DE10315209A1

DE10315209A1 - Fest-Elektrolyt mit hoher Ionen-Leitfähigkeit

Info

Publication number: DE10315209A1
Application number: DE10315209A
Authority: DE
Inventors: Haruo Sawa
Original assignee: Nippon Kodoshi Corp
Current assignee: Nippon Kodoshi Corp
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2004-05-06
Also published as: CA2424386A1; HK1061865A1; JP2004146208A; CN1491982A; US7238445B2; CA2424386C; CN1272378C; US20040081892A1; JP4081343B2

Abstract

Hoch ionenleitfähiger Festelektrolyt, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer komplexen Verbindung besteht, die Wasser beinhaltet und die Zirkonsäureverbindung, Polyvinylalkohol und eine Verbindung einer Carboxylgruppe aufweist oder Zirkonsäureverbindung, Polyvinylalkohol und ein Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe.

Description

Hintergrund der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Protonen leitenden Festelektrolyten mit hoher Ionenleitfähigkeit oder einen Hydroxydionen leitenden Festelektrolyten mit hoher Ionenleitfähigkeit, der anwendbar ist auf eine Brennstoffzelle oder ähnliches, und auf ein elektrochemisches System wie eine derartige Brennstoffzelle unter Verwendung des Festelektrolyten mit hoher Ionenleitfähigkeit.
Konventionell ist eine elektrolytische Vorrichtung als eine Brennstoffzelle realisiert, als ein Entfeuchter oder eine auf elektrolytischem Wege Wasserstoff erzeugende Vorrichtung, als ein elektrochemisches System, welches einen Protonen leitenden Festelektrolyten verwendet. Z.B. wird in einer Festpolymer-Brennstoffzelle elekrischer Strom und elektrische Energie gemäß einer elektrochemischen oxidativen Reaktion von an eine negative Elektrode geliefertem Wasserstoff erhalten, welche durch die folgende Formel (1) angezeigt wird, gemäß einer elektrochemischen Reduktion von Sauerstoff, der an eine positive Elektrode geliefert wird, wobei die Reduktion durch eine Formel (2) angezeigt wird, sowie gemäß einer Reaktion, die auf Protonenbewe gung in dem Elektolyt zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode basiert. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) 1/2 O₂ + 2H⁺ + 2e → H₂O (2)
Es ist eine Brennstoffzelle bekannt, bei der ein Methanol oder ähnliches anstatt von Wasserstoff als Brennstoff, der der negativen Elektrode zugeführt wird, zu verwenden. Auch in diesem Fall wird die Reaktion in einer ähnlichen Weise ausgeführt, bei der Brennstoff zur Freigabe des Protons an der negativen Elektrode elektrochemisch oxidiert wird. Somit ist es möglich, unter Verwendung des Proton leitenden Festelektrolyten zu arbeiten.
Als Beispiel für die elektrolytische Vorrichtung ist die elektrolytisch wasserstoffproduzierende Vorrichtung realisiert. Die elektrolytisch wasserstoffproduzierende Vorrichtung produziert Wasserstoff auf der Basis einer Reaktion, die zur in Verbindung mit den Formeln (1) und (2) beschriebenen Reaktion in der Brennstoffzelle umgekehrt ist. Da es möglich ist, hochreinen Wasserstoff unter Benutzung nur von Wasser und elektrischer Energie in der elektrolytisch wasserstoffproduzierenden Vorrichtung zu erhalten, ist es unnötig, einen Wasserstoffgaszylinder vorzusehen. Darüber hinaus ist es möglich, auf einfache Weise Elektrolyse auszuführen durch Einführung von reinem Wasser ohne gelösten Elektrolyt, wobei gefordert wird, den Festelektrolyten zu verwenden. Auch in der Papierindustrie ist ein ähnliches System versucht worden, um Wasserstoffperoxyd zum Bleichen herzustellen und zwar mit Hilfe der elektrolytischen Methode unter Benutzung der folgenden Formel (3) (bezugnehmend auf eine Nichtpatent-Veröffentlichung 1). O₂ + H₂O + 2e^– → HO₂ ^– + OH^– (3)
Der Entfeuchter hat eine Struktur, in der der Protonen leitende Festelektrolytfilm zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode eingebettet ist in einer Art und Wieise, die ähnlich ist der Brennstoffzelle oder der wasserstoffproduzierenden Vorrichtung. Wenn eine Spannung zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angelegt wird, wird Wasser in Protonen und Sauerstoff aufgeteilt, und zwar an der positiven Elekrode gemäß der Reaktion, wie sie durch die folgende Formel (4) angegeben wird. Das Proton bewegt sich durch den Festelektrolyten zur negativen Elektrode, um einer Reaktion unterworfen zu werden, die durch eine Formel (5) angegeben ist. Als Resultat bildet die Verbindung des Protons mit dem Sauerstoff der Luft Wasser. Als Resultat dieser Reaktionen bewegt sich Wasser von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode, so dass in der positiven Elektrode die Entfeuchtung ausgeführt wird. H₂O → 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^– (4) 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (5)
Es ist ebenso möglich, Wasser aufzuspalten und Feuchtigkeit zu eliminieren, indem das Prinzip der Operation verwendet wird, das der elektrolytisch wasserstofferzeugenden Vorrichtung gleicht. Vorgeschlagen wird eine Klimaanlage kombiniert mit einer feuchtigkeitsverdunstenden Kaltblasvorrichtung (bezugnehmend auf eine Nichtpatent-Veröffentlichung 2).
In jedem der oben angegebenen Systeme wird als Festelektrolyt eine Ionenaustauschmembrane vom Perflour-Schwefelsäuretyp benutzt, repräsentiert von Nafion. Darüber hinaus sind verschiendene Arten von Sensoren, elektrochromischer Vorrichtung und dergleichen im wesentlichen ein System, das auf einer prinzipiellen Arbeitsweise ähnlich der oben angegebenen basiert. Weil diese Systeme betrieben werden, wenn das Proton in dem Elektro lyten zwischen einem Paar von positiven und negativen Elektroden bewegt wird, die jeweils Reduktion und. Oxydation ausführen, ist es möglich, den Proton leitenden Festelektrolyten zu verwenden. Z.Zt. wird experimentelles Studium im Hinblick auf diese Systeme betrieben, die Proton leitende Festelektrolyte benutzen.
Für einen Wasserstoffsensor wird eine Variation des Elektrodenpotentials, basierend auf der Wasserstoffkonzentration verwendet. Vorgeschlagen wird beim Wasserstoffsensor als Elektrolyten den Festelektrolyten zu verwenden, der fast ausschließlich aus Polyvinylalkohol besteht (bezugnehmend auf eine Nichtpatent-Veröffentlichung 3). Weiterhin ist es ebenso möglich, ihn auf einen Feuchtigkeitssensor anzuwenden die Variation des Elektrodenpotentials oder der Innenleitfähigkeit verwendend.
Wenn ein elektrisches Feld an die negative Elektrode der elektrochromischen Vorrichtung angelegt wird unter Benutzung von WO₃ oder ähnlichem, macht die elektrochromische Vorrichtung eine Farbe auf der Basis der durch die folgende Formel (6) angezeigten Reaktion und kann als eine Anzeigevorrichtung oder ein lichtundurchlässiges Glas verwendet werden. In diesem System wird Sn(HPO₄) H₂O als Festelektrolyt vorgeschlagen, welches eine anorganische Verbindung ist (bezugnehmend auf eine Nichtpatent-Veröffentlichung 4). WO₃ + xH^– + xe^– → HxWO₃ (Färbung) (6).
Zusätzlich gibt es eine Primärbatterie, eine Sekundärbatterie, einen optischen Schalter und ein elektrolytisch Wasser produzierendes Gerät als elektrochemisches Sytem, das im Prinzip unter Benutzung des Proton leitenden Festelektrolyten arbeitet. Z.B. wird in einer Nickelhydridbatterie der sekundären Batterie eine Wasserstoff speichernde Legierung als negative Elektrode benutzt, ein Nickelhydroxyd wird als positive Elektrode benutzt und eine alkalische elektrolytische Lösung wird als elektrolytische Lösung benutzt. Wie durch die Formel (7) und (8) angezeigt geschieht die elektrochemische Reduktion und Oxydation bezüglich des Protons in der negativen Elektrode und Wasserstoff wird in der Wasserstoff speichernden Legierung gespeichert und zwar beim Laden und Entladen. (Laden) H₂O + e^– → H(speichernd) + OH^– (7) (Entladen) H(speichernd) + OH^– → H₂O + e^– (8).
Wie durch die Formeln (9) und (10) angezeigt, geschieht die elektrochemische Oxydation und Reduktion im Hinblick auf das Nickelhydroxyd.
(Laden) Ni(OH)₂ + OH^– → NiOOH + H₂O + e^– (9) (Entladen) NiOOH + H₂O + e^– → Ni(OH)₂ + OH^– (10).
Die Lade- und Entladereaktion hält in der Batterie an, während das Proton oder das Hydroxyd-Ion in dem Elektrolyt sich bewegt. Obwohl es möglich ist, im Prinzip den Proton leitenden Festelektrolyten zu benutzen, wird die alkalische elektrolytische Lösung im Stand der Technik benutzt.
Es wird vorgeschlagen in dem optischen Schalter Yttrium als negative Elektrode zu benutzen (bezugnehmend auf eine Nichtpatent-Veröffentlichung 5). Wenn mit dem elektrischen Feld beaufschlagt wird Yttrium wie durch die Formel (11) angezeigt hydriert, um es dem Licht zu erlauben hindurchzugehen. Als Ergebnis ist es möglich, zwischen der Lichttransmission und der Nichtlichttransmission mittels des elektrischen Feldes hin- und her zu schalten. Obwohl es möglich ist, den Proton leitenden Festelektrolyten im Prinzip in diesem System zu benutzen, wird im Stand der Technik die alkalisch elektrolytische Lösung benutzt. Y + 3/2H₂O + 3e^– → YH₃ + 3OH (11)
Das elektrolysierte Wasser ist Wasser, das durch die elektrolysierende Reaktion hergestellt wird. Obwohl die Verfügbarkeit zwischen der Reduktionsseite und der Oxydationsseite verschieden ist, hat das elektrolysierte Wasser seinen Nutzen in einem gesundheitlichen Effekt, einer bakterientötenden Wirkung, einer reinigenden Wirkung und im Wachstum von Agrarprodukten. Es ist möglich, elektrolysiertes Wasser als Trinkwasser, Brauchwasser, Reinigungswasser, landwirtschaftliches Wasser oder ähnliches zu benutzen. Die elektrolysierende Reaktion wird durchgeführt, wenn das Wasser den Elektrolyten aufweist. Wenn der Elektrolyt in Wasser gelöst ist, ist es oft notwendig, den Elektrolyten aus dem Wasser zu entfernen, um das Wasser benutzen zu können. Wenn der Festelektrolyt als Elektrolyt benutzt wird, ist es nicht notwendig, den Festelektrolyten aus dem Wasser zu entfernen.
Allerdings liegt ein Problem darin, dass der Elektrolyt vom Perflour-Schwefelsäuretyp teuer wegen der Komblexität des Herstellungsprozesses ist, obwohl der Elektrolyt vom Perflour-Schwefelsäuretyp in der Brennstoffzelle, der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, dem Entfeuchter oder ähnlichem benutzt wird, was im Stand der Technik realisiert ist, wie das elektrochemische System, das den Proton leitenden Festelektrolyten benutzt. Infolge ökonomischer Massenproduktion wird erwartet, dass ein Niedrigpreiselektrolyt hergestellt wird. Allerdings gibt es eine Begrenzung des Niedrigpreises. Es wird gewünscht, dass eine billige Alternative bald angeboten wird.
Übrigens wandert das Proton mit hoher Geschwindigkeit infolge des Wassers, das in dem Festkörper in dem Proton leitenden Festelektrolyten enthalten ist, der bei Normaltemperatur arbeitet. Als Ergebnis ist es nötig, dass das Ausweich-Element genügend Wasserabsorption aufweist. Insbesondere muss der Proton leitende Festelektrolyt darüber hinaus Wasserresistenz haben, weil der Proton leitende Festelektrolyt meistens in einer feuchten Umgebung benutzt wird. Im konventionellen Elektrolyten vom Perfluor-Schwefeltyp transportiert das Wasser, das in der hochhydrophilen Sulfonsäuregruppe absorbiert ist, das Ion, und die Poly-fluorethylenskelettstruktur hat die Aufgabe, die Wasserbeständigkeit, die chemische Stabilität und die Beständigkeit gegen hohe Temperaturen aufrechtzuerhalten.
Der Polyvinylalkohol ist ein Beispiel von Hydrocarbonpolymeren, der hochhydrophil und billig ist. Es ist möglich, das Material mit der Protonleitfähigkeit zu benutzen, indem Phosporsäure in den Polyvinylalkohol gemischt wird, als Wasserstoffsensor oder ähnliches. Obwohl das Proton mit hoher Geschwindigkeit wandert, weil der Polyvinylalkohol eine hohe Wasserabsorption aufweist, gibt es ein Problem, das darin besteht, dass die Materialstabilität in der feuchten Umgebung gering ist, da der Polyvinylalkohol in Wasser löslich ist.
Eine anorganische hydrierte Verbindung ist als weiteres Material bekannt, das eine hochhydrophile Eigenschaft und eine hohe Festigkeit und Wasserresistenz aufweist. Beispielsweise absorbiert das hydrierte Glas von P₂O₅-ZrO₂-SiO₂ das mit Hilfe des sogenannten SOL-GEL-Verfahrens hergestellt wird, viel Wasser, um eine hohe Protonleitfähigkeit zu haben und das nicht in Wasser lösbar ist. Das hydrierte Glas hat eine hohe Stabilität bei hoher Temperatur, was spezifisch ist für die anorganische Verbindung (bezugnehmend auf Nichtpatent-Veröffentlichung 6).
Allerdings haben alle anorganischen hydrierten Verbindungen als gemeinsamen Schwachpunkt ihre Sprödigkeit. Insbesondere ist es schwierig, diese anorganischen Verbindungen zu einem dünnen Film zu formen, der bei der Benutzung des Festelektrolyten gefordert wird. Darüber hinaus wird als Material in dem SOL-GEL-Verfahren ein teueres Metallaloxid verwendet und es ist auch schwierig, die Ausrüstungskosten für die Herstellung zu reduzieren, da ein organisches Lösungsmittel wie Alkohol in dem SOL-GEL-Verfahren benutzt wird. Obwohl es möglich ist Pulver des obengenannten Sn(HPO₄)·H₂O aufzutragen, welches in der elektrochromischen Vorrichtung benutzt wird, ist es schwierig, das obengenannte Sn(HPO₄)·H₂O zu einem Film zu formen, der eine hohe Festigkeit und eine Gasdiffusionsverhinderungsfunktion hat, die in der Brennstoffzelle oder ähnlichem gefordert werden. Hinzu kommt, dass Molybdophosphorsäure und Wolframphosphorsäure als anorganische Verbindungen berichtet werden, von denen jede eine hohe Leitfähigkeit besitzt (bezugnehmend auf eine Nichtpatent-Veröffentlichung 7). Die Molybdophosphorsäure wird dargestellt durch die Formel H₃MoPO₄₀·29H₂O. Die Wolframphosphorsäure wird dargestellt durch die Formel H₃WPO₄·29H₂O. Darüber hinaus werden ZrO₂nH₂O, SnO₂·H₂O und Ce (HPO₄)₂ als anorganische Verbindungen berichtet, die eine hohe Leitfähigkeit aufweisen (bezugnehmend auf eine Nichtpatent-Veröffentlichung 8). Es ist schwierig, den dünnen Film selbst unter Verwendung der Molybdophosphorsäure, der Wolframphosphorsäure oder anderen Materialien herzustellen.
Es ist ein Mittel vorgeschlagen worden, welches das hydrophile organische Polymer mit der anorganischen Verbindung kombiniert als Verfahren, die Defekte des hydrophilen organischen Polymers und der anorganischen Verbindung zu überwinden. Beispielsweise wird ein Proton leitendes Material vorgeschlagen, welches durch chemische Bindung von Silicid an Polyethylenoxyid in einer Nanotechnologie erhalten wird, bezugnehmend auf eine Patentveröf fentlichung 1. Obwohl das Polyethylenoxyd ein billiges und hydrophiles organisches Polymer ähnlich Polyvinylalkohol ist, löst sich das Polyethylenoxyd in Wasser wenn es einzeln benutzt wird. Aber es ist möglich, dem Polyethylenoxyd die Wasserresistenz zu geben, wenn das Polyethylenoxyd mit Silicid unter Verwendung des SOL-GEL-Verfahrens kombiniert wird. Allerdings ist es schwierig, ein Verbindungsmaterial ausser mit dem SOL-GEL-Verfahren zu erhalten. Was die anderen Verfahren betrifft, werden diese hier nicht beschrieben. Daher gibt es ein Problem, das darin besteht, dass es schwierig ist die Materialkosten und die Herstellungskosten zu reduzieren. Bezugnehmend auf eine Patentveröffentlichung 2 wird ein Ion leitendes Material vorgeschlagen, welches durch die Kombination der organischen Verbindung wie z.B. Polyethylenoxyd mit der anorganischen Verbindung wie z.B. das Silicid und ein Proton leitendes Zusatzagenz wie die Wolframphosphorsäure oder die Molybdophosphorsäure erhalten wird. Allerdings wird in der Patentveröffentlichung 2 lediglich das Kombinationsverfahren beschrieben, das auf dem SOL-GEL-Verfahren beruht.
Alle oben beschriebenen konventionellen Festelektrolyte sind jeweils sauer. Das Material, welches als Elektrode benutzt wird oder anderes systemkonfigurierendes Material ist auf ein Material beschränkt, das Säureresistenz aufweist, wie z.B. Edelmetall. Im Ergebnis ist es schwierig, die Kosten des Gesamtsystems zu reduzieren. wenn der Festelektrolyt sauer ist, ist es schwierig, den Elektrolyten in der Primärbatterie, der Sekundärbatterie und dem optischen Schalter zu verwenden, weil die Elektrode und das aktive Material durch den Festelektrolyten vermindert werden. Darüber hinaus kann der alkalische Flüssigelektrolyt lecken, der in einer konventionellen Primärbatterie und der konventionellen Sekundärbatterie benutzt wird.
Andererseits wird ein Gel-Elektrolyt vorgeschlagen, in dem ein wässriger Elektrolyt wie z.B. eine alkalisch elektrolytische Lösung mittels polyacrylischer Säure geliert wird (bezugnehmend auf eine Nichtpatent-Veröffentlichung 9). Obwohl der Gel-Elektrolyt im wesentlichen nicht der Festelektrolyt ist, weist der Gel-Elektrolyt eine hohe Ionenleitfähigkeit auf, die ungefähr gleich ist der des wässrigen Elektrolyten. Darüber hinaus ist der Gel-Elektrolyt billig und es ist möglich, ein Ausfließen der elektrolytischen Lösung zu verhindern. Allerdings weist der Gel-Elektrolyt nicht genügend Festigkeit auf und er hat eine geringe Fähigkeit, Diffusion von Gasionen zu verhindern. Daher wird der Gel-Elektrolyt lediglich in begrenzten Anwendungen benutzt.
(Patentveröffentlichung 1) Ungeprüfte Patentveröffentlichung Tokkai 2001-90946
(Patentveröffentlichung 2) Ungeprüfte Patentveröffentlichung Tokkai 2001-35509
(Nichtpatent-Veröffentlichung 1) Electrochemistry, 69, Nr. 3, 154-159 (2001)
(Nichtpatent-Veröffentlichung 2) Gesammelte Blätter der nationalen Vorlesung im Institut der Elektroingenieure, P3373 (2000)
(Nichtpatent-Veröffentlichung 3) Sensoren und Aktuatoren, 11, 377-386 (1987)
(Nichtpatent-Veröffentlichung 4) Bull. Chem. Soc. Jpn, 60, 747-752 (1987)
(Nichtpatent-Veröffentlichung 5) J. Electrochem. Soc. Vol. 143, Nr. 10, 3348-3353 (1996)
(Nichtpatent-Veröffentlichung 6) J. Electrochem. Soc. Vol. 144, Nr. 6, 2175-2178 (1997)
(Nichtpatent-Veröffentlichung 7) Chem. Lett., 17 (1979)
(Nichtpatent-Veröffentlichung 8) Electrochemistry, 69, Nr. 1 (2001)
(Nichtpatent-Veröffentlichung 9) Electrochemistry, 659 bis 663, Nr. 9 (2001)
Zusammenfassung der Erfindung:
Um die Probleme der obengenannten konventionellen Ionen leitfähigen Festelektrolyten zu lösen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hoch- Ionen- leitfähigen Festelektrolyten mit geringem Preis anzugeben, der eine organische und anorganische Verbindung mit Wasser absorbierender Eigenschaft und wasserresistenter Eigenschaft benutzt. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrochemisches System anzugeben, welches den hoch- Ionen- leitfähigen Festelektrolyten verwendet.
Um die obengenannten Aufgaben zu lösen, wird ein hoch- Ionenleitfähiger Festelektrolyt angegeben, der dadurch charakterisiert ist, daß er aus einer Komplexverbindung zusammengesetzt ist, die Wasser enthält, und die eine Zirkonsäureverbindung aufweist, Polyvinylalkohol und eine Verbindung mit einer Carboxylgruppe, oder die eine Zirkonsäureverbindung aufweist, Polyvinylalkohol und ein Metallsalz der Verbindung, die die Carboxylgruppe aufweist. Die Komplexverbindung wird hergestellt durch Entfernung unnötigen Salzes nach der Neutralisierung der wässrigen Lösung, die das Zirkonsalz oder Oxyzirkonsalz und Polyvinylalkohol zusätzlich zu einer Verbindung mit der Carboxylgruppe oder ein Metallsalz der Verbindung, die die Carboxylgruppe aufweist, und zwar mittels einer Base und durch Entfernen des als Lösungsmittel benutzten Wassers. Weiterhin wird ein elektrochemisches System angegeben, das den hoch- Ionenleitfähigen Festelektrolyten verwendet.
Die komplexe Verbindung, die Wasser beinhaltet, besteht aus Zirkonsäureverbindung, Polyvinylalkohol und einer Verbindung mit einer Carboxylgruppe oder sie besteht aus Zirkonsäureverbindung, Polyvinylalkohol und Metallsalz der Verbindung, die die Carboxylgruppe aufweist, beinhaltet mindestens ein Element aus folgender Auswahl: Aluminium, Silicium, Bor, Phosphor, Titan, Wolfram, Molybdän, Zinn, Calcium, Strontium und Bariumverbindung. Im Falle des Neutralisationsverfahrens beinhaltet die wässrige Lösung mit dem Zirkonsalz oder dem Oxyzirkonsalz mindestens ein Element aus folgender Auswahl: Aluminiumsalz, Ti.tansalz, Calciumsalz, Strontiumsalz, Bariumsalz und Borsäure. Alternativ kann das Alkali für die Neutralisierung der wässrigen Lösung mindestens ein alkalisches Metallsalz beinhalten, welches ausgewählt ist aus: Silikat, Borat, Phosphat, Wolframat, Molybdat und Zinnat. Die hergestellte Komplexverbindung beinhaltet mindestens ein Element aus folgender Auswahl: Aluminium, Silicium, Bor, Phosphor, Titan, Wolfram, Molybdän, Zinn, Calcium, Strontium und Bariumverbindung. Zusätzlich ist das Verhältnis des spezifischen Gewichts zum Polyvinylalkoholgewicht ein Verhältnis zwischen 0,1 und 0,2. Das spezifische Gewicht ist gleich einem Gewicht, welches erhalten wird, wenn angenommen wird, daß jede Carboxylgruppe eine Form von – COOH in der Polyacrylsäure oder dem Metallsalz der Polyacrylsäure aufweist. Ein Verhältnis von Zirkcnsäure-Verbindungsgewicht konvertiert in ZrO₂ Gewicht zum Polyvinylalkoholgewicht ist nicht kleiner als 0,05. Ein Verhältnis von Siliziumsäureverbindungsgewicht konvertiert in SiO₂ Gewicht zum Polyvinylalkoholgewicht ist ein Verhältnis zwischen 0,016 und 0,097. Ein Verhältnis des Phosphorverbindungsgewichts konvertiert in P₂O₅ Gewicht zum Polyvinylalkoholgewicht ist nicht geringer als 0,023. Die Komplexverbindung wird einer Tauchbehandlung in einer alkalischen Lösung unterworfen.
Es ist möglich, dies auf ein elektrochemisches System wie eine Brennstoffzelle, eine Dampfpumpe, einen Entfeuchter, eine Klimaanlage, eine elektrochromische Vorrichtung, eine elektrolytische Vorrichtung, eine elektrolytisch Wasserstoff produzierende Vorrichtung, eine elektrolytisch Wasserstoffperoxyd produzierende Vorrichtung, eine elektrolytisch Wasser produzierende Vorrichtung, einen Feuchtigkeitssensor, einen Wasserstoffsensor, eine Primärbatterie, eine Sekundärbatterie, ein optisches Schaltsystem oder ein neues Batteriesystem mit einem multivalenten Metall anzuwenden.
Gemäß dem hoch- Ionen- leitfähigen Festelektrolyten und dem elektrochemischen System, das den hoch- Ionen- leitfähigen Festelektrolyten verwendet, ist es möglich, den hoch- Ionen- leitfähigen Festelektrolyten mittels eines einfachen Verfahrens herzustellen, in welchem das Zirkonsalz oder das Oxyzirkonsalz und andere zusätzliche Salze in der Lösung neutralisiert werden, die den Polyvinylalkohol und die Verbindung mit der Carboxylgruppe oder einem Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe aufweist. Auf der Basis der obengenannten Neutralisierung und der Wärmebehandlung nach der Neutralisation tritt Kondensationspolymerisation im Hinblick auf die Zirkonsäureverbindung und die Verbindungen auf, die von den anderen zusätzlichen Salzen erzeugt wurden. Zwischen diesen Verbindungen, dem Polyvinylalkohol und der Verbindung mit der Carboxylgruppe oder dem Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe tritt im Mikrobereich eine Verflechtung auf. Als Ergebnis ist es möglich, die Komplexverbindung zu bilden. Weil sowohl der Polyvinylalkohol als auch die Verbindung mit der Carboxylgruppe oder das Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe, als auch die Zirkonsäureverbindung und die anderen zusätzlichen Verbindungen hydrophilisch sind, hat die Komplexverbindung die Fähigkeit, viel Wasser zu enthalten. Dieses Wasser wirkt als ein Medium, das Protonen oder Hydroxidionen bei hoher Geschwindigkeit diffundieren lässt.
Die organische Komponente wie z.B. Polyvinylalkohol und die Verbindung mit der Carboxylgruppe oder das Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe sind stark mit der anorganischen Komponente verbunden, wie z.B. Zirkonsäureverbindung und die anderen zusätzlichen Verbindungen, und zwar durch Wasserstoffbindung oder durch Dehydrationskondensation in der komplexen Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung. Daher wird die Komplexverbindung in heißem Wasser nicht gelöst und es ist möglich, eine stabile Physikalität in einer Hochtemperatur und feuchten Umgebung beizubehalten, obwohl die Komplexverbindung hydrophilisch ist.
Sogar wenn ein komplexes Material die Verbindung mit der Carboxylgruppe oder das Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe nicht beinhaltet, ist es für das komplexe Material möglich, eine ziemlich hohe Ionenleitfähigkeit aufzuweisen. In dem Falle, daß der hergestellte Festelektrolyt in einer Anwendung verwendet wird, die eine hohe Ionenleitfähigkeit unter einer alkalischen Form erfordert, wie z.B. eine Primärbatterie oder eine Sekundärbatterie, ist die Fähigkeit des hergestellten Festelektrolyten nicht ausreichend. Andererseits hat der Festelektrolyt, der die Verbindung mit der Carboxylgruppe oder das Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe aufweist, eine ausreichend hohe Ionenleitfähigkeit, da die Konzentration der dissoziierten Hydroxidionen in der alkalischen Form ansteigt. Die komplexe Verbindung hat eine hohe Festigkeit und Flexibilität und es ist leicht die Komplexverbindung zu einem dünnen Film zu machen. Obwohl eine hohe Ionenleitfähigkeit lediglich durch Zirkonsäureverbindung gegeben ist, ist es möglich, die hohe Ionenleitfähigkeit zu erhalten oder zu verbessern, wenn die hergestellte Komplexverbindung mindestens ein Element aus folgender Auswahl beinhaltet: Aluminium, Silicium, Bor, Phosphor, Titan, Wolfram, Molybdän, Zinn, Calcium, Strontium und Bariumverbindung. Die Komponenten wie z.B. Silicium und Phosphor machen, daß die Uniformität der Komplexverbindung gut ist. Als Ergebnis ist es möglich, die Komplexverbindung zu einem dünnen Film mit einer guten Kondition herzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung:
1 ist ein Graph, um die Feuchtigkeitsabhängigkeit der Ionenleitfähigkeit im Hinblick auf jede Probe darzustellen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindungen: Beschrieben wird ein hoch- Ionen- leitfähiger Festelektrolyt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein elektrochemisches System, welches den hoch- Ionen- leitfähigen Festelektrolyten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Bei der vorliegenden Erfindung besteht der Festelektrolyt aus einer komplexen Verbindung im Mikrobereich aus Polyvinylalkohol, einer Verbindung mit einer Carboxylgruppe oder einem Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe, Zirkonsäureverbindung, Aluminium, Silicium, Bor, Phosphor, Titan, Wolfram, Molybdän, Zinn, Calcium, Strontium und Bariumverbindung, die in einer wässrigen Lösung hergestellt wird. Die Komplexverbindung ist billig und hat eine hohe Ionenleitfähigkeit in einer alkalischen Form. Die vorliegende Erfindung gibt einen Proton- oder Hydroxidion- leitenden Festelektrolyten an, der eine hohe Wasserresistenz aufweist, sowie ein elektrochemisches System, welches den Festelektrolyten verwendet.
In der vorliegenden Erfindung weist die wässrige Rohlösung Zirkonsalz oder Oxydzirkonsalz und andere Additive auf wie z.B. Aluminiumsalz, Titansalz, Calciumsalz, Strontiumsalz, Bariumsalz oder Borsäure zusätzlich zu Poyvinylalkohol und der Verbindung mit der Carboxylgruppe oder dem Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe. Die wässrige Rohlösung wird durch eine Base neutralisiert, die alkalische Metallsalze der Siliciumsäure, Borsäure, Phosphorsäure, Wolframsäure, Molybdänsäure oder Zinnsäure aufweist. Nach Entfernung des als Lösungsmittel benutzten Wassers wird die als Festelektrolyt benutzte Komplexverbindung, die zusammengesetzt ist aus Zirkonsäureverbindung, Aluminium, Silicium, Bor, Phosphor, Titan, Wolfram, Molybdän, Zinn, Calcium, Strontium und Bariumverbindung zusätzlich zu dem Polyvinylalkohol und der Verbindung mit, der Carboxylgruppe oder dem Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe und Wasser, durch Entfernen unnötigen Salzes erhalten.
Die Beschreibung wird fortgesetzt mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Beschreibung der Ausführungsform beschränkt.
(Ausführungsform 1)
Zur Herstellung eines elektrolytischen Films wird eine vorbestimmte Menge von Zirkonoxychlorid- oktahydrat (ZrCl₂O·8H₂O) in 2 Gew-% Lösung 80cc von Polyvinylalkohol gelöst, welche eine mittlere molekulare Masse von 120000-190000 und einen Verseifungsgrad von 87-89% aufweist, zusätzlich zur Polyacryl- Säure mit einer mittleren Molekularmasse von 140000 gelöst, um die wässrige Rohlösung zu erhalten. Natriumhydroxid von 1M- Konzentration wird in die wässrige Rohlösung unter Rühren getropft, bis der PH-Wert nicht kleiner als 10 ist. Danach wird die Lösung in zwei Petrischalen geschüttet, von denen jede einen Durchmesser von 90 mm aufweist, und bei einer Temperatur von 50°C getrocknet , um das als Lösungsmittel benutzte Wasser zu entfernen. Nach dem Trockungsprozeß wird ein in jeder Petrischale verbleibender Film aus der Petrischale abgestreift, um einer Wärmebehandlung in einem Ofen bei einer Temperatur von 100°C für drei Stunden in Luft unterzogen zu werden. Darüber hinaus wird der Film gereinigt oder gewaschen in heißem Wasser von 70-80°C, und zwar nach der Wärmebehandlung. Der elektrolytische Film, der nach dem obengenannten Prozeß hergestellt worden ist, wird einer Tauchbehandlung unterworfen, in der der elektrolytische Film in eine Natriumhydroxydlösung von ungefähr 0,05M-Konzentration bei Raumtemperatur für drei Stunden getaucht wird, um eine alkalische Form des elektrolytischen Films zu erzeugen. Alternativ wird der elektrolytische Film einer Tauchbehandlung unterworfen, bei der der elektrolytische Film in eine Natriumsilikatlösung von 0,5M in gleicher Weise wie oben beschrieben getaucht wird. Alternativ wird der elektrolytische Film einer Tauchbehandlung unterworfen, bei der der elektrolytische Film in Natriumkarbonatlösung von 0,5M in der gleichen Weise wie oben beschrieben getaucht wird. In jedem Fall wird die Probe einem Trockungsverfahren nach dem Tauchverfahren unterworfen und die Oberfläche der Probe wird nach dem Trockungsprozeß abgewischt.
Die in der oben beschriebenen Weise hergestellten Proben sind als Proben Nr. 1 bis Nummer 10 in Tabelle 1 vorgestellt. Der Anteil an Polyacryl- Säure ist als Verhältnis des spezifischen Gewichts zum Polyvinylalkoholgewicht in jeder Probe in Tabelle 1 dargestellt. Das spezifische Gewicht ist gleich einem Gewicht, das erhalten wird, wenn angenommen wird, daß jede Carboxylgruppe eine Form von -COOH in der Polyacryl- Säure aufweist.
Zusätzlich ist der Anteil von Zirkonsäureverbindung in ZrO₂ Gewicht in jeder der Proben Nr. 1 bis Nr. 10 in Tabelle 1 konvertiert und wird als Verhältnis von ZrO₂ konvertiertem Gewicht zu Polyvinylalkohol-Gewicht in Tabelle 1 repräsentiert. Jede der Proben Nr. 1 bis Nr. 5 wird der Tauchbehandlung nicht unterworfen. Tabelle 1 Ionenleitfähigkeit eines elektrolytischen Films aus einem Polyvinylalkohol/Polyacrylsäure; Zirkonsäurekomplex
Die durch Verbindung der Zirkonsäureverbindung erhaltenen Proben, deren Verhältnis des ZrO₂ konvertierten Gewichts zum Polyvinylalkohol nicht geringer als 0,05 ist, werden nicht gelöst, um in einer Filmform erhalten zu bleiben, sogar wenn jede der Proben in heißem Wasser während einer Stunde gewaschen wird, das nicht kälter als 70 °C ist . Jede der Proben weist eine hohe Wasserresistenz auf. Die Filmprobe, die zum Vergleich mit lediglich Polyvinylalkohol ohne die Zirkonsäureverbindung produziert wurde, und zwar in ähnlicher Weise wie oben beschrieben, wird bald in heißem Wasser aufgelöst. Weil nämlich die lediglich den Polyvinylalkohl aufweisende Probe eine geringere Wasserresistenz aufweist. Darüber hinaus, obwohl die Filmprobe, die lediglich mit Polyvinylalkohol und Polyacryl- Säure hergestellt worden ist, nicht schnell in heißem Wasser gelöst werden kann, ist es unmöglich, in ausreichender Weise die Filmform beizubehalten. Wie man wohl aus den obengenannten Ergebnissen ersieht, ist die Wasserresistenz des Polyvinylalkohols und der Polyacryl- Säure erheblich verbessert durch die Verbindung der Zirkonsäureverbindung.
Die Messung der Ionenleitfähigkeit wird im Hinblick auf jede der hergestellten Filmproben auf der Basis einer folgenden Methode durchgeführt: Jede der Proben ist in eine kreisförmige Probe mit einem Durchmesser von 30 mm geschnitten. Die kreisförmige Probe wird zwischen zwei kreisförmigen Platinplatten eingeschlossen, von denen jede einen Durchmesser von 28 mm aufweist. Auf der Außenseite jeder kreisförmigen Platinplatte wird eine kreisförmige Messingplatte angeordnet. Darüber hinaus werden sie mittels eines isolierenden Clips geklammert. Eine Wechselspannung von 10mV wird an eine an den kreisförmigen Messingplatten befestigten Leitung unter Verwendung eines LCR- Meßgeräts angelegt, wobei die Frequenzen zwischen 5 MHz und 50 MHz variieren. Messwerte werden im Hinblick auf den Strom und den Phasenwinkel gemessen. Die Ionenleitfähigkeit wird auf der Basis eines Durchmessers eines Halbkreises des COLE-COLE-Plots berechnet, welcher im allgemeinen verwendet wird. Übrigens ist jede der Proben in einem Gefäß mit konstanter Temperatur und Feuchtigkeit positioniert, welches auf die Temperatur von 50°C und die relative Feuchtigkeit von 90% bei der Messung geregelt wird. Die Messergebnisse in Tabelle 1 werden im folgenden beschrieben.
Die Proben Nr. 1 bis Nr. 5 sind nicht der Tauchbehandlung in alkalischer Lösung unterworfen. Die Probe 1, die die Polyacryl-Säure nicht beinhaltet, hat eine niedrige Leitfähigkeit in der Größenordnung von 10^–7S/cm. Andererseits wächst die Ionenleitfähigkeit, wenn Polyacryl-Säure enthalten ist. In dem Fall, daß 0,05 der Polyacryl-Säure im Verhältnis des Polyacryl-Säure konvertierten Gewichts zum Polyvinylalkoholgewicht enthalten ist, hat jede der Proben eine hohe Ionenleitfähigkeit, die in der Größenordnung von 10^–6S/cm ist. In dem Falle, daß sie o,1 oder mehr der Polyacryl- Säure im Verhältnis zum Polyacryl- Säure konvertierte Gewicht zum Polyvinylalkoholgewicht beinhaltet, hat jede Probe eine hohe Ionenleitfähigkeit in der Größenordnung von 10^–5S/cm. Die Proben Nr. 6 bis 10 werden der Tauchbehandlung in alkalischer Lösung respektive jeweils der Proben Nr. 1 bis Nr. 5 unterworfen. Die Ionenleitfähigkeit steigt in jeder Probe durch die Tauchbehandlung in alkalischer Lösung an. Jede der Proben hat eine hohe Ionenleitfähigkeit in der Größenordnung von 10^–4S/cm in dem Falle, daß sie 0,1 oder mehr von Polyacryl- Säure im Verhältnis des Polyacrylsäure konvertierten Gewichts zum Polyvinylalkohlolgewicht beinhaltet.
Obwohl es möglich ist, die hohe Ionleitfähigkeit beizubehalten, sogar wenn der Gehalt von Polyacryl- Säure auf 0,3 anwächst im Verhältnis zum Polyacrylsäure konvertierten Gewicht zum Polyvinylalkoholgewicht, nimmt die Festigkeit des Films entscheidend beim Heißwasserwaschprozeß der Herstellung ab, so daß es schwierig ist, den Film zu handhaben, wenn der Gehalt an Polyacryl-Säure auf 0,3 anwächsts im Verhältnis des Polyacrylsäure konvertierten Gewichts zum Polyvinylalkoholgewicht. Darüber hinaus kann die Nichtuniformität in dem Film anwachsen. Unter diesen Umständen wird bevorzugt, daß der Gehalt an Polyacryl-Säure zwischen 0,1 und 0,2 liegt im Verhältnis des Polyacrylsäuregewichts zum Polyvinylalkoholgewicht. Zusätzlich ist es möglich, die hohe Ionenleitfähigkeit zu erhalten, sogar wenn der Gehalt an Zirkonsäureverbindung auf 0,05 schrumpft im Verhältnis des Zirkonsäureverbindungsgewichts zum Polyvinylalkoholgewicht (Probe Nr. 11). Übrigens ist es in dem Falle, wenn die Proben anstatt der alkalischen Tauchbehandlung einer Säuretauchbehandlung unterworfen werden, schwierig, die hohe Ionenleitfähigkeit im Vergleich mit der alkalischen Tauchbehandlung zu erhalten. Die der Säuretauchbehandlung unterworfenen Proben haben Ionenleitfähigkeiten, die fast gleich sind der Proben, die weder der Säuretauchbehandlung noch der alkalischen Tauchbehandlung unterworfen worden ist.
Die Proben Nr. 12 bis Nr. 26 werden unter Anwendung des obengenannten Prozesses erhalten mit der Ausnahme, daß Aluminiumchlorid, Titaniumchlorid, Strontiumchlorid, Bariumchlorid oder Borsäure in die Primärlösung zugeführt werden, alternativ wird Natriumsilikat, tertiäres Natriumphosphat, Natriumwolframat, Natriummolybdat oder Natriumstannat in die Alkali verwendende Neutralisation zugeführt. Übrigens repräsentieren die Symbole (Al) , (Si) , (B) , (p) , (Ti) , (W) , (Mo) , (Sn) , (Ca) , (Sr) und (Ba) Zusätze von Aluminium, Silicium, Bor, Phosphor, Titan, Wolfram, Molybdän, Zinn, Calcium, Strontium und Bariumverbindung in Tabelle 1. Die obengenannten Additive sind konvertiert in Gewichte von Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃, P₂O₅, TiO₂, WO₃, MoO₃, SnO₂, CaO, SrO und BaO, und jedes der Additive ist als Gewichtsverhältnis zum Polyvinylalkohol repräsentiert. In dem Falle der Hinzufügung eines der Additive ist die Ionenleitfähigkeit in der Ordnung von 10^–4S/cm, wenn die alkalische Tauchbehandlung angewendet wird. Die Ionenleitfähigkeit wird auf der Ionenleitfähigkeit von lediglich Polyvinylalkohol, Polyacryl- Säure und Zirkonsäureverbindung gehalten oder wird im Vergleich mit der Ionenleitfähigkeit von lediglich Polyvinylalkohol, Polyacryl-Säure und Zirkonsäureverbindung verbessert. Im Falle des Hinzufügens von Silikatverbindung 0.016 oder mehr im Verhältnis des Silikatverbindungsgewichts zum Polyvinylalkohol ist es möglich, die Ionenleitfähigkeit merklich zu verbessern und zu erreichen, daß der Film eine gute Uniformität besitzt (Proben Nr. 13 bis Nr. 17). Übrigens wird es gewünscht, daß der Gehalt an Silikatverbindung in einem Bereich zwischen 0,016 und 0,097 liegt, weil die Ionenleitfähigkeit abfällt, wenn der Gehalt an Silikatverbindung mehr als 0,097 beträgt. Im Falle der Hinzufügung von Phosphorverbindung, die nicht geringer als 0,023 im Verhältnis des Phosphorverbindungsgewichts zum Polyvinylalkoholgewicht ist, ist es möglich, einen Film zu erhalten, der eine hohe Ionenleitfähigkeit und eine gute Uniformität aufweist, wie es der Fall ist bei der Silikatverbindung.
(Ausführungsbeispiel 2)
Beschrieben wird ein Beispiel, bei dem der elektrolytische Film in einer von der Ausführungsform 1 unterschiedlichen Art und Weise hergestellt worden ist. Ein bestimmter Anteil an Natriumsilikat wird in 2 Gew-% Lösung von Polyvinylalkohol gelöst, wie in Ausführungsbeispiel 1 beschrieben. Die Neutralisation wird durch Hinzufügen von Salzsäure von 1.2M-Konzentration ausgeführt, die vorgeschriebene Anteile an Zirkon-Oxychlorid- Octahydrat (ZrCl₂O·8H₂O) und Polyacryl- Säure enthält zur hergestellten Lösung. Danach wird die neutralisierte Lösung in zwei Petrischalen geschüttet, von denen jede einen Durchmesser von 90 mm hat und unter einer Temperatur von 50°C getrocknet, um das als Lösungsmittel benutzte Wasser zu entfernen. Nach dem Trocknungsprozeß wird der in jeder Petrischale verbliebene Film von der Petrischale abgestreift, um ihn einer Wärmebehandlung in einem Ofen unter einer Temperatur von 100°C für drei Stunden in Luft zu unterwerfen. Darüber hinaus wird der Film in heißem Wasser von 70 bis 80°C nach der Wärmebehandlung gereinigt. Die auf diese Art und Weise hergestellte Probe wird als Probe Nr. 27 in Tabelle 1 repräsentiert. Die Probe Nr. 27 hat eine hohe Ionenleitfähigkeit in der Größenordnung von 10^–4S/cm.
(Ausführungsform 3)
Beschrieben wird ein Beispiel, bei dem der elektrolytische Film in einer von sowohl der Ausführungsform 1 als auch der Ausführungsform 2 verschiedenen Art und Weise hergestellt worden ist. Vorbestimmte Gehalte an Natriumsilikat und Natriumpolyacrylat werden in 2 Gew-% Lösung von Polyvinylalkohol, wie in Ausführungsbeispiel 1 beschrieben, gelöst. Die Neutralisation wird ausgeführt durch Hinzufügung von Salzsäure von 1,2M-Konzentration, die eine vorbeschriebene Menge an Zirkon-Oxychlorid-Octahydrat (ZrCl₂O·8H₂O) beinhaltet, zur hergestellten Lösung. Danach wird die neutralisierte Lösung in Petrischalen gegossen, von denen jede einen Durchmesser von 90 mm aufweist, und unter einer Temperatur von 50°C getrocknet, um das als Lösungsmittel benutzte Wasser zu entfernen. Nach dem Trockungsprozeß wird der in jeder Petrischale verbleibende Film aus der Petrischale abgestreift, um ihn einer Wärmebehandlung in einem Ofen unter einer Temperatur von 100°C für drei Stunden in Luft zu unterziehen. Darüber hinaus wird der dünne Film in heißem Wasser von 70 bis 80°C nach der Wärmebehandlung gereinigt. Die auf diese Weise hergestellte Probe ist als Probe Nr. 28 in Tabelle 1 repräsentiert. Die Probe Nr. 28 hat eine hohe Ionenleitfähigkeit in der Größenordnung von 10^–4S/cm.
(Ausführungsbeispiel 4)
Im Hinblick auf Probe Nr. 14 aus Tabelle 1 wird die alkalische Lösung zur Verwendung in der alkalischen Tauchbehandlung in eine Natriumsilikatlösung von 0,5M-Konzentration und Natriumkarbonat von 0,5M-Konzentration variiert, um neue Proben zu produzieren. Im Hinblick sowohl auf die Probe Nr. 14 als auch die neuen Proben wird die Messung der Ionenleitfähigkeit bei einer Temperatur von 50°C mit variierender relativer Feuchtigkeit zwischen 60% und 90% ausgeführt. 1 zeigt die Feuchtigkeitsabhängigkeit der Ionenleitfähigkeit in dem komplexen elektrolytischen Film von Polyvinylalkohol/Polyacrylsäure/Zirkonsäure, der der alkalischen Tauchbehandlung in der Lösung von Natriumhydroxid, Natriumsilikat oder Natriumkarbonat unterworfen wird. Wie deutlich aus 1 hervorgeht, schwächt sich die Ionenleitfähigkeitsabnahme unter einer geringen relativen Feuchtigkeit in der Probe ab, die der Natriumsilikatlösung oder der Natriumkarbonatlösung unterzogen wird, und zwar im Vergleich mit der Probe, die der Natriumhydroxidlösung unterzogen worden ist.
Es ist schwierig, die Filmform in den meisten Proben – wie in Tabelle 1 dargestellt – beizubehalten, weil die Festigkeit im Säuberungs- oder Waschprozeß erheblich reduziert wird, der durch Benutzung von heißem Wasser ausgeführt wird, und zwar in dem Fall, wo die Wärmebehandlung nicht bei einer Temperatur von 100°C ausgeführt worden ist. Daher wird es vorgezogen, die Wärmebehandlung unter einer Temperatur auszuführen, die nicht niedriger als 100°C ist, und zwar in dem Herstellungsprozeß des elektrolytischen Materials gemäß der vorliegenden Erfindung. Es ist nicht nötig, ein perfektes Objekt wie den obengenannten Polyvinylalkohol zu verwenden. Es ist möglich, ein Material zu verwenden, das im wesentlichen wie Polyvinylalkohol funktioniert. Beispielsweise ist das Material, in dem ein Teil der Hydroxylgruppe durch eine andere Gruppe ersetzt worden ist, fähig, wie Polyvinylalkohol zu funtionieren. Zusätzlich ist das durch die Copolymerisation eines anderen Polymers hergestellte Material in der Lage, wie Polyvinylalkohol zu funktionieren. Weiterhin ist es möglich, Polyvinylacetat zu benutzen, welches ein Ausgangsmaterial des Polyvinylalkohols ist, und zwar als Startmaterial, weil ein gleichartiger Effekt erreicht wird, wenn der Polyvinylalkohol in dem Reaktionsprozeß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
Obwohl verschiedene Arten der Verbindung mit der Carboxylgruppe oder des Metallsalzes der Verbindung mit der Carboxylgruppe in der vorliegenden Erfindung benutzt werden, wird bevorzugt, daß Polymer benutzt wird, weil das Polymer in der Komplexverbindung leicht fixiert werden kann. Darüber hinaus ist es günstig, Polyacryl- Säure, Metallsalz der Polyacryl- Säure oder ähnliches zu verwenden, weil es bevorzugt wird, daß die Dichte der Carboxylgruppe hoch ist. Beispielsweise ist Material, in dem ein Teil der Carboxylgruppe durch eine andere Gruppe ersetzt worden ist, fähig, wie Polyacrylsäure zu funktionieren. Zusätzlich ist Material, das durch Copolymerisation eines anderen Polymers hergestellt worden ist, fähig, wie Polyvinylalkohol zu funktionieren.
Innerhalb eines Bereiches, in dem die Funktion des Polyvinylalkohols und die Verbindung mit der Carboxylgruppe oder das Metallsalz der Verbindung mit der Carbolxylgruppe gemäß der vorliegenden Erfindung in signifikanter Weise auftritt, ist es möglich, Mischungen jeden anderen Polymers auszuführen. Die anderen Polymere können beispielsweise Polyolefin-Polymer wie z.B. Polyethylen oder Polypropylen, Polyetherpolymer wie z.B., Polyethylenoxid oder Polypropylenoxyd, fluoriniertes Polymer wie z.B. Polytetrafluorethylen oder Polyfluorovinyliden, Polysaccharide wie z.B. Methylzellulose, Polyvinylacetatpolymer, Polycarbonatpolymer und Epoxidharzpolymer sein. Weiterhin ist es möglich, eine Mischung von anderen organischen Additiven oder anorganischen Additiven ausführen.
Es ist möglich, verschiedene Arten von Zirkoniumsalz und Oxyzirkonikumsalz zu verwenden, wenn sie in Wasser gelöst werden können können. Weiterhin ist es möglich, ein Verhältnis von Sauerstoff und negativem Ion frei zu wählen. Zusätzlich ist es möglich, ein Verhältnis von Wasser frei zu wählen.
In der Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung wird im wesentlichen Wasser als Lösungsmittel benutzt. Andere Lösungsmittel können existieren, wobei deren Anteil geringer ist als das enthaltene Wasser. Obwohl es möglich ist, Aluminium, Silicium, Bor, Phosphor, Titan, Wolfram, Molybdän, Zinn, Calcium, Strontium und Bariumverbindung in dem Material hinzuzufügen, ist mindestens eines aus der Auswahl von Aluminiumsalz, Titansalz, Calciumsaltz, Strontiumsalz, Bariumsalz und Borsäure in der Primärlösung zusammen mit dem Zirkonsalz oder dem Oxyzirkonsalz gelöst. Alternativ wird in die Base zur Neutralisierung der wässrigen Lösung ein Alkalimetallsalz hinzugefügt, welches ausgewählt ist aus Siliciumsäure, Borsäure, Phosphorsäure, Wolframsäure, Molybdänsäure und Zinnsäure. Es ist möglich, verschiedene Arten von Aluminiumsalz, Titansalz, Calciumsalz, Strontiumsalz und Bariumsalz zu verwenden, wenn sie in Wasser gelöst werden können. Weiterhin ist es möglich, das Verhältnis von Sauerstoff und negativem Ion frei zu wählen. Zusätzlich ist es möglich, das Verhältnis von Wasser frei zu wählen.
Es ist möglich, jedes Material ohne Beziehung zu den Arten von Alkalimetallionen, der Zusammenstellung von Alkalimetallionen und dem Verhältnis eingeschlossenen Wassers im Hinblick auf Alkalimetallsalz von Siliciumsäure, Borsäure, Phosphorsäure, Wolframsäure, Molybdänsäure oder Zinnsäure zu verwenden. Zum Beispiel ist es möglich, Wasserglas im Falle von Silikat zu benutzen. Diese Salze können in Form einer Mischung von mindestens zwei Arten von Salzen hinzugefügt werden. Zusätzlich ist es möglich, ein Salz der Heteropolysäure als Rohmaterial zu verwenden. Die Heretopolysäure kann z.B. eine Säure sein, die ausgewählt ist aus Wolframphosphorsäure, Molybdänphosphorsäure, Siliciumwolframsäure, Siliciummolybdänsäure, Wolframborsäure und Molybdänborsäure, die erhalten werden durch vorheriges Verbinden von Wolframsäure oder Molybdänsäure mit Phosphorsäure, Siliciciumsäure oder Borsäure. Obwohl es möglich ist, sowohl Primärphosphat, Sekundärphosphat und Tertiärphosphat als Phosphat zu verwenden, wird das Primärphosphat nicht gewünscht, da das Primärphosphat das Silikat oder das Borat neutralisiert hat, wenn das Primärphosphat in die Rohlösung eintritt, in dem Falle, wo das Silikat oder das Borat in der Rohlösung existiert.
Es ist möglich, jede Art von Base zu verwenden, durch die im Hinblick auf Zirkonsalz oder Oxyzirkonsalz die Neutralisation ausgeführt wird. Es ist möglich, Natriumhydroxyd, Kaliumhydroxyd oder Lithiumhydroxyd zu verwenden. Zusäztlich kann eine Säure zuvor in die Rohlösung hinzugefügt werden, die Zirkoniumsalz oder Oxyzirkoniumsalz beeinhaltet, um die Neutralisationsreaktion perfekt ausführen zu können, in dem Fall, wo die Base zur Neutralisation einen Anteil an basischen Metallsaltzen von Siliciumsäure, Borsäure, Phosphorsäure, Wolframsäure, Molybdänsäure oder Zinnsäure wie in Ausführungsbeispiel 2 beschrieben beinhaltet. Es sei bemerkt, daß es zwei Wege für die Neutralisationsoperation gibt, und zwar erstens: die Base wird der das Zirkoniumsalz oder das Oxyzirkoniumsalz beinhaltende Rohlösung hinzugefügt oder zweitens, die Rohlösung wird der Base hinzugefügt. Jeder Weg ist erlaubt, so lange die Neutralisationsreaktion derart ausgeführt wird, daß der Polyvinylalkohol und die Verbindung mit der Carboxylgruppe oder das Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe und das Zirkoniumsalz oder das Oxyzirkonsalz gelöst wird. In einem vorherigen Schritt der Neutralisationsoperation kann der Polyvinylalkohol und die Verbindung mit der Carboxylgruppe oder das Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe in der Rohlösung oder Base existieren.
Das als Lösungsmittel benutzte Wasser wird von der neutralisierten wässrigen Lösung durch Wärmetrocknung entfernt, um die komplexe Verbindung in eine gewünschte Form wie z.B. einen dünnen Film zu bringen. Die so erhaltene komplexe Verbindung wird einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur, die nicht geringer ist als die Temperatur von 100°C unterworfen, um die Kondensationspolymerisationsreaktion der Zirkonsäureverbindung und die verbundene Produktion der Aluminium, Silicium, Bor, Phosphor, Titan, Wolfram, Molybdän, Zinn, Calcium, Strontium und Bariumverbindung, des Polyvinylalkohols und der Verbindung mit der Carboxylgruppe oder dem Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe anzuregen. Als Ergebnis ist es möglich, die Festigkeit, die Wasserresistenz und die Hochtemperaturstabilität der komplexen Verbindung zu steigern. In dem Falle, in dem die Wärmebehandlung nicht ausgeführt wird, tritt das Problem auf, daß die Festigkeit in Hochtemperaturwasser abnimmt. Die Wärmebehandlung kann in einer Inertgasatmosphäre oder einer Vakuumatmosphäre ausgeführt werden.
Im vorhergehenden Schritt oder im nachfolgenden Schritt des Wärmebehandlungsprozesses wird die komplexe Verbindung unter Verwendung des Lösungsmittels wie z.B. Wasser gewaschen, um die unnötigen Salze aus der komplexen Verbindung zu entfernen. Die Oxydation-Reduktion-Reaktion tritt an Elektroden in jedem elektrochemischen System auf, das den Festelektrolyten verwendet. Da freie negative Ionen, die durch die Säure bei der Neutralisation eingeführt wurden, nicht am Festelektrolyten fixiert sind, der Oxydation-Reduktions-Reaktion entgegenwirken, ist es nötig, die überflüssigen Salze, die freie Ionen sind, durch. Waschen zu entfernen.
Es wird bevorzugt, daß in der komplexen Verbindung das Verhältnis des Zirkonsäureverbindungsgewichts von ZrO₂ zum Polyvinylalkoholgewicht auf ein Verhältnis begrenzt ist, das nicht geringer ist als 0, 05,. In dem Falle, in dem das Gewichtsverhältnis geringer ist als 0,05 ist es schwierig, eine signifikante Wasserresistenz und eine hohe Ionengleitfähigkeit zu erhalten.
Im Falle des Erhaltens des protonenleitenden Festelektrolyten vom alkalischen Typ oder des hydroxydionenleitenden Festelektrolyten wird die erzeugte komplexe Verbindung der Tauchbehandlung in einer alkalischen Lösung unterworfen, um die hergestellte komplexe Verbindung perfekt zu alkalisieren. Als Ergebnis ist es möglich, die Ionenleitfähigkeit zu erhöhen. Es ist möglich, jede Base für die Tauchbehandlung zu verwenden, die die hergestellte komplexe Verbindung alkalisiert. Zum Beispiel ist es möglich, die Lösung des Natriumhydroxyds , des Kaliumhydrolxyds oder des Lithiumhydroxyds zu verwenden. Alternativ ist es möglich, die Lösung des Alkalimetallsalzes der Siliciumsäure, der Borsäure oder der Kohlensäure zu verwenden. Insbesondere ist es möglich, einen Vorteil zu erreichen, bei dem der Ionenleitfähigkeitsabfall in einer geringen relativen Feuchtigkeit vermindert wird, im Falle der Benutzung des Alkalisalzes der Siliciumsäure oder der Kohlensäure. Durch die Benutzung des Alkalisalzes der Siliciumsäure oder Kohlensäure ist es vorteilhaft, daß die Abnahme bei der Ausführung des Festelektrolyten vermindert wird, weil Neutralisation durch Kohlendioxyd schwerlich auftritt, sogar wenn das Elektrolytmaterial in Luft oder unter einer Atmosphäre, die viel Kohlendioxydgas aufweist, benutzt wird. Die alkalische Tauchbehandlung ist wirkungsvoll in dem Falle, in dem die anorganische Verbindung, die in dem Elektrolyt enthalten ist, lediglich Zirkonsäureverbindung aufweist, oder im Fall, in dem die anorganische Verbindung, die in dem Elektrolyten vorhanden ist, die Aluminium, Silicium, Bor, Titan, Molybdän, Zinn, Calcium, Strontium und Bariumverbindung aufweist. Im übrigen ist es nicht notwendig, daß die wässrige Lösung die alkalische Tauchbehandlung ausführt.
Der hoch ionenleitende Festelektrolyt, der durch die vorliegende Erfindung erhalten wird, zeigt die hohe Proton- oder Hydroxydionenleitfähigkeit in alkalischer Form und es ist möglich, ein vergleichsweise preiswertes Material wie Nickel als Elektroden zu verwenden sowie andere Systemkonfigurationsmaterialien, und zwar durch Alkalisierung des Festelektrolyten. Als Ergebnis ist es möglich, die Kosten des Gesamtsystems zu reduzieren.
Darüber hinaus ist es möglich, den Festelektrolyten bei der Primärbatterie oder der Sekundärbatterie anzuwenden, wenn der Festelektrolyt alkalisiert wird. Wenn das elektrolytische Material gemäß der vorliegenden Erfindung anstatt der konventionellen elektrolytischen Lösung verwendet wird, ist es möglich, Leckagen der elektrolytischen Lösung zu verhindern. Wenn man den Festelektrolyten vom alkalischen Typ verwendet, ist es möglich., die Sekundärbatterie zu verwirklichen, die gemäß Stand der Technik schwer zu realisieren ist. Die Sekundärbatterie kann z.B. eine Batterie hoher Energiedichte sein, die ein multivalentes Metall, bivalent oder mehr als negative Elektrode verwendet. Ein Beispiel ist eine Nickel-Zink-Batterie, die Zinkoxyd als negative Elektrode und Nickelhydroxyd als positive E lektrode verwendet, was ähnlich ist der positiven Elektrode einer Nickelhydridbatterie. In der Nickel-Zink-Batterie wird beim Laden das Zinkoxyd in der negativen Elektrode in metallisches Zink reduziert. Beim Entladen wird das Zink elektrochemisch oxidiert, und zwar in Zinkoxyd wie in den folgenden Formeln (12) und 13) gezeigt. (Laden) Zn + H₂O + 2e^– Zn + 2OH^– (12) (Entladen) Zn + 2OH^– ZnO + H₂O + 2e^– (13).
Obwohl die Nickelzinkbatterie eine hohe Speicherenergiedichte aufweist, weil Zink bivalent ist, ist Zinkoxyd leicht in der alkalischen elektrolytischen Lösung lösbar. Die Zinkionen werden von der Elektrode entfernt. Wenn die entfernten Zinkionen beim Laden reduziert werden, wird nadelförmiges metallisches Zink produziert und das nadelförmige metallische Zink durchdringt einen Separator, so daß das nadelförmige metallische Zink einen Kurzschluß verursacht. Darüber hinaus wird das Zink durch Wasser im Ladezustand oxidiert, so daß leicht eine Selbstentladung auftritt, weil das Oxydations-Reduktionspotential von Zink geringer ist als das von Wasserstoff. Zusätzlich wird Wasserstoff beim Laden von der Zinkelektrode produziert, so daß die Ladeeffizienz abnimmt. Daher ist es schwierig, eine Batterie zu realisieren, die flüssige Elektrolyte verwendet. Wenn der hoch ionenleitfähige Festelektrolyt gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wird, wird die Ablösung von Metallionen vermindert. Selbst wenn die Metallionen leicht von der Elektrode gelöst werden, werden die abgelösten Metallionen langsam von der Elektrode diffundiert. Als Ergebnis ist die Möglicht gering, dass nadelförmiges Metall produziert wird. Sogar wenn nadelförmiges Metall produziert wird, ist es für den Festelektrolyten möglich, das Durchdringen von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode zu verhindern. Weiterhin tritt die Selbstentladung schwerlich auf im Hinblick auf das Metall, das ein Oxydations-Reduktionspotential aufweist, das kleiner als das von Wasserstoff ist, weil das in dem Festelektrolyten enthaltene Wasser eine schlechte Reaktivität hat. Weil Elektrolyse von Wasser schwerlich auftritt, was mit der Reduktionsreaktikon von Metall konkurriert, ist die Ladeeffizienz verbessert. Mit anderen Worten wird die Ladeeffizienz verbessert, weil die Reduktionsreaktion im Hinblick auf die Protonen schwerlich auftritt. Es ist möglich, einen Effekt ähnlich dem oben genannten bei einer Primärbatterie oder der Nickelhydridbatterie zu erreichen, und zwar im Hinblick auf die Ablösung von Metallionen und der Diffusion der Metallionen und die Restriktion der Produktion des nadelförmigen Metalls. Darüber hinaus hat eine Luft-Zinkbatterie, die eine Luftelektrode als positive Elektrode verwendet, ähnliche Vorzüge wie oben. Es ist möglich, eine Batterie zu erhalten, die leicht in der Lage ist, die Ladung auszuführen, weil die Sauerstoffdurchdringung zur Zinkelektrode vermindert ist.
Es gibt viele Metalle, die bivalent oder mehr sind. Zum Beispiel gibt es Kupfer, Kobalt, Eisen, Mangan, Chrom, Vanadium, Zinn, Molybdän, Niob, Wolfram, Silicium, Bor und Aluminium, die alle bivalent oder mehr sind. Als Ergebnis ist es möglich, die Sekundärbatterie zu realisieren, indem man eines der obengenannten Metalle verwendet, wenn der Festelektrolyt gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Obwohl ein die alkalische elektrolytische Lösung aufsaugender poröser Separator in einer alkalischen Sekundärbatterie wie z.B. Nickelhydridbatterie im Stand der Technik verwendet wird, ist es unnötig, die elektrolytische Lösung zu verwenden oder es ist möglich, den Anteil an elektrolytischer Lösung zu verringern, weil der Elektrolyt gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl die Funktion einer elektrolytischen Lösung als auch eines Separators aufweist. Als Ergebnis ist es möglich, die Energie dichte der Batterie zu verbessern. Zusätzlich ist es möglich, eine Dünnfilmelektrode zu verwenden, die eine große Oberfläche aufweist, weil der Elektrolyt gemäß der vorliegenden Erfindung einen Kurzschluß verhindern kann, der in dem porösen Separator auftritt, sogar wenn der Elektrolyt gemäß der vorliegenden Erfindung als dünner Film geformt ist.
Da der Festelektrolyt gemäß der vorliegenden Erfindung aus billigen Materialien hergestellt ist und auf der Basis eines einfachen Wässrige-Lösungs-Prozesses, ist der Festelektrolyt gemäß der vorliegenden Erfindung sehr billig im Vergleich zu einem bekannten Perfluor-Schwefelsäureelektrolyten. Darüber hinaus ist es leicht, den Festelektrolyten gemäß der vorliegenden Erfindung in einen dünnen Film zu formen, weil der Festelektrolyt gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit einem anorganischen festen Material Flexibilität aufweist. Im Falle, daß Polyethylenoxyd und eine Siliciumverbindung verbunden werden wie im Stand der Technik versucht, ist es schwierig, die komplexe Verbindung herzustellen, die Resistenz gegen heißes Wasser aufweist, und zwar sogar dann, wenn das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wird. Es ist nötig, ein teures Verfahren wie z.B. das SOL-GEL-Verfahren zu verwenden. Allerdings ist es möglich, den Wässrige-Lösungs-Prozess zu verwenden, der preiswert und leicht durchzuführen ist, wenn Polyvinylalkohol wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben ausgewählt wird. Insbesondere weist der Festelektrolyt gemäß der vorliegenden Erfindung die hohe Ionenleitfähigkeit in alkalischer Form auf. Als Ergebnis ist es nicht nötig, teures edles Metall in den Elektroden und anderen Teilen zu verwenden, und es ist möglich, den hoch ionenleitfähigen Festelektrolyten in der Primärbatterie und der Sekundärbatterie zu verwenden.
Weil der Festelektrolyt gemäß der vorliegenden Erfindung die Protonenleitfähigkeit aufweist, ist es möglich, den Festelekt rolyten in Brennstoffstellen, Dampfpumpen, Entfeuchtern, Klimaanlagen, elektrochromischen Vorrichtungen, elektrolytischen Vorrichtungen, elektrolytisch-Wasserstoff produzierenden Verrichtungen, elektrolytisch Wasserstoffperoxyd produzierenden Vorrichtungen, elektrolytisch Wasser produzierenden Vorrichtungen, Feuchtigkeitssensoren und Wasserstoffsensoren zu verwenden, und zwar in einer Art und Weise, die vergleichbar ist mit einem konventionellen Perfluor-Schwefelsäureionenaustauscherfilm. Da der obengenannte Elektrolyt ebenfalls die hohe Ionenleitfähigkeit in der alkalischen Form aufweist, ist es möglich, den Festelektrolyten in dem elektrochemischen System wie der Primärbatterie, der Sekundärbatterie oder dem optischen Schaltsystem zu verwenden. Weiterhin ist es dem Festelektrolyten in dem neuen Batteriesystem möglich, das multivalente Metall zu verwenden.
Wie oben beschrieben, ist die vorliegende Erfindung durch die Neutralisierung des Zirkonsalzes oder des Oxyzirkonsalzes und anderer zusätzlicher Salze in der wässrigen Lösung gekennzeichnet, die Polyvinylalkohol aufweist und die Verbindung mit der Carboxylgruppe oder das Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe, mit einer Base sowie durch die Entfernung des überflüssigen Salzes, um die komplexe Verbindung herzustellen, nachdem das Wasser, das als Lösungsmittel benutzt worden ist, entfernt ist. Weil es möglich ist, die organische und anorganische komplexe Verbindung leicht zu produzieren, die sowohl Wasserabsorption als auch Wasserresistenz aufweist, mit der die wässrige Lösung verwendenden Methode, ist es möglich, den hoch ionenleitfähigen Festelektrolyten bei geringen Kosten zu erhalten und das elektrochemische System, das den hoch ionenleitfähigen Festelektrolyten verwendet.
Obwohl die verbindende Kondensationspolymerisation mit der Zirkonsäure auftritt, wenn in der die lediglich Zirkonsalz oder Oxyzirkonsalz aufweisenden Lösung die Neutralisation ausgeführt wird, tritt zwischen dem Polyvinylalkohol und der Zirkonsäureverbindung Verpflechtung im Mikrobereich gemäß der vorliegenden Erfindung auf, weil die Lösung Polyvinylalkohol aufweist. Es ist möglich, die feste komplexe Verbindung mit Festigkeit und Flexibilität zu erhalten, weil die verbindende Kondensationspolymerisation durch Aufheizung ausgeführt wird. Zusätzlich wird die komplexe Verbindung in dem heißem Wasser infolge der festen Verbindung mit Zirkonsäureverbindung nicht gelöst, obwohl ein einzelner Polyvinylalkohol in dem heißen Wasser gelöst ist. Als Ergebnis ist es möglich, die physikalischen Eigenschaften unter der hohen Temperatur und der hoch feuchten Umgebung zu erhalten. Darüber hinaus ist es für die komplexe Verbindung möglich, viel Wasser zu absorbieren und eine hohe Ionenleitfähigkeit zu besitzen, obwohl die komplexe Verbindung Wasserresistenz aufweist, weil sowohl der Polyvinylalkohol als auch die Zirkonsäureverbindung eine Wasseraffinität aufweist. Somit wird das Wasser, das in der komplexen Verbindung aus Polyvinylalkohol und Zirkonsäureverbindung enthalten ist, ein Medium zur Diffusion des Protons oder des Hydroxydions bei einer hohen Geschwindigkeit. Darüber hinaus ist es möglich, die Ionenleitfähigkeit in alkalischer Form stark zu erhöhen durch Hinzufügung der Verbindung mit der Carboxylgruppe oder des Metallsalzes der Verbindung mit der Carboxygruppe.
Zusätzlich ist es möglich, Aluminium, Silicium, Bor, Phosphor, Titan, Wolfram, Molybdän, Zinn, Calcium, Strontium oder Barium zu verbinden, wenn die wässrige Rohlösung, die Zirkonsalz oder Oxyzirkonsalz enthält, Aluminiumsalz, Titansalz, Calciumsalz, Strontiumsalz, Bariumsalz oder Borsäure aufweist, oder wenn die wässrige Rohlösung Alkalimetallsalz von Siliciumsäure, Borsäure, Phosphorsäure, Wolframsäure, Molybdänsäure oder Zinnsäure aufweist. Es ist möglich, die Eigenschaften zu verbessern, indem die obengenannte dritte oder vierte Komponente miteinbezo gen wird. Darüber hinaus ist es möglich, die Kosten zu senken, weil die Menge an Zirkonsalz oder Oxyzirkonsalz abnimmt, wenn die obengenannten dritten oder vieren Komponenten miteinbezogen werden.
Es ist möglich,. den Festelektrolyten in dem elektrochemischen System, wie der Brennstoffzelle, der Dampfpumpe, dem Entfeuchter, der Klimaanlage, der elektrochromischen Vorrichtung, der elektrolytischen Vorrichtung, der elektrolytisch Wasserstoff produzierenden Vorrichtung, der elektrolytisch Wasserstoffperoxyd produzierenden Vorrichtung, dem elektrolkytisch Wasser produzierenden Apparat, dem Feuchtigkeitssensor, dem Wasserstoffsensor, der Primärbatterie, der Sekundärbatterie, dem optischen Schaltsystem oder dem neuen Batteriesystem mit dem multivalenten Metall zu verwenden. Es ist möglich, zum Niedrigpreis des obengenannten elektrochemischen Systems beizutragen. Weiterhin ist es möglich, wenn der Elektrolyt vom basischen Typ eingesetzt wird, das preiswerte Material als peripheres Element in dem elektrochemischen System zu verwenden, beispielsweise als Elektrode.

Claims

Hoch ionenleitfähiger Festelektrolyt, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer komplexen Verbindung besteht, die Wasser beinhaltet und die Zirkonsäureverbindung, Polyvinylalkohol und eine Verbindung einer Carboxylgruppe aufweist oder Zirkonsäureverbindung, Polyvinylalkohol und ein Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe.
Hoch ionenleitfähiger Festelektrolyt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung mit der Carboxylgruppe oder das Metallsalz der Verbindung aus Polyacryl- Säure oder Metallsalz von Polyacryl- Säure zusammengesetzt ist.
Hoch ionenleitfähiger Festelektrolyt, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer komplexen Verbindung, die Wasser enthält zusammengesetzt ist, die besteht aus Zirkonsäureverbindung, Polyvinylalkohol und einer Verbindung mit einer Carboxyolgruppe oder die besteht aus Zirkonsäureverbindung, Polyvinylalkohol und Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe, wobei die komplexe Verbindung durch Entfernen unnötigen Salzes nach der Neutralisation einer wässrigen Lösung hergestellt ist, die Zirkonsalz oder Oxyzirkonsalz und Polyvinylalkohol zusätzlich zu der Verbindung mit der Carboxylgruppe oder dem Metallsalz der Verbindung mit der Carboxylgruppe durch eine Base hergestellt wird und das als Lösungsmittel benutzte Wasser entfernt wird.
Hoch ionenleitfähiger Festelektrolyt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung mit der Carboxyolgruppe oder das Metallsalz mit der Verbindung aus Polyacryl- Säure oder Metallsalz der Polyacryl- Säure zusammengesetzt ist.
Hoch ionenleitfähiger Festelektrolyt nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur ausgeführt wird, die nicht geringer als 100°C ist, bevor oder nachdem das unnötige Salz entfernt worden ist.
Hoch ionenleitfähiger Festelektrolyt nach einem der Ansprüche 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis des spezifischen Gewichtes, konvertiert zum Polyvinylalkoholgewicht ein Verhältnis zwischen 0,1 und 0,2 ist, wobei das spezifische Gewicht gleich ist einem Gewicht, welches erhalten wird, wenn angenommen wird, dass jede Carboxylgruppe eine Form von -COOH in der Polyacryl- Säure oder dem Metallsalz der polyacrylischen Säure aufweist.
Hoch ionenleitfähiger Festelektrolyt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis des Zirkonsäureverbindungsgewichts konvertiert in ZrO₂ Gewicht zum Polyvinylalkoholgewicht nicht kleiner ist als ein Verhältnis von 0,05.
Hoch ionenleitfähiger Festelektrolyt nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der hoch ionenleitfähige Festelektrolyt mindestens ein Element aus der Auswahl aus Aluminium, Silicium, Bor, Phosphor, Titan, Wolfram, Molybdän, Zinn, Calcium, Strontium und Bariumverbindung aufweist.
Hoch ionenleitfähiger Festelektrolyt nach einem der Ansprüche 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wässrige Lösung mit dem Zirkonsalz oder dem Oxyzirkonsalz mindestens ein Element aus folgender Auswahl aufweist: Aluminiumsalz, Titansalz, Calciumsalz, Strontiumsalz, Bariumsalz und Borsäure, oder die Base zur Neutralisierung der wässrigen Lösung mindestens ein Element aus folgender Auswahl von Alkalimetallsalzen aufweist: Siliciumsäure, Borsäure, Phosphorsäure, Wolframsäure, Molybdänsäure und Zinnsäure, und die hergestellte komplexe Verbindung mindestens ein Element aus folgender Auswahl aufweist: Aluminium, Silicium, Bor, Phosphor, Titan, Wolfram, Molybdän, Zinn, Calicium, Strontium und Bariumverbindung.
Hoch ionenleitfähiger Festelektrolyt nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis von Siliciumsäureverbindungsgewicht konvertiert in SiO₂-Gewicht zu dem Polyvinylalkoholgewicht ein Verhältnis zwischen 0,016 und 0,097 ist.
Hoch ionenleitfähiger Festelektrolyt nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis des Phosphorverbindungsgewichts konvertiert in P₂O₅-Gewicht zu Polyvinylalkoholgewicht nicht kleiner ist als 0,023.