DE2228843A1 - Festkoerperelektrolyt - Google Patents

Festkoerperelektrolyt

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PR Mallory and Co Inc
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Description

DIPL.-ING. R. LEMCKE
Potentanwalt
P. R. MLLOHY & GO. INC., eine Gesellschaft, nach den Gesetzen des Staates Delaware, 3029 East Washington Street, Indianapolis, Indiana, 46206, Vereinigte Staaten von Amerika
Festkörperelektrolyt
Die Erfindung betrifft ein Festkörperelektrolyt-Material für stromerzeugende Elemente mit Festkörperelektrolyt.
In den letzten Jahren hat die Miniaturisierung in der Elektronik stark zugenommen und zu einer vermehrten
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_ it -
Nachfrage nach speziellen Energiequellen geführt, deren Volumen und Gewicht bei möglichst großer Energiedichte mit den elektronischen Bauelementen vergleichbar ist. Dieser Bedarf konnte teilweise durch stromerzeugende Zellen mit Festkörperelektrolyt erfüllt werden. Außer dem Vorteil der Miniaturisierung gestatten stromerzeugende Zellen mit Festkörperelektrolyt und die daraus zusammengesetzten Batterien eine große Variationsbreite in ihrer äußeren Gestaltung und haben überdies eine außerordentlich lange Lagerungsfähigkeit, die in der Größenordnung von fünf bis zehn Jahren liegt.
Die verwendeten Festkörperelektrolyten sind Ionenleiter, die den Ionenfluß während der Arbeit des elektrischen Elementes erleichtern. Die Ionenleitfähigkeit des Festkörperelektrolyten ist eine der hervorstechendsten Faktoren, die die Leistungsfähigkeit des jeweiligen Elementes bestimmt.
Es wurde nun gefunden, daß die bekannten Festkörper-Elemente eine herabgesetzte Leitfähigkeit des Festkörperelektrolyten haben können, die zu einem hohen inneren Widerstand und herabgesetzter Leistungsfähigkeit des Elementes führen kann. - ;
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Festkörperelement anzugeben, das gemessen an seinem Raumbedarf und
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seinem Gewicht eine besonders hohe Leistungsfähigkeit aufweist, eine "besonders gute und langdauernde Lagerung sfähigke it hat, weiterhin in der Lage ist, kontinuierlich relativ große Energiemengen abzugeben und schließlich einfach herstellbar ist,· allen vernünftigen Anforderungen der Praxis genügt und zu niedrigen Preisen verkauft werden kann.
Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Festkörperelektrolyt-Material ein.Alkalimetall-Halogenid oder einen anderen Pestkörperelektrolyten enthält, der in einer Molekelsiebsubstanz eingebettet ist, wobei vorzugsweise eine aktivierte Molekelsiebstanz Verwendung findet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform hat dieses Element eine negative Alkalimetall-Elektrode und eine positive Elektrode,1 die Schwermetall und den Elektrolyten enthält. Die negative Elektrode kann beispielsweise Alkalimetall oder eine Mischung eines Alkalimetalls mit dem Elektrolyten enthalten. Vorzugsweise ist das in der negativen Elektrode enthaltene Alkalimetall dasselbe wie das in dem Pestkörperelektrolyten enthaltene, beispielsweise Lithium. Die positive Elektrode ist vorzugsweise eine Mischung aus einem Schwermetall,' einem Alkalimetall-Halogenid-Elektrolyten und dem Halogenid des Schwermetalls, wobei sowohl im
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Schwermetall-Halogenid als auch im Alkalimetall-Halogenid dasselbe Halogen enthalten ist. Geeignete positive Elektroden haben folgende Zusammensetzung: Ag/LrJ/AgJ; Pb/LiJ/PbJ2; Cu/LiJ/CuJ; Sn/Lij/SnJ2.
Die Molekelsiebsubstanz (Kristallgitter) ist vorzugsweise eine feste kristalline Substanz wie Zeolith, Faujasit, Chabasit oder Cancrinit.
Der Pestkörperelektrolyt kann eine Separatorschicht bilden.
Grundsätzlich läßt sich durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung das bei Elementen mit Festkörperelektrolyt im hohen inneren Widerstand und niedriger Leistungsfähigkeit bestehende Problem weitestgehend ausräumen. Dies ist das Ergebnis des Umstandes, daß in dem Element der Pestkörperelektrolyt, beispielsweise ein Alkalimetall-Halogenid, in den Poren der Molekelsiebsubstanz eingebettet ist.
Unbesetzte Zwischenräume, allgemein als Höhlungen, Poren oder Käfige bekannt, befinden sich in der kristallinen Struktur von adsorbierenden, künstlich hergestellten oder natürlichen Mineralien, wie Zeolith, Paujasit, Chabasit uder Cancrinit. Diese kristallinen Mineralien, wie beispielsweise Zeolith, haben folgende Strukturformel:
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-Sr -
M2 /nO'Al2O3'XSiO2'YH2O,
wobei M ein Kation von η Valenzen ist, während X und Y unabhängige Variable sind, die abhängen von der. Ausgangsmischung und der Mischungstemperatur.
Einzelne Beispiele' derartiger Zeolith-Substanzen werden als "13X" und "4A" bezeichnet. Der Typ M13X" hat folgende Strukturformel;
Na86((A102)86(Si02)106)'XH20,
wobei X = 276 oder kleiner sein kann. Der Typ "13X" hat Poren mit einem Durchmesser von 11 bis 12 Angstrom, Demgegenüber hat der Typ "4A" die Strukturformel;
2((AlO2)12(Si02)12)'XH2O,
wobei X = 27 oder kleiner sein kann. Der Typ "4A" hat einen Porendurchmesser von 3 bis 4 Angström. Die Hatriumionen des Kristalls können durch andere Metall ionen ersetzt sein, wie beispielsweise Lithium, Kalium, Calzium etc.
Verschiedene Flüssigkeiten, Gase oder Dämpfe,-wie Wasser, Sauerstoff, Benzol etc. können in den Poren dieser festen Kristalle adsorbiert sein. Wenn in diese Sieb- oder Porenstruktur Moleküle eintreten,
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werden sie dort durch physikalische Kräfte der an der Waals'sehen Art gehalten. "
Es wurde nun gefunden, daß ein Festkörperelektrolyt beispielsweise unter Temperatureinwirkung in die Poren einer Molekelsiebsubstanz eingebracht werden kann, wodurch die Leitfähigkeit des" Festkörperelektrolyten heraufgesetzt wird. Ferner dürfte es so sein, daß die derartige Besetzung der Poren eine Veränderung der Struktur des Festkörperelektrolyten "bewirkt, die zu einer teilweisen "Verflüssigung" des Festkörperelektrolyten führt und die Beweglichkeit der Ionen heraufsetzt.
Der Gegenstand der Erfindung ist nachfolgend anhand eines Beispieles ausgeführt;
Lithiumjοdid als Festkörperelektrolyt in einer Molekelsiebsubstanz vom Typ "13X" wurde folgendermaßen hergestellt: 20 ml geschmolzenen LiJ-HpO wurden in einem korrosionsfesten Becher aus rostfreiem Stahl abgemessen. Diese 20 ml wurden in einen zweiten korrosionsfesten Becher aus rostfreiem Stahl gegossen, der 7 gr der Molekelsiebsubstanz vom Typ "13X" enthielt. Daraufhin wurde die Mischung für zwei Stunden-inxeiner Kammer mit Argonatmosphäre auf eine Temperatur von 3000C erhitzt, um sie zu trocknen, indem das in den beiden
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Komponenten enthaltene Hydrierungswasser ausgetrieben wird. Daraufhin wurde die Mischung in der Kammer mit Argonatmosphäre auf Raumtemperatur abgekühlt, und zwar so langsam, daß ein Zerbrechen oder Zerreißen der erhaltenen Struktur unter thermischem Einfluß verhindert wird. Die dabei erhaltene Struktur besteht aus einem Molekelsieb (Kristallgitter), in dessen Poren .Lithiumiodid eingebettet ist.
Ein Versuchselement wurde folgendermaßen aufgebaut:,
Negative Elektrode: Lithium;
Elektrolyt: Lithiumiodid in einer Molekelsiebsubstanz;
positive Elektrode: Silber^odid + Silber + Elektrolyt,
wobei 50 Gewichtsprozent Silberjodid, 20 Gewichtsprozent Silber und 30 Gewichtsprozent Elektrolyt genommen wurden.
Dieses Element wurde unter Last getestet, wobei sich bei offenem Stromkreis eine Spannung von 2,1 V bei Raumtemperatur einstellte. Der Umstand, daß bei offenem Stromkreis eine Spannung vori 2,1 Y vorhanden war, steht in guter Übereinstimmung mit dem theoretischen, thermodynamischen Wert des Li/AgJ-Systems, was zeigt, daß der Molekelsiebsubstanz-Festkörperelektrolyt ein reiner Ionenleiter ist, wie er sich für Pestkörperelemente eignet, da die elektrische Leitfähigkeit dieses
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-JBr-
Molekelßiebsubstanz-Festkörperelektrolyten vernachlässigbar ist. Die Leitfähigkeit des neuen Elektrolyten bei Raumtemperatur ist etwa hundertmal größer als die von Lithiumiodid, die sich in einer Größenordnung von 2Ί0"7 bis 3#1O"5 Ohm"-1Cm""1 bewegt.
Die Erfindung erstreckt sich ebenso auf Festkörperelektrolyten mit anderen Halogeniden als Lithiumhalogenid und schließt ^ebenso die anderen Alkalimetall-Halogenide ein. Darüber hinaus erstreckt sich die Erfindung auch auf Molekelsiebsubstanzen anderer Art, als die in den vorstehenden Beispielen angegebenen.
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Claims (17)

Patentansprüche
1. Pestkörperelektrolyt-Material für stromerzeugende Elemente mit Pestkörperelektrolyt, dadurch gekennzeichnet,
daß der'Festkörperelektrolyt in einer Molekelsiebsubstanz eingebettet ist.v
2. Pestkörperelektrolyt-Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molekelsiebsubstanz ein adsorbierendes, künstlich hergestelltes oder natürliches, festes, kristallines Mineral ist,
3. Pestkörperelektrolyt-Material nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Molekelsiebsubstanz Zeökith, Faujasit, Chabasit oder Cancrinit ist.
4. Pestkörperelektrolyt-Material nach Anspruch ,1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pestkörperelektrolyt ein Alkalimetall-Halogenid ist,
5. Pestkörperelektrolyt'-Material nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt festes Lithium-Jodid (LiJ) ist.
6. Pestkörperelektrolyt-Material nach Anspruch 5t
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durch gekennzeichnet, daß das Lithium-Jodid bei Raumtemperatur eine Leitfähigkeit zwischen 2*10"' und 3MO"5 Ohm"1 cm"1 hat.
7. Festkörperelektrolyt-Element mit einer negativen Elektrode und einer positiven Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Festkörperelektrolyt-Material nach einem der Ansprüche 1 bis 6 enthält.
8. Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode ein Alkalimetall ist, während der Festkörperelektrolyt ein Alkalimetall-Halogenid ist.
9. Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetall des Festkörperelektrolyten dasselbe Alkalimetall ist, welches die negative Elektrode bildet.
10. Element nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode eine Mischung aus Schwermetall, eines Halogenide dieses Scbwermetalls und des genannten Alkalimetall-Halogenids ist.
11. Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwermetall-Halogenid dasselbe Halogen enthält, wie das Alkalimetall-Halogenid.
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12. Element nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Halogenid ein Jodid ist.
13. Element nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetall Lithium ist.
14. Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode eine Mischling aus Silberjodid, Lithiumiodid und metallischem Silber ist.
15. Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode eine Mischung aus PbJ2, LiJ und metallischem Blei ist.
16. Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode eine Mischung aus Kupferiodid, Lithiumiodid und metallischem Kupfer ist.
17. Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode eine Mischung aus SnJp, Lithiumiodid und metallischem Zinn ist.
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DE19722228843 1971-06-16 1972-06-14 Galvanisches Festkörperelektrolyt-Element Expired DE2228843C3 (de)

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DE2228843A1 true DE2228843A1 (de) 1973-01-18
DE2228843B2 DE2228843B2 (de) 1976-07-08
DE2228843C3 DE2228843C3 (de) 1977-02-24

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CH576192A5 (de) 1976-05-31
FR2142000B1 (de) 1977-12-23
AU4311372A (en) 1973-12-13
US3736186A (en) 1973-05-29
CA990785A (en) 1976-06-08
FR2142000A1 (de) 1973-01-26
NL7208309A (de) 1972-12-19
DK138920C (de) 1979-04-09
GB1346276A (en) 1974-02-06
IL39644A (en) 1975-04-25
IT956638B (it) 1973-10-10
JPS489223A (de) 1973-02-05
SE405777B (sv) 1978-12-27
BE785033A (fr) 1972-10-16
DK138920B (da) 1978-11-13
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IL39644A0 (en) 1972-08-30
AU459694B2 (en) 1975-03-17
JPS5629347B1 (de) 1981-07-08

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