelle (hier nicht dargestellt) angeschlossen. Hierdurch wird bewirkt, daß Natriumionen zur Anode und Jodionen zur Kathode wandern. Innerhalb der Kathode werden die Jodionen zu neutralem Jod oxidiert. Im Bereich der Anode werden die Natriumionen zu neutralem Natrium umgewandelt. Gleichzeitig werden zwischen dem Natrium und dem Polymer Charge-Transfer-Komplexe gebildet. Im Bereich der Kathode kommt es zu einer elektrochemischen Oxidation der Jodanionen. Die dabei gebildeten Jodatome stehen zusammen mit dem Polymer ebenfalls zur Bildung von Charge- Transfer-Komplexen zur Verfügung.

Die Erfindung umfaßt auch Speicherzellen, bei denen eine oder beide Elektroden aus einem anderen Werkstoff als Triaromatmethanpolymer hergestellt sind.

Claims

1. Elektrochemische Speicherzelle (1) mit zwei Elektroden (3, 4), von denen mindestens eine aus einem synthetischen Polymer (6, 7) gefertigt und beide von einem flüssigen Elektrolyten (3) umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die den Elektrolyten (5) bildende chemische Verbindung in wenigstens einem polaren Lösungsmittel oder in einem Gemisch bestehend aus zwei oder mehreren polaren Lösungsmitteln gelöst ist.

2. Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes zur Bildung des Elektrolyten (5) verwendete Lösungsmittel eine aromatische und/oder aliphatische Struktur aufweist, und mindestens einen Rest einer chemischen Verbindung N-CF₃, N-SO₂-F, N-CO-CH₃, N-SO₂-N, R-SO₂-N, R-SO-R, N-CO-N, N-CS-N oder N-CF₂-N aufweist.

3. Elektrochemische Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Bildung des Elektrolyten (5) verwendeten Lösungsmittel mindestens einen Rest in Form von CH₃, (CH₃)₃, COCH₃CF₃, SO₂-CF₃, SO₂F, eines Phenyls, eines Halogens oder eines Pseudohalogens enthalten.

4. Elektrochemische Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Elektrolyten (5) bildende chemische Verbindung Lithiumjodid oder Natriumjodid ist.

5. Elektrochemische Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Elektroden (3, 4) aus einem Triaromatmethanpolymer hergestellt sind.

6. Elektrochemische Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Elektroden (3, 4) aus Polyacetylen gefertigt sind.

7. Elektrochemische Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Elektrolyten (5) bildende Lithiumjodid oder Natriumjodid in einem Gemisch aus Nitrobenzol und Dimethylacetamid oder Nitrobenzol und Dimethylsulfoxid gelöst ist, und die Lösungsmittel in einem Verhältnis 1 : 1 in dem Gemisch enthalten sind.