NL8104075A - RECHARGEABLE, FULLY INORGANIC NON-AQUEOUS LI / SO2 CELL WITH ELECTROLYT SALT LIGACL4. - Google Patents
RECHARGEABLE, FULLY INORGANIC NON-AQUEOUS LI / SO2 CELL WITH ELECTROLYT SALT LIGACL4. Download PDFInfo
- Publication number
- NL8104075A NL8104075A NL8104075A NL8104075A NL8104075A NL 8104075 A NL8104075 A NL 8104075A NL 8104075 A NL8104075 A NL 8104075A NL 8104075 A NL8104075 A NL 8104075A NL 8104075 A NL8104075 A NL 8104075A
- Authority
- NL
- Netherlands
- Prior art keywords
- lithium
- cell
- cell according
- anode
- rechargeable
- Prior art date
Links
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 title claims description 33
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 81
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 78
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 38
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 25
- RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N Sulphur dioxide Chemical compound O=S=O RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 17
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 10
- XOYLJNJLGBYDTH-UHFFFAOYSA-M chlorogallium Chemical compound [Ga]Cl XOYLJNJLGBYDTH-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 7
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 claims description 6
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 claims description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 3
- 239000003049 inorganic solvent Substances 0.000 claims description 3
- 229910001867 inorganic solvent Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 claims description 2
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 125000005843 halogen group Chemical group 0.000 claims 2
- 229910003092 TiS2 Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 67
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 31
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 12
- -1 lithium cations Chemical class 0.000 description 12
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 11
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 11
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 8
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 6
- KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M lithium chloride Chemical compound [Li+].[Cl-] KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- FYSNRJHAOHDILO-UHFFFAOYSA-N thionyl chloride Chemical compound ClS(Cl)=O FYSNRJHAOHDILO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 150000002258 gallium Chemical class 0.000 description 5
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical group CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000047 product Substances 0.000 description 4
- 239000006184 cosolvent Substances 0.000 description 3
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 3
- 229940021013 electrolyte solution Drugs 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 2
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L lithium carbonate Chemical compound [Li+].[Li+].[O-]C([O-])=O XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229910052808 lithium carbonate Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 2
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WNXJIVFYUVYPPR-UHFFFAOYSA-N 1,3-dioxolane Chemical compound C1COCO1 WNXJIVFYUVYPPR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 210000004128 D cell Anatomy 0.000 description 1
- 229910001216 Li2S Inorganic materials 0.000 description 1
- SPAGIJMPHSUYSE-UHFFFAOYSA-N Magnesium peroxide Chemical compound [Mg+2].[O-][O-] SPAGIJMPHSUYSE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N Trioxochromium Chemical compound O=[Cr](=O)=O WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XRZCZQUCDBWELQ-UHFFFAOYSA-L [Li+].[Li+].[O-]S(=O)S([O-])=O Chemical compound [Li+].[Li+].[O-]S(=O)S([O-])=O XRZCZQUCDBWELQ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- MQKATURVIVFOQI-UHFFFAOYSA-N [S-][S-].[Li+].[Li+] Chemical compound [S-][S-].[Li+].[Li+] MQKATURVIVFOQI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 150000001642 boronic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- OJIJEKBXJYRIBZ-UHFFFAOYSA-N cadmium nickel Chemical compound [Ni].[Cd] OJIJEKBXJYRIBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 229910000423 chromium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002999 depolarising effect Effects 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 229940006487 lithium cation Drugs 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001537 lithium tetrachloroaluminate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001521 polyalkylene glycol ether Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004805 propylene group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([*:1])C([H])([H])[*:2] 0.000 description 1
- 230000036647 reaction Effects 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 229910001538 sodium tetrachloroaluminate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 230000001180 sulfating effect Effects 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- CFJRPNFOLVDFMJ-UHFFFAOYSA-N titanium disulfide Chemical compound S=[Ti]=S CFJRPNFOLVDFMJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
- H01M10/0563—Liquid materials, e.g. for Li-SOCl2 cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/133—Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Description
* ** Λ- Ν.Ο.5Ο.364* ** Λ- Ν.Ο.5Ο.364
Oplaadbare, volledig anorganische niet waterige Li/SO^ cel met als elektrolytzout LiGaCl.Rechargeable, fully inorganic non-aqueous Li / SO4 cell with the electrolyte salt LiGaCl.
De uitvinding heeft betrekking op bij kamertemperatuur oplaad, bare, niet waterige cellen voorzien van aktieve metaalanoden zoals lithium, en meer in het bijzonder op dergelijke cellen met zwavel-dioxide-elektrolyt-oplosmiddel/kathode depolarisatoren.The invention relates to charging at room temperature, bare, non-aqueous cells provided with active metal anodes such as lithium, and more particularly to such cells with sulfur dioxide electrolyte solvent / cathode depolarizers.
5 In het verleden is aanzienlijke moeite gedaan om een praktisch bruikbare en commercieel accepteerbare, bij kamertemperatuur werkende, oplaadbare lithiumcel te ontwikkelen die ten opzichte van de gebruikelijke oplaadbare lood-zuur en nikkel-cadmium batterijen de voordelen van hoger rendement, lager gewicht en langere primaire 10 levensduur bezitten, zodat meer tijd tussen de laadcyclussen beschikbaar is. Deze pogingen hebben wisselend succes opgeleverd, bergelijke cellen bezitten echter zelden een herlaad-rendement van meer dan 80 % over een groot aantal laad- en ontlaadcyclussen. bit cyclusrendement verschilt zeer van het zeer hoge rendement bij 15 het afzetten van lithium, aangezien lithium uit de elektrolyt- oplossing die doorgaans in lithiumcellen gebruikt wordt, wordt afgezet met een rendement dat de 100 % nadert (de omkeerstroom van de reactie hi Ii+ + e~" is erg hoog, in de orde van grootte van '' 1 x lO^ó/cm ). Het hergebruiktsrendement houdt daarentegen verband 20 met de daaropvolgende anodische orydatie van het afgezette lithium, waarbij in het algemeen de effectiviteit van het afgezette lithium als anodemateriaal snel met het aantal laad- en ontlaadcyclussen afneemt ondanks het hoge afzetrendement.5 Significant efforts have been made in the past to develop a practically usable and commercially acceptable room temperature rechargeable lithium cell which, over conventional rechargeable lead acid and nickel cadmium batteries, has the advantages of higher efficiency, lower weight and longer primary 10 have a service life so that more time between charge cycles is available. These attempts have had varying degrees of success, however, saline cells seldom have a recharge efficiency of more than 80% over a large number of charge and discharge cycles. bit cycle efficiency is very different from the very high efficiency when depositing lithium, since lithium is deposited from the electrolyte solution commonly used in lithium cells with an efficiency approaching 100% (the reverse current of the reaction hi Ii + + e ~ "is very high, on the order of" 1 x 10 × 10 / cm). The recycling efficiency, on the other hand, is related to the subsequent anodic orydation of the deposited lithium, generally involving the effectiveness of the deposited lithium as anode material decreases rapidly with the number of charge and discharge cycles despite the high sales efficiency.
Er kunnen verschillende redenen worden aangewezen voor het ver-25 klaren van het niet efficient zijn an het afgezette lithium bij herhaalde anodische oxydatie en van cellen waarin dergelijke anoden voorkomen. Eén reden die gegeven wordt is dat lithium dendritisch wordt afgezet en, vooral bij het kleine kontaktpunt met het anode-substraat, bedekt wordt met een isolerende laag die het elektrisch 30 van het anodesubstraat isoleert ondanks zijn fysische aanwezigheid op de anode, be afgezette lithium dendrieten zijn, omdat zij elektrisch geïsoleerd worden, niet meer beschikbaar voor een efficiënte anodische oxydatie tijdens de ontlading, bovendien zijn de neergeslagen lithium dendrieten bros en kunnen ge makkelijk mechanisch van 35 het anodesubstraat losraken. Het losgeraakte lithium is daarna verloren voor ontlading en verdere afzetting omdat het onoplosbaar is 8104075 4; ΐ 2 in het elektrolyt. let rendement wordt derhalve verminderd door verarming aan lithium dat beschikbaar is voor het herhaald doorlopen van de laad- en ontlaadcyclus.Several reasons can be given for explaining the inefficiency of the deposited lithium on repeated anodic oxidation and of cells containing such anodes. One reason given is that lithium is dendritically deposited and, especially at the small contact point with the anode substrate, is covered with an insulating layer that electrically insulates the anode substrate despite its physical presence on the anode, deposited lithium dendrites. because they are electrically insulated, they are no longer available for efficient anodic oxidation during discharge, moreover, the precipitated lithium dendrites are brittle and can easily become mechanically detached from the anode substrate. The loosened lithium is then lost to discharge and further deposition because it is insoluble 8104075 4; ΐ 2 in the electrolyte. The efficiency is therefore reduced by depletion of lithium available for repeated completion of the charge and discharge cycle.
let elektrisch geïsoleerde lithium ontstaat in het algemeen 5 door de interactie van lithium met het organische oplosmiddel (of -middelen) die in de cellen gebruikt worden. Wanneer de cel hergebruikt wordt, wordt het'lithiumme taal af gezet in de vorm van dendrieten met groot oppervlak, welke daardoor in steeds toenemende mate reageren met het elektrolyt oplosmiddel, in het bijzonder aan 10 de neerslagzijde waardoor geïsoleerde oppervlaktelagen worden gevormd met een steeds groter wordend oppervlak, en het aldus afgezette lithium in toenemende mate elektrisch geïsoleerd wordt van de anode. Deze lagen vertonen, indien op uitgebreide schaal gevormd, ook de neiging om de snelheid te beperken waarin de lithium kationen in 15 de oplossing treden en verminderen zo ook de capaciteit van de cel. Bovendien zijn de reactieprodukten van lithium en de doorgaans gebruikte elektrolyt-oplosmiddelen (in het „bijzonder met., betrekking tot het oplosmiddel) van nature niet omkeerbaar. Daardoor worden de elektrolyt-oplosmiddelen tijdens herhaalde eyclussen zelf verarmd 20 met verlies aan geleidingsvermogen en aan vermogen van de cel.Electrically isolated lithium generally results from the interaction of lithium with the organic solvent (s) used in the cells. When the cell is reused, the lithium metal is deposited in the form of large-area dendrites, which thereby increasingly react with the electrolyte solvent, especially on the precipitate side, thereby forming isolated surface layers of increasing surface, and the lithium thus deposited is increasingly electrically isolated from the anode. These layers, when extensively formed, also tend to limit the rate at which the lithium cations dissolve and thus also decrease the capacity of the cell. In addition, the reaction products of lithium and the commonly used electrolyte solvents (especially with respect to the solvent) are not naturally reversible. Therefore, the electrolyte solvents themselves become depleted during repeated cycle cycles with loss of conductivity and cell power.
De reactieprodukten die uit de oplosmiddelen ontstaan hebben ook de neiging om als schadelijke verontreinigingen te werken waardoor de capaciteit van de cel verder wordt gereduceerd. Bovendien kan zelfs het lithium dat in zulke reactieprodukten voorkomt ook verloren gaan 25 waardoor de hoeveelheid lithium die voor hergebruik beschikbaar is verder afneemt.The reaction products resulting from the solvents also tend to act as harmful impurities, further reducing the capacity of the cell. Moreover, even the lithium contained in such reaction products can also be lost, further decreasing the amount of lithium available for reuse.
Fropyleencarbonaat zal bijvoorbeeld met lithium reageren en een isolerende laag lithiumcarbonaat en propyleengas vormen dat niet omgekeerd kan worden om het oorspronkelijke oplosmiddel te krijgen.For example, fropylene carbonate will react with lithium to form an insulating layer of lithium carbonate and propylene gas that cannot be reversed to get the original solvent.
30 Hoewel een gedeelte van het lithium tijdens het laden teruggewonnen kan worden is het lithiumcarbonaat niet efficiënt omkeerbaar naar zijn samenstellende elementen. Daardoor gaat een deel van het lithium, voor de verdere cyclussen verloren. Op gelijke wijze vormen andere oplosmiddelen zoals tetrahydrofuran en acetonitrile complexe reactie-35 produkten met lithium die ook niet omkeerbaar zijn. Door hun aard moeten de organische oplosmiddelen inderdaad reageren met de lithium-anode. Teneinde de elektrolytzouten die voor het geleidingsvermogen nodig zijn te ontbinden, moeten de organische elektrolyten enigszins polair zijn en het is juist deze eigenschap die veroorzaakt dat der-40 gelijke oplosmiddelen met lithium reageren waarbij niet omkeerbare 8104075 ' «c i 3 reactieprodukten ontstaan.Although some of the lithium can be recovered during charging, the lithium carbonate is not efficiently reversible to its constituent elements. As a result, part of the lithium is lost for further cycles. Similarly, other solvents such as tetrahydrofuran and acetonitrile form complex reaction products with lithium which are also not reversible. By their nature, the organic solvents must indeed react with the lithium anode. In order to dissolve the electrolyte salts required for conductivity, the organic electrolytes must be slightly polar, and it is precisely this property that causes such solvents to react with lithium to form non-reversible reaction products.
Teneinde een zeer efficiënte oplaadbare cel te verschaffen moet, in overeenstemming met de onderhavige uitvinding, het afgezette lithium een verminderd dendrietkarakter bezitten en niet be-5 dekt worden met een niet omkeerbare isolerende laag. Ook is het wezenlijk dat nagenoeg alle actieve componenten van de oei de laad-en herlaadcyclus geheel doorlopen zonder het introduceren of ontstaan van extra reactie bij produkten die van nature niet omkeerbaar zijn. In overeenstemming hiermee zijn vrije organische oplos-10 middelen of hulp-oplosmiddelen van de cellen volgens de onderhavige uitvinding uitgesloten. Alhoewel verder het probleem van het herlaad-rendement beschreven is als zijnde inherent aan de lithiumcellen met organische oplosmiddelen, vertonen de cellen met slechts anorganische bestanddelen zoals een lithiumcel met een anorganisch thionyl-15 chloride oplosmiddel/kathode-depolarisator dezelfde problemen wat betreft het inefficiënte hergebruik. Bij de reactie van thionyl-chloride met lithium ontstaan de reactieprodukten lithiumchloride en een instabiel ’S01 dat niet effectief met de oorspronkelijke beginmaterialen gecombineerd kan worden. Zodoende moet het elektrolyt-20 oplosmiddel en kathode-depolarisator, zelfs als het anorganisch is, slechts met het anodemetaal reageren alleen voorzover totaal omkeerbare reactieprodukten ontstaan.In order to provide a highly efficient rechargeable cell, in accordance with the present invention, the deposited lithium must have a reduced dendrite character and not be covered with a non-reversible insulating layer. It is also essential that virtually all active components of the oil complete the loading and reloading cycle without introducing or creating additional reaction in products that are not naturally reversible. Accordingly, free organic solvents or cosolvents from the cells of the present invention are excluded. Although the recharge efficiency problem has further been described as being inherent in the lithium cells with organic solvents, the cells with only inorganic constituents such as a lithium cell with an inorganic thionyl-15 chloride solvent / cathode depolarizer exhibit the same problems in inefficient reuse . The reaction of thionyl chloride with lithium produces the reaction products lithium chloride and an unstable SO1 which cannot be effectively combined with the original starting materials. Thus, the electrolyte solvent and cathode depolarizer, even if inorganic, must only react with the anode metal only to the extent that totally reversible reaction products are formed.
Onlangs zijn kathode-depolariserende materialen gevonden die zelf in hoge mate herlaadbaar zijn. Voorbeelden van dergelijke mate-25 rialen omvatten de gelaagde metaalchalcogenide-verbindingen zoals beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4*009*052, die lithium-ionen tussenvoegen in de ruimte tussen de lagen die niet aan de volledige reactie meedoen. Deze eigenschap maakt ze effectief omkeerbaar en herlaadbaar. Als deze materialen echter in lithiumcellen 30 bij omgevingstemperatuur met organische elektrolyten worden gebruikt blijft de cel als geheel inefficiënt herlaadbaar.Recently, cathode depolarizing materials have been found that are highly rechargeable themselves. Examples of such materials include the layered metal chalcogenide compounds as described in US Patent 4 * 009 * 052, which insert lithium ions into the space between the layers that do not participate in the full reaction. This property makes them effectively reversible and rechargeable. However, when these materials are used in lithium cells at ambient temperature with organic electrolytes, the cell as a whole remains inefficiently rechargeable.
Verschillende pogingen zijn ondernomen om het rendement en de herlaadbaarheid van de lithium-anoden in niet waterige cellen te verbeteren. Hierbij werd-meestal gepoogd het dendritisch afzetten 35 van het lithium te minimaliseren door gebruik van uiteenlopende middelen zoals toevoegingen, legeren van de lithium-anode, gebruik van bepaalde elektrolytzouten en oplosmiddelen en dergelijke. In de Amerikaanse oetrooischriften 3*953*302 en 4*091*152 wordt het gebruik van metaalzout-toevoegingen beschreven, die bestaan uit metalen die 40 door lithium kannen worden gereduceerd en die samen met lithium 81 0 4 0 75.Various attempts have been made to improve the efficiency and rechargeable of the lithium anodes in non-aqueous cells. Attempts have generally been made to minimize the dendritic deposition of the lithium by using various means such as additives, alloying the lithium anode, use of certain electrolyte salts and solvents and the like. U.S. Pat. Nos. 3 * 953 * 302 and 4 * 091 * 152 disclose the use of metal salt additives, which consist of metals that can be reduced by lithium jugs 40 and which together with lithium 81 0 4 0 75.
* N> 4 tijdens het laden worden afgezet en lithiumrijke metalen of legeringen vormen. Het gebruik van polyalkyleenglycolethers wordt in het Amerikaanse octrooischrift 3*928.067 beschreven als een verbetering van de hergebruik eigenschappen van de lithiumcellen doordat de mor-5 fologie van het afgezette lithium wordt verbeterd. Hoewel zulke pogingen leidden tot een verbeterde herlaadbaarheid, bevatten dergelijke cellen nog steeds organische elementen die, zoals beschreven, een werkelijk efficiënte herlaadbaarheid van cellen beletten. Het dendritisch afzetten van lithium in secundaire cellen wordt beschre-10 ven in het Amerikaanse octrooischrift 4*139.680 en zou effectief voorkomen kunnen worden door het gebruik van clovoboraat-elektrolyt-zouten. Dergelijke elektrolytzouten zijn echter moeilijk door synthese te vervaardigen en zijn dienovereenkomstig zeer kostbaar. In het Amerikaanse octrooischrift 3-580.828 worden de concentraties en 15 de stroomdichtheidsgrenzen van een bepaald elektrolytzout beschreven die, indien inachtgenomen, de lithium afzeteigenschappen verbeteren. Andere methoden om de herlaadbaarheid van afgezet lithium te verbeteren omvatten het aanvankelijke gebruik van gelegeerde lithium-anoden in het bijzonder met aluminium, zoals beschreven wordt in het 20 Amerikaanse octrooischrift 4.002.492.* N> 4 are deposited during charging and form lithium-rich metals or alloys. The use of polyalkylene glycol ethers is described in U.S. Pat. No. 3,928,067 as improving the reuse properties of the lithium cells by improving the morphology of the deposited lithium. While such efforts have led to improved rechargeable, such cells still contain organic elements which, as described, prevent truly efficient recharging of cells. The dendritic deposition of lithium in secondary cells is described in U.S. Patent 4 * 139,680 and could be effectively prevented through the use of clovoborate electrolyte salts. However, such electrolyte salts are difficult to produce by synthesis and are accordingly very expensive. United States Patent 3-580,828 describes the concentrations and current density limits of a particular electrolyte salt which, if taken into account, improve lithium deposition properties. Other methods of improving the reloadability of deposited lithium include the initial use of alloyed lithium anodes, particularly with aluminum, as described in U.S. Patent 4,002,492.
Algemene verbeteringen aan oplaadbare cellen omvatten het gebruik van complexe anorganische lithiumzouten als ladingoverdraag-middelen (Amerikaans octrooischrift 3.746.585) en het oordeelkundig gebruik van organische hulpoplosmiddelen met SOg teneinde de oplos-25 baarheid van de elektrolytzouten te verbeteren (Amerikaans octrooischrift 3.953.234)· Het gebruik van oplosmiddelen die verhoudingsgewijs stabiel zijn ten opzichte van de lithium anode wordt op zichzelf beschreven in bijvoorbeeld het Amerikaanse octrooischrift 3.540.988 als zijnde noodzakelijk om een vergrote oplaadbaarheid van 30 de cellen te verkrijgen.General improvements in rechargeable cells include the use of complex inorganic lithium salts as charge transfer agents (US Patent 3,746,585) and the judicious use of organic cosolvents with SOg to improve the solubility of the electrolyte salts (US Patent 3,953,234) The use of solvents that are relatively stable to the lithium anode is described per se in, for example, U.S. Pat. No. 3,540,988 as being necessary to obtain increased cell rechargeable power.
Verschillende systemen vereisen externe mechanische delen zoals gesmolten lithiumcellen (niet zonder meer onderworpen aan het dendritisch afzetten) waarbij uitgebreide verwarmings- en afschermdelen nodig zijn maar die de meest efficiënte beschikbare lithiumcellen 35 zijn omdat er geen dendrieten of lagen op het gesmolten lithium zitten. Andere systemen omvatten cyclische elektrolyten zoals beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4.154*902 waarbij gecompliceerde circulatiemiddelen nodig zijn.Various systems require external mechanical parts such as molten lithium cells (not simply subject to dendritic deposition) requiring extensive heating and shielding parts but which are the most efficient lithium cells available because there are no dendrites or layers on the molten lithium. Other systems include cyclic electrolytes as described in U.S. Pat. No. 4,154 * 902 that require complicated circulators.
Voor elektrolytische processen met lithiumafzetting zijn in het 40 algemeen organische oplosmiddeldragers voor het elektrolytzout nodig, 8104075 5 voor hoog geleidingsvermogen en efficiënte afzetting van het lithium metaal. Voorbeelden van dergelijke afzetprocessen van lithium zijn bekend uit de .Amerikaanse octrooischriften 5*791«945 en 5»530.828. Cellen als bovenbeschreven (behalve die elektrolyt-clovoboraatzouten 5 bevatten) vereisen ereneens organische oplosmiddelen voor hoog gelei-dingsvermogen en het efficiënt af zetten van lithium.Electrolytic lithium deposition processes generally require organic solvent carriers for the electrolyte salt, 8104075 for high conductivity and efficient deposition of the lithium metal. Examples of such lithium deposition processes are known from U.S. Pat. Nos. 5,791,945 and 5,530,828. Cells as described above (except those containing electrolyte clovoborate salts 5) also require organic solvents for high conductivity and efficient deposition of lithium.
De elektrolytische afzetting van lithium in een elektrolyt bestaande uit lithium en natriumtetrachlooraluminaat of lithium en natriumtetrabroomaluminaat opgelost in zuiver zwaveldioxide (zonder 10 organische hulpoplosmiddelen) wordt beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 5*495*453· Het ontladingsgedrag van dergelijke cellen is echter zeer beperkt omdat de ontladingscapaciteit aanzienlijk kleiner is dan de theoretische capaciteit. Aangezien deze genoemde zouten daarin beschreven worden als de enige zouten die voldoende 15 oplosbaarheid en geleidingsvermogen in zuiver S02 hebben voor efficiënte afzetting, zijn bij cellen met andere zouten in vloeibaar SOg verdere organische hulpoplosmiddelen als hierboven vermeld en beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3*953*234 nodig.The electrolytic deposition of lithium in an electrolyte consisting of lithium and sodium tetrachloroaluminate or lithium and sodium tetrabromoaluminate dissolved in pure sulfur dioxide (without organic auxiliary solvents) is described in U.S. Patent 5 * 495 * 453. However, the discharge behavior of such cells is very limited because the discharge capacity is considerably less than the theoretical capacity. Since these salts are disclosed therein as the only salts that have sufficient solubility and conductivity in pure SO2 for efficient deposition, in cells with other salts in liquid SO2, further organic co-solvents are as mentioned above and described in U.S. Patent 3 * 953 * 234 needed.
Een van de doeleinden van de onderhavige uitvinding is het ver-20 schaffen van een zeer efficiënte, bij kamertemperatuur oplaadbare anorganische lithiumcel of ander alkali- of aardalkalimetaalcel die hoofdzakelijk slechts omkeerbare reactieprodukten bevat en zowel efficient ontlaadbaar als nagenoeg geheel oplaadbaar is gedurende lange perioden van laad- en ontlaadcyclussen.One of the objects of the present invention is to provide a highly efficient, room temperature rechargeable inorganic lithium cell or other alkali or alkaline earth metal cell which contains mainly only reversible reaction products and is both efficiently discharged and substantially rechargeable during long periods of charge and discharge cycles.
25 Deze en andere doeleinden, bijzonderheden en voordelen van de onderhavige uitvinding zullen thans nader worden toegelicht aan de hand van de hierna volgende beschrijving en de figuur:...These and other objects, features and advantages of the present invention will now be further elucidated with reference to the following description and the figure: ...
De figuur stelt het spanningsverloop bij de laad- en ontlaad-cyclus van een cel volgens de onderhavige uitvinding voor.The figure represents the voltage variation in the charge and discharge cycle of a cell according to the present invention.
30 De onderhavige uitvinding betreft hoofdzakelijk een volledig anorganische, niet waterige, efficiënt herlaadbare cel met een IftM-nm of ander actief metaal (in het algemeen alkali of aardalkali metalen of legeringen daarvan) voor de anode en een uitsluitend anorganisch elektrolyt oplosmiddel dat in hoofdzaak uit zwaveldioxide 35 bestaat, dat ook als kathode-depolarisator kan dienen(met een inerte doorgaans koolstofkathode) en een anorganisch galliumzout zoals galliumhalogenide met anodemetaalkationen en LiGaCl^ (met een lithium kation en een GaCl^ anion in een lithium anodecel) in het bijzonder, opgelost in genoemd zwaveldioxide-elektrolyt-oplosmiddel. Andere 40 galliumzouten zoals Li20(GaCl^)2 en Li2S(GaClj)2 ( net respectievelijk 8104075 6 *“2 _2 lithiumkationen en 0(GaCl^)2” en S(GaCl^)2” anionen) zijn beschreven in de octrooiaanvrage M-5465· Een volledig omkeerbare vaste kathode-depolarisator zoals een intercalatieverbinding kan als extra gebruikt worden bij het S02 elektrolyt-oplosmiddel. Voorbeelden van 5 dergelijke vaste kathode-depolarisatoren zijn chroomoxide (Seloxette), titaniumdisulfide, magnesiumdioxide enz. De cel is efficiënt te herladen omdat alle daarin verlopende reacties, inclusief de interne reacties tussen de celcomponenten, zoals tussen de lithium-anode en het S02 oplosmiddel en de elektrochemische celreactieprodukten hoofd-10 zakelijk alleen omkeerbare produkten geven van bijvoorbeeld lithium-disulfide dat 100 % omkeerbaar is bij herlading of geintercalateerd of op dergelijke wijze reagerend lithium, dat eveneens volledig omkeerbaar is. Bovendien vermindert het gebruik van galliumzouten het dendritische afzetten eveneens aanzienlijk.The present invention mainly relates to a fully inorganic, non-aqueous, efficiently rechargeable cell with an IftM-nm or other active metal (generally alkali or earth alkali metals or alloys thereof) for the anode and an exclusively inorganic electrolyte solvent consisting essentially of sulfur dioxide 35, which can also serve as a cathode depolarizer (with an inert usually carbon cathode) and an inorganic gallium salt such as gallium halide with anode metal cations and LiGaCl 2 (with a lithium cation and a GaCl 2 anion in a lithium anode cell) in particular, dissolved in said sulfur dioxide electrolyte solvent. Other 40 gallium salts such as Li20 (GaCl ^) 2 and Li2S (GaClj) 2 (with 8104075 6 * "2 _2 lithium cations and 0 (GaCl ^) 2" and S (GaCl ^) 2 "anions, respectively) are described in patent application M -5465 · A fully reversible solid cathode depolarizer such as an intercalation compound can be additionally used with the SO 2 electrolyte solvent. Examples of such solid cathode depolarizers are chromium oxide (Seloxette), titanium disulfide, magnesium dioxide, etc. The cell is efficient to recharge because all the reactions going on therein, including the internal reactions between the cell components, such as between the lithium anode and the SO 2 solvent and the electrochemical cell reaction products give essentially only reversible products of, for example, lithium disulfide which is 100% reversible on recharge or intercalated or reactive lithium, which is also fully reversible. In addition, the use of gallium salts also significantly reduces dendritic deposition.
15 In het algemeen zijn alle hulpoplosmiddelen die normaliter in niet waterige lithium/SQ2 cellen gebruikt worden zoals propyleen-carbonaat, acetonitrile, tetrahydrofuran, dioxolaan, /-butrolacton en dergelijke schadelijk als hulpoplosmiddelen in de onderhavige uitvinding aangezien zij neigen om complexe niet omkeerbare reactie-20 produkten te vormen aan de actieve metaalanoden zoals lithium. Zodoende is een vereiste van de onderhavige uitvinding dat het elektrolyt oplosmiddel volledig anorganisch is. Het is echter niet voldoende dat het elektrolyt oplosmiddel geheel anorganisch is aangezien het meest algemeen gebruikte anorganische oplosmiddel in volledig 25 anorganische cellen, thionylchloride, zoals hierboven beschreven, ook niet omkeerbare reactieprodukten vormt met een actieve metaal-anode als lithium. Dienovereenkomstig is het anorganische oplosmiddel van de onderhavige uitvinding specifiek S02 dat met lithium reageert ' door de vorming van volledig omkeerbaar lithiumdithioniet. Zwavel-30 dioxide is echter een relatiefslecht oplosmiddel voor lithiumzou-ten aangezien het een acceptor oplosmiddel is dat primair in wisselwerking treedt met het elektrolyt zout anion in plaats van met het kation. Dienovereenkomstig zijn organische oplosmiddelen (normaliter donor oplosmiddelen) teneinde de oplosbaarheid en het geleidings-35 vermogen te verbeteren, onveranderlijk daarmee gekoppeld om een volledige oplossing te verkrijgen, waarbij de organische oplosmiddelen de elektrolytzout kationen sulfateren.zoals beschreven is in het Amerikaanse octrooischrift 3·955»234· Ie enige zouten die algemeen beschreven worden als voldoende oplosbaar in alleen SOg zijn de 40 bovengenoemde lithium en natriumtetrachlooraluminaten en boraten en 8104075 7 clovoboraten. Hoewel echter het zout in SCL oploshaar kan zijn? moet het ook een kathodisch geleidend (groter dan 1 x 10 ohm cm ) ion opleveren voordat het beschouwd kan worden als een aanvaardbaar elektrolyt. Zodoende zijn materialen als LiAlCl^ die oplosbaar en 5 elektrisch geleidend zijn in S02 niettemin ongeschikt voor de cellen van onderhavige uitvinding vanwege het lage kathodische geleidings-vermogen van het elektrolyt. He clovaboraatzouten die oplosbaar en kathodisch geleidend zijn, zijn echter erg kostbaar. He elektrolyt-zouten van onderhavige uitvinding die in het bijzonder galliumzouten 10 zijn zoals halogeniden met anodemetaalkationen, blijken oplosbaar en een hoog kathodisch geleidingsvermogen op te leveren in zuiver S02· Bovendien zijn ze vergeleken met de clovoboraatzouten relatief weinig kostbaar.In general, any co-solvents normally used in non-aqueous lithium / SQ2 cells such as propylene carbonate, acetonitrile, tetrahydrofuran, dioxolane, / -butrolactone and the like are detrimental as co-solvents in the present invention as they tend to complex non-reversible reaction. 20 to form products on the active metal anodes such as lithium. Thus, a requirement of the present invention is that the electrolyte solvent be completely inorganic. However, it is not sufficient for the electrolyte solvent to be completely inorganic since the most commonly used inorganic solvent in fully inorganic cells, thionyl chloride, as described above, also forms irreversible reaction products with an active metal anode such as lithium. Accordingly, the inorganic solvent of the present invention is specifically SO 2 which reacts with lithium by forming fully reversible lithium dithionite. Sulfur dioxide, however, is a relatively poor solvent for lithium salts since it is an acceptor solvent that interacts primarily with the electrolyte salt anion rather than the cation. Accordingly, in order to improve solubility and conductivity, organic solvents (normally donor solvents) are invariably coupled thereto to obtain a complete solution, the organic solvents sulfating the electrolyte salt cations as described in U.S. Pat. The only salts generally described as sufficiently soluble in SO 2 alone are the above 40 lithium and sodium tetrachloroaluminates and borates and 8104075 7 clovoborates. Although, however, the salt in SCL can be soluble hair? it must also yield a cathodically conductive (greater than 1 x 10 ohm cm) ion before it can be considered an acceptable electrolyte. Thus, materials such as LiAlCl 2 which are soluble and electrically conductive in SO 2 are nevertheless unsuitable for the cells of the present invention due to the low cathodic conductivity of the electrolyte. However, the clovaborate salts that are soluble and cathodically conductive are very expensive. The electrolyte salts of the present invention, which are in particular gallium salts such as halides with anode metal cations, are found to be soluble and to provide high cathodic conductivity in pure SO2. Moreover, they are relatively inexpensive compared to the clovoborate salts.
Er wordt de voorkeur aan gegeven dat het anpdemetaal op een 15 metaalfoliesubstraat rust. Een substraat waar de voorkeur aan wordt gegeven voor een lithium-anode is een koperfolie met het lithium in de vorm van een sandwich aangebracht aan beide zijden van het koper.It is preferred that the pendant metal rest on a metal foil substrate. A preferred substrate for a lithium anode is a copper foil with the lithium in the form of a sandwich applied to both sides of the copper.
Bij een S02 kathode-depolarisator bestaat de kathode uit een inert materiaal als koolstof, gedragen door een in het algemeen 20 metalen substraat als een geexpandeerd metaal bijvoorbeeld aluminium.In an SO2 cathode depolarizer, the cathode consists of an inert material such as carbon, supported by a generally metal substrate such as an expanded metal, for example aluminum.
Het meest geprefereerde galliumhalogenidezout dat het vereiste geleidingsvErmogen in S0,, heeft zonder de noodzaak van organische hulpoplosmiddelen is een zout met een galliumtetrachloride-anion zoals een HiGaCl^ zout voor gebruik in een lithiumanodecel zoals be-25 schreven in het imerikaanse octrooischrift 4 «177· 529· In genoemd octrooischrift zijn de galliumzouten echter specifiek beschreven om gebruikt te worden in een cel die anorganisch SOClg bevat en niet herlaadbaar is overeenkomstig de onderhavige uitvinding.The most preferred gallium halide salt that has the required conductivity in SO4, without the need for organic cosolvents, is a salt with a gallium tetrachloride anion such as a HiGaCl salt for use in a lithium anode cell as described in U.S. Patent 4,177 529 However, in said patent, the gallium salts are specifically described for use in a cell containing inorganic SOClg and not rechargeable in accordance with the present invention.
Gebleken is dat dergelijke zouten ter plaatse gevormd kunnen 30 worden in een zuiver SOg oplosmiddel door de reactie tussen bijvoorbeeld LiCl en GaCl^ waarbij LiGaCl^ wordt gevormd. Hit wordt gevoegd bij het ter plaatse gevormde zout in een SOClg oplosmiddel zoals in genoemd octrooischrift beschreven is.It has been found that such salts can be formed in situ in a pure SOg solvent by the reaction between, for example, LiCl and GaCl 2 to form LiGaCl 2. Hit is added to the locally formed salt in a SOClg solvent as described in said patent.
Het LiGaCl. zout kan ook bereid worden door een rechtstreekse 4 35 fusie van LiCl en GaCl, door deze materialen in stoechiometrische o hoeveelheden te smelten en de smelt te laten kristalliseren.The LiGaCl. salt can also be prepared by a direct fusion of LiCl and GaCl, by melting these materials in stoichiometric amounts and allowing the melt to crystallize.
Zoals in tabel 1 is aangegeven heeft het elektrolytzout LiGaCl^ een hoog geleidingsvermogen over een breed temperatuurgebied zelfs als het uiteengevallen is in een relatief arm elektrolyt-oplosmiddel 40 bestaande uit zuiver SO^.As indicated in Table 1, the electrolyte salt LiGaCl 4 has a high conductivity over a wide temperature range even if it has decomposed into a relatively lean electrolyte solvent 40 consisting of pure SO 4.
8104075 ! \ ƒ 88104075! \ ƒ 8
TABEL ATABLE A
Temperatuur Geleidingsvermogen (1H LiGaCl^-SOg) (ohm cm)”1 40°C 5,32 x 10”2 30°C 5,27 x 10”2 20°C 5,17 X 10‘2 io°c 5,05 x 10"2 0°c 4,76 x 10”2 -10°C 4,45 x 10”2 -16,8°C 4,19 X 10”2Temperature Conductivity (1H LiGaCl ^ -SOg) (ohm cm) "1 40 ° C 5.32 x 10" 2 30 ° C 5.27 x 10 "2 20 ° C 5.17 X 10'2 io ° c 5, 05 x 10 "2 0 ° c 4.76 x 10" 2 -10 ° C 4.45 x 10 "2 -16.8 ° C 4.19 X 10” 2
Eveneens is gebleken dat bovengenoemd LiGaCl^ zout de dendri-tische afzetting van anodematerialen zoals lithium vermindert aangezien in de elektrolyt oplpssingen geen lithiumdeeltjes terecht komen evenmin als gedeeltelijk onoplosbare precipitaten, zelfs na 5 herhaalde cyclussen. Aangenomen wordt dat, daar de elektrolyt- oplossing vrij van zulke deeltjes blijft, het LiGaCl^ ook reinigende of verwijderende deeltjes vormt tijdens het laden die losgeraakte lithiumdendrieten en lithium afkomstig van lithiumreactieprodukten aan zowel de anode als de kathode reinigen c.q. verwijderen. Daardoor 10 keren de door de celreactie ontstane produkten zelfs als ze geïsoleerd zijn van de anode of kathode substraten terug in de vloeistof om zowel het anodemetaal als het elektrolyt-oplosmiddel te verbeteren.It has also been found that the above LiGaCl 2 salt reduces the dendritic deposition of anode materials such as lithium since no lithium particles enter the electrolyte solutions or partially insoluble precipitates even after 5 repeated cycles. Since the electrolyte solution remains free of such particles, the LiGaCl 2 is also believed to form cleaning or removing particles during charging which clean or remove loosened lithium dendrites and lithium from lithium reaction products on both the anode and cathode. Therefore, even when isolated from the anode or cathode substrates, the products produced by the cell reaction return to the liquid to improve both the anode metal and the electrolyte solvent.
Teneinde de doeltreffendheid van'de onderhavige uitvinding te 15 illustreren voor een efficiënt oplaadbare cel worden de volgende voorbeelden en vergelijkbare resultaten gegeven (ten opzichte van andere materialen die deel uitmaken van de huidige stand der techniek). Tenzij anders aangegeven zijn alle delen gewichtsdelen. VoorbasLd IIn order to illustrate the effectiveness of the present invention for an efficiently rechargeable cell, the following examples and similar results are given (relative to other materials which are part of the prior art). Unless otherwise indicated, all parts are parts by weight. Basic I
20 Een cel van formaat D wordt vervaardigd van spiraalvormig gewikkeld lithiumfolie (50,8 x 4,15 x 0,03 cm) en poreuze koolstof-elektroden (een geëxpandeerd aluminium substraat) (50,8 x 4,4 x 0,063) met een tussengelegen polypropyleen separator. De cel is gevuld met een oplossing van 1M LiGaCl^ in zuiver S02 (ongeveer 40 g).A format D cell is made of spirally wound lithium foil (50.8 x 4.15 x 0.03 cm) and porous carbon electrodes (an expanded aluminum substrate) (50.8 x 4.4 x 0.063) with a intermediate polypropylene separator. The cell is filled with a solution of 1M LiGaCl 2 in pure SO 2 (about 40 g).
25 De theoretische capaciteit van de lithium-anode is ongeveer 13. Ah en de capaciteit van het SOg is ongeveer 14 Ah. De cel doorloopt de laad- en ontlaadcyclussen bij 0,5A gedurende een 2-urige ontlading gevolgd door een 2-urige^ lading. De hoogte van de spanning van de 81 0Λ075 9 tweede en de negenenzestigste cyclus (de cel begaf het na de 69ste cyclus) zijn in de figuur weergegeven. Er is een nagenoeg verwaarloosbare verandering in de ontlaad- en laadspanning wat wijst op een hergebruiksrendement van bijna 100 %< 5 he herlaadbaarheid alleen is echter niet een voldoende krite- rium voor het nut van de cel. De cel moet ook goede primaire cel-eigenschappen bezitten. 33e volgende voorbeelden II-IV tonen de mogelijkheden van de cellen volgens de onderhavige uitvinding.The theoretical capacity of the lithium anode is about 13. Ah and the capacity of the SOg is about 14 Ah. The cell goes through the charge and discharge cycles at 0.5A during a 2-hour discharge followed by a 2-hour charge. The voltage levels of the 81 0Λ075 9 second and the sixty-ninth cycle (the cell failed after the 69th cycle) are shown in the figure. There is an almost negligible change in the discharge and charging voltage, indicating a reuse efficiency of almost 100% <5 h rechargeable, however, is not a sufficient criterion for the usefulness of the cell. The cell must also have good primary cell properties. 33rd following examples II-IV show the possibilities of the cells of the present invention.
Voorbeeld IIExample II
10 Een 'D* cel, vervaardigd zoals in voorbeeld I, is bij kamertem peratuur (55°C) en bij -30°C gepolariseerd met de resultaten zoals in tabel 33 vermeld.A 'D * cell, manufactured as in Example 1, is polarized at room temperature (55 ° C) and at -30 ° C with the results as shown in Table 33.
TABEL 33TABLE 33
i (λ)_Volt bi.i 25°C_Volt bi.i -50°Ci (λ) _Volt bi.i 25 ° C_Volt bi.i -50 ° C
15 onbelast 2,91 2,97 .026 2,89 2,85 .050 2,89 2,80 0,10 2,87 2,75 0,25 2,84 20 0,55 --- . 2,58 0,50 2,79 2,53 1,0 2,63 1,5 2,58 2,32 2.0 2,53 2,27 25 3,0 2,47 2,15 5.0 — 1,85 3)e verhoudingsgewijs hoge spanningen bij stromen boven 1 ampère tonen het hoge geleidingsvermogen van het elektrolytzout en goede 30 herlaadmogelijkheden van de oei zowel kamertemperatuur als lage temperaturen.15 unloaded 2.91 2.97 .026 2.89 2.85 .050 2.89 2.80 0.10 2.87 2.75 0.25 2.84 20 0.55 ---. 2.58 0.50 2.79 2.53 1.0 2.63 1.5 2.58 2.32 2.0 2.53 2.27 25 3.0 2.47 2.15 5.0 - 1.85 3 The relatively high voltages at currents above 1 ampere show the high conductivity of the electrolyte salt and good charging capabilities of the oil both at room temperature and low temperatures.
Voorbeeld III-IVExample III-IV
Twee "33n cellen zijn uitgevoerd als in voorbeeld I en ontladen met verschillende snelheden en temperaturen onder de omstandigheden 35 en met de resultaten zoals gegeven in tabel C.Two "33n cells were run as in Example I and discharged at different rates and temperatures under conditions 35 and with the results given in Table C.
TABEL CTABLE C
föorbeeLd temperatuur ontlaadbelasting capaciteit tot 2v III -30°C 4,4 ohm 3,5 Ah IV 25°C 0,25 A 9,5 Ah 8104075 / : &föorbeeLd temperature discharge load capacity up to 2v III -30 ° C 4.4 ohm 3.5 Ah IV 25 ° C 0.25 A 9.5 Ah 8104075 /: &
Aangezien de cel een theoretische capaciteit van 10 Ah heeft (beperkt door C) duit de capaciteit (90 %) die bij kamertemperatuur verkregen is bij een ontlaadstroom van 0,25 A op een zeer goed gedrag als primaire cel. De 5,5 -Ah die bij -50°C wordt bereikt is ook 5 een uitstekende prestatie bij lage temperaturen.Since the cell has a theoretical capacity of 10 Ah (limited by C), the capacity (90%) obtained at room temperature at a discharge current of 0.25 A reflects a very good behavior as a primary cell. The 5.5 -Ah achieved at -50 ° C is also an excellent low temperature performance.
Voorbeeld 7Example 7
Een cel vervaardigd overeenkomstig voorbeeld Γ maar met een anode bestaande uit twee (0,025 cm) folieën van lithium dat ingeklemd is tussen een koperfoliesubstraat, doorloopt bij 0,10 A cy-10 clussen van 10 uren ontladen en 10 uren laden. De cel geeft ongeveer 104 Ah, ongeveer 5 maal de oorspronkelijke lithiumcapaciteit. Voorbeeld 71A cell manufactured in accordance with Example Γ but with an anode consisting of two (0.025 cm) films of lithium sandwiched between a copper foil substrate, passes at 0.10 A cycles of 10 hours of discharge and 10 hours of charging. The cell gives about 104 Ah, about 5 times the original lithium capacity. Example 71
Een glazen cel is vervaardigd met behulp van een 2 cm x 0,5 cm li anode en een 2,0 x 0,5;cm katalytische koolstofkathode met onge- 15 veer 20 cc van 1M LigaCl. in zuiver S0„ elektrolyt. De cel wordt o 4 ^ ontladen bij 1 mA/cm gedurende 5 uur en wordt dan herladen bij 2A glass cell is made using a 2 cm x 0.5 cm li anode and a 2.0 x 0.5 cm catalytic carbon cathode with about 20 cc of 1M LigaCl. in pure SO4 electrolyte. The cell is discharged at 4 mA at 1 mA / cm for 5 hours and then charged at 2
1 mA/cm gedurende 5 uur, Ha 15 cyclussen is het lithiumoppervlak schoon en vrij van dendrieten en het elektrolyt blijft helder. Voorbeeld VII1 mA / cm for 5 hours, Ha 15 cycles, the lithium surface is clean and free from dendrites and the electrolyte remains clear. Example VII
;20 Twee cellen worden volgens voorbeeld I vervaardigd waarvan echter één een elektrolyt heeft bestaande uit 1M LiAlCl^ in zuiver S0? zoals beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3*493.433* \Two cells are manufactured according to example I, but one of which has an electrolyte consisting of 1M LiAlCl 2 in pure SO 2. as described in U.S. Pat. No. 3 * 493,433 * \
De cellen worden ontladen met de resultaten zoals in tabel D gegeven zijn.The cells are discharged with the results as given in Table D.
25 TABEL· D25 TABLE · D
Elektrolyt 0CV Capaciteit bij 0,25 AElectrolyte 0CV Capacity at 0.25 A.
_ontlaadstroom 1 M IiGaCl4 2,94V 9,0 Ah 1 M MAICI^ 3,26 0,38 Ah 30 Duidelijk blijkt uit bovenstaande vergelijking dat het elek-trolytzout LiAlCl^ volgens de stand van de techniek slechts een minimaal primair celgedrag in zuiver SOg levert en zeker ongeschikt is voor secundaire of herlaadbare cellen volgens de onderhavige uitvinding. Eveneens kan opgemerkt worden dat LiAlCl^ het elektrolyt-55 zoutiüat gekozen wordt in volledig anorganische cellen met lithium-anoden en thionylchloride elektrolyt-oplosmiddel/kathode-depolari-satoren.discharge current 1 M IiGaCl4 2.94V 9.0 Ah 1 M MAICI 3.26 0.38 Ah 30 It is clear from the above equation that the prior art electrolyte salt LiAlCl 2 provides only a minimal primary cell behavior in pure SOg and is certainly unsuitable for secondary or rechargeable cells of the present invention. It should also be noted that LiAlCl 2 electrolyte-55 salt is selected in fully inorganic cells with lithium anodes and thionyl chloride electrolyte solvent / cathode depolarizers.
De volgende voorbeelden worden gegeven ter verdere illustratie voor de onderhavige uitvinding van het herlaadvermogen van cellen 40 onder verschillende cyclusomstandigheden.The following examples are given to further illustrate for the present invention the reloading power of cells 40 under different cycle conditions.
81040758104075
VV
1111
Voorbeelden 7ΙΙΙ-ΣExamples 7ΙΙΙ-Σ
Drie cellen die in overeenstemming met voorbeeld V zijn vervaardigd en onder de omstandigheden van tabel E cyclussen doorlopen leveren de resultaten zoals in tabel V vermeld.Three cells made in accordance with Example V and cycling under the conditions of Table E provide the results as set forth in Table V.
✓✓
5 TABEL E5 TABLE E
Voorbeeld Proefomstandigheden Capaciteit (Ah) Toepassing (laden en ontladen) Li SOg VIII 0,5 A x 2 uren 73 360% 570% ontladen/laden IX 0,25 A x 4 uren 66 330% 500% 10 X 0,5 A (ontladen 80 400% 600% tot 2,5 v laden bij 3»5 vExample Test conditions Capacity (Ah) Application (charging and discharging) Li SOg VIII 0.5 A x 2 hours 73 360% 570% discharging / charging IX 0.25 A x 4 hours 66 330% 500% 10 X 0.5 A ( discharge 80 400% 600% to 2.5 V charge at 3 »5 V
Het spreekt vanzelf dat deze voorbeelden geen beperking van de gevraagde beschermingsomvang vormen.It goes without saying that these examples do not limit the scope of protection requested.
81040758104075
Claims (15)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US18686880A | 1980-09-12 | 1980-09-12 | |
| US18686880 | 1980-09-12 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NL8104075A true NL8104075A (en) | 1982-04-01 |
Family
ID=22686596
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NL8104075A NL8104075A (en) | 1980-09-12 | 1981-09-02 | RECHARGEABLE, FULLY INORGANIC NON-AQUEOUS LI / SO2 CELL WITH ELECTROLYT SALT LIGACL4. |
Country Status (23)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS57107576A (en) |
| KR (1) | KR830008419A (en) |
| AU (1) | AU543584B2 (en) |
| BE (1) | BE890101A (en) |
| BR (1) | BR8105538A (en) |
| CA (1) | CA1158305A (en) |
| DD (1) | DD202081A5 (en) |
| DE (1) | DE3133211A1 (en) |
| DK (1) | DK404081A (en) |
| ES (1) | ES8206919A1 (en) |
| FR (1) | FR2490407A1 (en) |
| GB (1) | GB2083942B (en) |
| GR (1) | GR74676B (en) |
| HK (1) | HK57989A (en) |
| IE (1) | IE52180B1 (en) |
| IL (1) | IL63515A (en) |
| IN (1) | IN157369B (en) |
| IT (1) | IT1138588B (en) |
| NL (1) | NL8104075A (en) |
| NO (1) | NO813104L (en) |
| PL (1) | PL232993A1 (en) |
| SE (1) | SE8105426L (en) |
| ZA (1) | ZA815453B (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4513067A (en) * | 1983-06-30 | 1985-04-23 | Duracell Inc. | Inorganic non-aqueous cell |
| EP0269855A3 (en) * | 1986-12-01 | 1988-09-07 | Whittaker Technical Products, Inc. | Rechargeable electrochemical cell |
| DE3826812A1 (en) * | 1988-08-06 | 1990-02-08 | Heitbaum Joachim | NONWATER, RECHARGEABLE GALVANIC LITHIUM ELEMENT WITH INORGANIC ELECTROLYTE SOLUTION |
| TWI251951B (en) * | 2003-09-19 | 2006-03-21 | Lg Chemical Ltd | Nonaqueous lithium secondary battery with cyclability and/or high temperature safety improved |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL6511298A (en) * | 1964-10-13 | 1966-04-14 | ||
| US3493433A (en) * | 1964-10-13 | 1970-02-03 | American Cyanamid Co | Electrodeposition of alkali metals from nonaqueous solvents |
| FR1556247A (en) * | 1967-11-15 | 1969-02-07 | ||
| GB1258498A (en) * | 1968-06-11 | 1971-12-30 | ||
| US3764385A (en) * | 1970-12-22 | 1973-10-09 | Exxon Research Engineering Co | Electric battery using complexed inorganic lithium salts as charge transfer agent |
| IL41154A0 (en) * | 1971-12-27 | 1973-02-28 | Gte Laboratories Inc | Electrochemical cell |
| US4091152A (en) * | 1973-08-16 | 1978-05-23 | P.R. Mallory & Co. Inc. | Lithium SO2 cell |
| US3953302A (en) * | 1973-08-16 | 1976-04-27 | P. R. Mallory & Co. Inc. | Prevention of dendritic plating of lithium |
| US3928067A (en) * | 1974-09-06 | 1975-12-23 | Bell Telephone Labor Inc | Polyalkylene glycol ethers in rechargeable lithium nonaqueous batteries |
| US4009052A (en) * | 1975-02-24 | 1977-02-22 | Exxon Research And Engineering Company | Chalcogenide battery |
| US4002492A (en) * | 1975-07-01 | 1977-01-11 | Exxon Research And Engineering Company | Rechargeable lithium-aluminum anode |
| JPS526446A (en) * | 1975-07-04 | 1977-01-18 | Mitsubishi Electric Corp | Unipole antenna |
| US4020240A (en) * | 1975-09-03 | 1977-04-26 | P. R. Mallory & Co., Inc. | Electrochemical cell with clovoborate salt in electrolyte and method of operation and composition of matter |
| US4154902A (en) * | 1976-09-13 | 1979-05-15 | American Energizer Corporation | Electric battery cell, system and method |
| US4075397A (en) * | 1977-03-01 | 1978-02-21 | Exxon Research & Engineering Co. | Cell having chalcogenide cathode and solvated alkali metal salt electrolyte |
| US4139681A (en) * | 1978-03-02 | 1979-02-13 | Exxon Research & Engineering Co. | Electrochemical cells having alkali metal anodes and electrolyte salt complex compositions including haloorganometallic alkali metal salt complexes |
| US4177329A (en) * | 1978-11-02 | 1979-12-04 | P. R. Mallory & Co. Inc. | Electrolyte salts for non aqueous electrochemical cells |
| US4238552A (en) * | 1979-07-03 | 1980-12-09 | P. R. Mallory & Co. Inc. | Electrolyte salt for non-aqueous electrochemical cells |
| IL60238A (en) * | 1980-06-05 | 1983-07-31 | Tadiran Israel Elect Ind Ltd | Cathode and electric cell containing same |
-
1981
- 1981-08-06 IL IL63515A patent/IL63515A/en not_active IP Right Cessation
- 1981-08-07 AU AU73876/81A patent/AU543584B2/en not_active Ceased
- 1981-08-07 ZA ZA815453A patent/ZA815453B/en unknown
- 1981-08-19 GR GR65822A patent/GR74676B/el unknown
- 1981-08-21 DE DE19813133211 patent/DE3133211A1/en active Granted
- 1981-08-25 GB GB8125832A patent/GB2083942B/en not_active Expired
- 1981-08-26 BE BE0/205779A patent/BE890101A/en not_active IP Right Cessation
- 1981-08-27 IE IE1958/81A patent/IE52180B1/en not_active IP Right Cessation
- 1981-08-31 BR BR8105538A patent/BR8105538A/en unknown
- 1981-09-01 ES ES505098A patent/ES8206919A1/en not_active Expired
- 1981-09-02 NL NL8104075A patent/NL8104075A/en not_active Application Discontinuation
- 1981-09-02 CA CA000385027A patent/CA1158305A/en not_active Expired
- 1981-09-03 FR FR8116765A patent/FR2490407A1/en active Granted
- 1981-09-09 IT IT23853/81A patent/IT1138588B/en active
- 1981-09-09 KR KR1019810003362A patent/KR830008419A/en not_active Withdrawn
- 1981-09-11 SE SE8105426A patent/SE8105426L/en not_active Application Discontinuation
- 1981-09-11 DD DD81233230A patent/DD202081A5/en unknown
- 1981-09-11 PL PL23299381A patent/PL232993A1/xx unknown
- 1981-09-11 NO NO813104A patent/NO813104L/en unknown
- 1981-09-11 JP JP56143713A patent/JPS57107576A/en active Granted
- 1981-09-11 DK DK404081A patent/DK404081A/en not_active Application Discontinuation
- 1981-10-12 IN IN654/DEL/81A patent/IN157369B/en unknown
-
1989
- 1989-07-20 HK HK579/89A patent/HK57989A/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA1158305A (en) | 1983-12-06 |
| NO813104L (en) | 1982-03-15 |
| ES505098A0 (en) | 1982-08-16 |
| FR2490407A1 (en) | 1982-03-19 |
| IT8123853A0 (en) | 1981-09-09 |
| IN157369B (en) | 1986-03-08 |
| JPS57107576A (en) | 1982-07-05 |
| JPH0345507B2 (en) | 1991-07-11 |
| GB2083942B (en) | 1984-05-16 |
| ZA815453B (en) | 1982-07-28 |
| DK404081A (en) | 1982-03-13 |
| BE890101A (en) | 1981-12-16 |
| DE3133211A1 (en) | 1982-04-29 |
| KR830008419A (en) | 1983-11-18 |
| GR74676B (en) | 1984-07-02 |
| SE8105426L (en) | 1982-03-13 |
| PL232993A1 (en) | 1982-06-21 |
| AU7387681A (en) | 1982-03-18 |
| FR2490407B1 (en) | 1985-03-22 |
| IE52180B1 (en) | 1987-08-05 |
| GB2083942A (en) | 1982-03-31 |
| IE811958L (en) | 1982-03-12 |
| DD202081A5 (en) | 1983-08-24 |
| ES8206919A1 (en) | 1982-08-16 |
| IL63515A (en) | 1984-05-31 |
| IT1138588B (en) | 1986-09-17 |
| IL63515A0 (en) | 1981-11-30 |
| HK57989A (en) | 1989-07-28 |
| AU543584B2 (en) | 1985-04-26 |
| DE3133211C2 (en) | 1990-09-13 |
| BR8105538A (en) | 1982-05-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | Aluminum as anode for energy storage and conversion: a review | |
| JP5172059B2 (en) | Rechargeable electrochemical cell | |
| Vincent | Lithium batteries: a 50-year perspective, 1959–2009 | |
| US4002492A (en) | Rechargeable lithium-aluminum anode | |
| KR101353363B1 (en) | Improvements relating to electrolyte compositions for batteries using sulphur or sulphur compounds | |
| US3751298A (en) | Thermal, rechargeable electrochemical cell having lithium monoaluminide electrode and lithium tetrachloroaluminate electrolyte | |
| CA2050886A1 (en) | Lithium/organosulfur redox cell having protective solid electrolyte barrier formed on anode and method of making same | |
| CA1164939A (en) | Method for increasing recycling life of non-aqueous cells | |
| JP2002513991A (en) | Coated lithium electrode having glass protective layer and method for producing the same | |
| JPS618850A (en) | Dense anode of lithium alloy for full solid battery | |
| JP2002075447A (en) | Electrolyte for lithium sulfur battery and lithium sulfur battery containing the same | |
| US5085955A (en) | Non-aqueous electrochemical cell | |
| US4888258A (en) | Lithium-lithium nitride anode | |
| US7598002B2 (en) | Enhanced electrochemical cells with solid-electrolyte interphase promoters | |
| EP0281352B1 (en) | Lithium-lithium nitride anode | |
| JP2001250559A (en) | Lithium secondary cell | |
| EP0139756B1 (en) | Rechargeable electrochemical apparatus and negative pole therefor | |
| US4362794A (en) | Electrolyte | |
| NL8104075A (en) | RECHARGEABLE, FULLY INORGANIC NON-AQUEOUS LI / SO2 CELL WITH ELECTROLYT SALT LIGACL4. | |
| US9786955B1 (en) | Assembly methods for liquid metal battery with bimetallic electrode | |
| JPH09270273A (en) | Polysulfide and carbon electrode materials and related methods | |
| US4397924A (en) | High temperature solid state storage cell | |
| Miles | Recent advances in lithium battery technology | |
| US20070111094A1 (en) | Synthesis of intermetallic negative electrodes for lithium cells and batteries | |
| JPH0351068B2 (en) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BV | The patent application has lapsed |