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DE102007054223A1 - Rechargeable lithium battery used in hybrid vehicles and electric cars comprises a molten mass containing lithium ions as electrolyte - Google Patents

Rechargeable lithium battery used in hybrid vehicles and electric cars comprises a molten mass containing lithium ions as electrolyte Download PDF

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DE102007054223A1
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Abstract

Rechargeable lithium battery comprises a molten mass containing lithium ions as electrolyte. The molten mass has a melting point of 61-170[deg] C.

Description

Stand der TechnikState of the art

Es sind einige Arten von Batterien zum Antrieb von Hybridfahrzeugen und Elektroautos bekannt. Übersichten gibt es in Baumann, W., Muth, A.: Batterien, Springer Verlag New York 1997 . Diese Batterien arbeiten mit wässrigen Elektrolyten. Sie sind entweder zu schwer, zu voluminös, zu leistungsschwach oder zu teuer, so dass Elektroautos über den Versuchs- und Prototypenstatus bisher nicht hinausgekommen sind. In Hybridautos wird die Batterie aus denselben Gründen durch einen Generator an der Arbeitsmaschine permanent aufgeladen und die Batterie nur kurzzeitig unabhängig davon beansprucht.There are some types of batteries known for driving hybrid vehicles and electric cars. Overviews are available in Baumann, W., Muth, A .: Batteries, Springer Verlag New York 1997 , These batteries work with aqueous electrolytes. They are either too heavy, too voluminous, too under-performance or too expensive, so that electric cars have so far not gone beyond the experimental and prototype status. In hybrid cars, the battery for the same reasons by a generator on the machine permanently charged and the battery only for a short time independently claimed.

Wiederaufladbare Lithium-Batterien, die mit Elektrolyten bei Raumtemperatur arbeiten, haben einen zu hohen elektr. Widerstand, so dass sie nicht zum Antrieb von Fahrzeugen geeignet sind. Das gleiche gilt für Polymer-Elektrolyt Batterien und auch für Na/Na-β-Alumina/NiCl2 – Batterien.Rechargeable lithium batteries, which work with electrolytes at room temperature, have too high an electr. Resistance, so they are not suitable for driving vehicles. The same applies to polymer electrolyte batteries and also to Na / Na-β-Alumina / NiCl 2 batteries.

Als einzige unter bestimmten Umständen brauchbare Batterie hat sich eine Batterie mit Elektroden aus einer Lithium-Silizium Legierung und einem Elektrolyt aus einem LiClNaClKCl-Eutektikum erwiesen. LiClNaClKCl ist ein Schmelzelektrolyt, der eine hohe Leitfähigkeit von >1 Ohm cm aufweist, aber eine Betriebstemperatur von 350°C erfordert und erhebliche Korrosionsprobleme an den Elektroden und am Behälter verursacht. Bei niedrigen Temperaturen schmelzende Elektrolyte, die Lithium-Ionen enthalten, wurden bisher nicht eingesetzt, weil sie nicht thermodynamisch stabil gegenüber den Elektroden aus Lithium und/oder Lithium-Legierungen sind und daher zu korrosiv wirken.When only battery usable under certain circumstances has a battery with electrodes of a lithium-silicon Alloy and an electrolyte from a LiClNaClKCl eutectic proved. LiClNaClKCl is a melting electrolyte that has high conductivity of> 1 ohm cm, but requires an operating temperature of 350 ° C and considerable Causes corrosion problems at the electrodes and the tank. At low temperatures melting electrolytes, the lithium ions have not previously been used because they are not thermodynamic stable against the electrodes of lithium and / or lithium alloys are therefore too corrosive.

Hybridfahrzeuge ohne permanente Aufladung der Batterie und Elektroautos generell sind deshalb bisher nicht marktfähig, weil eine geeignete mobile wiederaufladbare Batterie fehlt.hybrid vehicles without permanent charging of the battery and electric cars in general are therefore not marketable because a suitable Mobile rechargeable battery is missing.

Erfindunginvention

Erfindungsgemäß wird die mobile wiederaufladbare Batterie mit einer Schmelze betrieben, die Li-Ionen enthält und einen Schmelzpunkt zwischen 61°C und 170°C aufweist. Als Schmelzen kommen z. B. in Frage LiAlCl4 oder das bei ca. 61°C schmelzende Eutektikum aus LiClNaClKClAlCl3 oder LiClKClAlCl3, das einen Schmelzpunkt von 86°C hat, oder LiOHNaOHKOH mit einem Schmelzpunkt von 170°C. Diese Schmelzen haben eine Leitfähigkeit von >1 Ohm cm und sind thermodynamisch stabil bei durchwandernden Lithium-Ionen.According to the invention, the mobile rechargeable battery is operated with a melt containing Li ions and having a melting point between 61 ° C and 170 ° C. As melts come z. B. in question LiAlCl 4 or at about 61 ° C melting eutectic of LiClNaClKClAlCl 3 or LiClKClAlCl 3 , which has a melting point of 86 ° C, or LiOHa OHOH with a melting point of 170 ° C. These melts have a conductivity of> 1 ohm cm and are thermodynamically stable with migrating lithium ions.

Um die chemische Korrosion zu minimieren wird der Batterie-Behälter vorzugsweise aus Keramik gefertigt.Around To minimize the chemical corrosion becomes the battery container preferably made of ceramic.

Da bei höheren Spannungen von ca. 4 Volt Chlor-Aktivität festzustellen ist, arbeitet die Batterie vorzugsweise mit Lihium-haltigen Oxiden als positive Elektroden, so dass die Korrosion begrenzt wird.There at higher voltages of about 4 volts chlorine activity determine, the battery works preferably with Lihium-containing Oxides as positive electrodes, so that the corrosion is limited.

Es ist besonders praktikabel, wenn ein Glasfasergestrick mit der Schmelze getränkt wird, bevor dieses in den Zwischenraum zwischen die Elektroden eingesetzt wird.It is particularly practical when a glass fiber knit with the melt is soaked before this in the space between the electrodes are used.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Lithium-Batterie besteht nach 1 aus mehreren Zellen aus einem Keramik-Behälter 1, in den zwei Elektroden eingesetzt sind. Die Anode 2 besteht aus einem positiven Lihiumhaltigen Oxid, das noch bei hohen Chloraktivitäten sowohl im geladenen als auch im ungeladenen Zustand der Batterie thermodynamisch stabil ist. Die Kathode 3 besteht aus einer Lithium enthaltenden Elektrode, die aber nicht unbedingt ein Oxid sein muss, da dort Korrosion durch Chlor auszuschließen ist. Beim Laden und Entladen der Batterie wandern Lithium – Ionen zwischen den Elektroden hin und her.The lithium battery persists 1 of several cells from a ceramic container 1, in which two electrodes are used. The anode 2 consists of a positive Lihiumhaltigen oxide which is thermodynamically stable even at high chlorine activities, both in the charged and in the uncharged state of the battery. The cathode 3 consists of a lithium-containing electrode, which does not necessarily have to be an oxide, since there corrosion due to chlorine is ruled out. When charging and discharging the battery, lithium ions migrate between the electrodes.

Der Elektrolyt besteht aus dem Eutektikum von LiClNaClKClAlCl3 mit einer Schmelztemperatur von 61°C und einer hohen Leitfähigkeit von >1 Ohm cm. Mit dem Schmelzelektrolyt wird im Ausführungsbeispiel zuerst ein Glasfasergestrick vollständig getränkt, das dann in den Zwischenraum 4, den Separator, zwischen den Elektroden gelegt wird.The electrolyte consists of the eutectic of LiClNaClKClAlCl 3 with a melting temperature of 61 ° C and a high conductivity of> 1 ohm cm. In the exemplary embodiment, a glass fiber knit is first completely impregnated with the molten electrolyte, which is then placed in the intermediate space 4, the separator, between the electrodes.

Der Bestandteil von LiAlCl4 im Eutektikum wird im Ausführungsbeispiel aus folgenden Gründen gewählt:
Das Phasendiagramm (2) für die Elemente Li, Al und Cl2 stellt verschiedene Gleichgewichtszustände dar. Im Dreieck Cl2-AlCl3-LiAlCl4 (5) zerfällt LiAlCl4 in die Bestandteile Cl2 und AlCl3, im Dreieck Al-LiCl-LiAlCl4 (6) in die Teile LiCl und Al unter wechselnder elektrischer Spannung. Alle anderen Felder des Phasendiagramms sind für den Batteriebetrieb uninteressant.The constituent of LiAlCl 4 in the eutectic is chosen in the exemplary embodiment for the following reasons:
The phase diagram ( 2 ) for the elements Li, Al and Cl 2 represents different states of equilibrium. In the triangle Cl 2 -AlCl 3 -LiAlCl 4 (5) LiAlCl 4 decomposes into the components Cl 2 and AlCl 3 , in the triangle Al-LiCl-LiAlCl 4 (6 ) into the parts LiCl and Al under changing electrical voltage. All other fields of the phase diagram are uninteresting for battery operation.

Der Punkt LiAlCl4 im Phasendiagramm ist der einzige Gleichgewichtszustand, der sich bei einer Spannung zwischen den Elektroden von 1,8 bis 4,2 Volt nicht verändert, wenn Lithium – Ionen durchwandern. Der Spannungsbereich, bei dem LiAlCl4 unverändert bleibt, kann nach G. Deublein und R. A. Huggins Solid State Ionics 18/19 (1968) 1110 berechnet werden.The point LiAlCl 4 in the phase diagram is the only equilibrium state that does not change at a voltage between the electrodes of 1.8 to 4.2 volts as lithium ions migrate through. The voltage range at which LiAlCl 4 remains unchanged can be calculated according to G. Deublein and RA Huggins Solid State Ionics 18/19 (1968) 1110.

Das Eutektikum wird aus folgenden Gründen als Elektrolyt gewählt. Die Phasendiagramme von KAlCl4 und NaAlCl4 sind dem von LiAlCl4 ähnlich. KAlCl4 und NaAlCl4 sind aber noch thermodynamisch stabiler gegenüber den Elektroden mit Lithium-Anteil. Mischt man KAlCl4 und NaAlCl4 in einem bestimmten Verhältnis zu LiAlCl4, so dass sich ein Eutektikum ergibt, dann ist die Mischung genau um die Eutektikum-Bildungsenergie thermodynamisch stabiler als LiAlCl4 allein.The eutectic is chosen as the electrolyte for the following reasons. The phase diagrams of KAlCl 4 and NaAlCl 4 are similar to those of LiAlCl 4 . KAlCl 4 and NaAlCl 4 are still thermodynamically more stable compared to the lithium-containing electrodes. If one mixes KAlCl 4 and NaAlCl 4 in a certain ratio to LiAlCl 4 to give a eutectic, then the mixture is thermodynamically more stable than the eutectic-forming energy than LiAlCl 4 alone.

Man kann also die Batterie mit fast beliebig vielen Lastwechseln bei einer niedrigen Temperatur und hoher Leitfähigkeit betreiben, ohne dass das Elektrolyt mit den Elektroden mit einem Lithium-Anteil chemisch reagiert. Damit werden Hybridfahrzeuge ohne permanente Aufladung der Batterie und Elektroautos generell marktfähig.you So the battery can with almost any number of load changes at operate at a low temperature and high conductivity, without the electrolyte with the electrodes with a lithium component reacts chemically. This will make hybrid vehicles without permanent Charging the battery and electric cars generally marketable.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - Baumann, W., Muth, A.: Batterien, Springer Verlag New York 1997 [0001] Baumann, W., Muth, A .: Batteries, Springer Verlag New York 1997 [0001]

Claims (8)

Wiederaufladbare Lithium-Batterie gekennzeichnet dadurch, dass als Elektrolyt Schmelzen verwendet werden, die Lithium-Ionen enthalten und einen Schmelzpunkt zwischen 61°C und 170°C aufweisen.Rechargeable lithium battery marked in that melts are used as the electrolyte, the lithium ions contained and a melting point between 61 ° C and 170 ° C. exhibit. Wiederaufladbare Lithium-Batterie nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass LiALCl4 – Schmelze als Elektrolyt verwendet wird.Rechargeable lithium battery according to claim 1, characterized in that LiALCl 4 - melt is used as the electrolyte. Wiederaufladbare Lithium-Batterie nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass LiClKClNaClAlCl3 als Elektrolyt verwendet wird.Rechargeable lithium battery according to claim 1, characterized in that LiClKClNaClAlCl 3 is used as the electrolyte. Wiederaufladbare Lithium-Batterie nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass LiClKClAlCl3 als Elektrolyt verwendet wird.Rechargeable lithium battery according to claim 1, characterized in that LiClKClAlCl 3 is used as the electrolyte. Wiederaufladbare Lithium-Batterie nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass LiOHKOHNaOH als Elektrolyt verwendet wird. Rechargeable lithium battery according to claim 1 characterized in that LiOHKOHNaOH used as electrolyte becomes. Wiederaufladbare Lithium-Batterie nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass ein Glasfasergestrick, das mit dem Schmelzelektrolyt gefüllt ist, als Separator verwendet wird.Rechargeable lithium battery according to claim 1 characterized in that a glass fiber knit that with the Fused electrolyte is used as a separator becomes. Lithium-Batterie nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass der Batteriekörper aus Keramik besteht.Lithium battery according to claim 1 characterized in that that the battery body is made of ceramic. Lithium-Batterie nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die positiven Lithium-Elektroden Lithium-haltige Oxide sind.Lithium battery according to claim 1 characterized in that that the positive lithium electrodes are lithium-containing oxides.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4025208A1 (en) * 1990-08-09 1992-02-13 Varta Batterie ELECTROCHEMICAL SECONDARY ELEMENT

Patent Citations (1)

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DE4025208A1 (en) * 1990-08-09 1992-02-13 Varta Batterie ELECTROCHEMICAL SECONDARY ELEMENT

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Baumann, W., Muth, A.: Batterien, Springer Verlag New York 1997
NL-Zeitschrift Solid State Ionics 18 & 19 (1986), Seiten 1110 bis 1114 *

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