DE3010549A1

DE3010549A1 - Lithium-batterie

Info

Publication number: DE3010549A1
Application number: DE19803010549
Authority: DE
Inventors: Hironosuke Ikeda; Shigehiro Nakaido; Satoshi Narukawa
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1979-03-19
Filing date: 1980-03-19
Publication date: 1980-10-02
Also published as: FR2452182B1; GB2045513B; GB2045513A; DE3010549C2; JPS55124962A; FR2452182A1; CA1136699A

Description

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SANYO ELECTRIC CO., LTD.
Moriguchi-shi
OSAKA-FU / JAPAN

Lithium-Batterie

Die Erfindung betrifft eine Lithium-Batterie, deren negative Elektrode aus Lithium als aktives Material und deren positive Elektrode beispielsweise aus Mangandioxid, Kohlenstoff-Fluorid oder dergleichen als aktives Material besteht.

In einer Lithium-Batterie wird als aktives Material der negativen Elektrode Lithium verwendet, das ein stark negative's Potential besitzt/ so daß die Batterie die vorteilhafte Eigenschaft hat, die hohe Spannung von 3 V pro Zelle abgeben zu können, wenn als positive Elektrode z. B. Mangandioxid, Kohlenstoff-Fluorid oder dergleichen aktives Material verwendet wird. Es reicht deshalb eine einzige Lithium-Zelle für die Speisung einer Uhr mit LCD-Anzeige aus anstelle von zwei Silber-Batteriezellen mit je 1,5 V Spannung, die in Reihe geschaltet werden müssen. Hierdurch ergibt sich für den Aufbau derartiger Uhren eine Vereinfachung .

In einer Lithium-Zelle mit Lithium als aktivem Material der negativen Elektrode und beispielsweise Mangandioxid als

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aktivem Material der positiven Elektrode läuft folgende Reaktion ab:

Mn^IV0₂ + Li > Mn¹¹¹O₂(Li⁺).

Während der Stromabgabe von einer Lithium-Zelle geht also Lithium von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode über, und es sammelt sich in der positiven Elektrode zunehmend Lithium als Verbrauchsrückstand an, wodurch der Innenwiderstand der Zelle ansteigt.

Um den Brauchbarkeitsfaktor der positiven Elektrode zu erhöhen, hat man bei herkömmlichen Lithium-Zeilen die Verbrauchskapazität der negativen Elektrode größer als die der positiven Elektrode gemacht. Wenn eine derartige herkömmliche Lithium-Zelle als positiv dominierte Batterie hergestellt ist, geht deren Lebensdauer aufgrund des Verbrauchs der positiven Elektrode zu Ende. Diese herkömmliche Lithium-Zelle hat die Eigenschaft, daß gegen Ende ihrer Lebensdauer die Spannung langsam abnimmt.

Setzt man solche herkömmlichen Lithium-Zeilen als Stromversorger dort ein, wo LCD-Anzeigen, LSI oder dergleichen verwendet werden, stellt sich der Nachteil ein, daß die LCD-Anzeige, die bei einer Spannung von etwa 2,4 V oder darüber arbeitet, in dem von der Zelle gegen Ende ihrer Lebensdauer abgegebenen Spannungsbereich zwischen 1,8 V und 2,4 V nur mehr instabil arbeitet, so daß dann ein fehlerhafter Betrieb auftritt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, diesen allmählichen Spannungsabfall der Batteriezelle gegen Ende ihrer Lebensdauer zu beseitigen, um instabile Betriebsphasen der mit der Zelle versorgten Geräte und Einrichtungen zu vermeiden.

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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruches. Da das Negativpotential der negativen Lithium-Elektrode wesentlich größer als das Positivpotential der positiven Elektrode ist, macht man sich, mit anderen Worten, diese Tatsache zur Lösung der Aufgabe dahingehend zunutze, daß die Verbrauchskapazität der negativen Elektrode kleiner gemacht wird als diejenige der positiven Elektrode, so daß am Ende der Lebensdauer der Batteriezelle ein steiler SpannungsZusammenbruch stattfindet. Die Batteriezelle gemäß der Erfindung ist somit als negativ dominierte Batterie anzusehen, deren Stromabgabefähigkeit durch Verbrauch der negativen Elektrode endet und folglich wegen des hohen negativen Elektrodenpotentials dann, wenn die negative Elektrode aufgebraucht ist, die Spannung steil abfällt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nun an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine als Knopfzelle ausgebildete Lithium-Batterie und

Fig. 2 ein Diagramm mit einer Gegenüberstellung

des Spannungsverhaltens während der Lebensdauer einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäßen Batteriezelle.

Es soll zunächst der Aufbau einer Lithium-Batteriezelle nach den Gesichtspunkten der Erfindung beschrieben werden, deren negative Elektrode durch Lithium als aktives Material und deren positive Elektrode durch Mangandioxid als aktives Material gebildet sind. Die positive Elektrode 2 aus Mangandioxid befindet sich im unteren Teil des Knopfzellenbehälters 1. Auf dieser liegt, durch eine Abstandsschicht 3 aus Polypropylen-Vliesmaterial getrennt, ein gewalztes Lithium-Plättchen 4. Mit Zwischenlage eines nega-

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tiven Kollektorelementes 5 wird das ganze von einem Deckel 6 abgeschlossen, der gegenüber dem Behälter 1 am Rand mit einer Dichtung 7 abgedichtet ist. Als Elektrolyt dient eine Lösung von Lithiumperchlorat in Propylencarbonat.

Nachfolgend wird ein Beispiel einer Lithium-Knopfzelle unter Angabe der genauen Abmessungen betrachtet. Als negative Elektrode dient ein gewalztes Lithium-Plättchen von etwa 0/15 mm Stärke und etwa 15 mm Außendurchmesser. Diese negative Elektrode besitzt eine Entladungskapazität von etwa 50 mAH. Für die positive Elektrode sind eine leitfähige Substanz und ein Bindemittel als Depolarisiermischung mit dem aktiven Material Mangandioxid vermischt und zu einem Plättchen von etwa 0,5 mm Stärke und 15 mm Durchmesser gepreßt. Diese positive Elektrode besitzt eine Entladekapazität von etwa 65 mAH. Als Elektrolyt dient eine Lösung von Lithiumperchlorat in Propylencarbonat, vermischt mit 1.2-Dimethoxyäthan in einem equivalenten Volumenverhältnis. Die Trennschicht besteht aus einem Polypropylen-Vlies. Die so hergestellte Lithium-Knopfzelle hat eine Kapazität von 50 mAH.

Bei einer Entladung der Knopfzelle über einen konstanten Abschlußwiderstand von 5,6 k-Ω erhält man die in Fig. 2 mit A bezeichnete Spannungs- oder Entladungskurve. Aus dieser Kurve nach Fig. 2 wird deutlich, daß, da die Lithiumzelle als negativ dominierte Batteriezelle aufgebaut ist, bei der die Entladekapazität der negativen Elektrode kleiner als die der positiven Elektrode ist, im Endbereich der Entladezeit ab einem Spannungswert von etwa 2,4 V die Spannung dann steil abfällt. Der Grund dafür ist darin zu suchen, daß das aktive Lithium-Material der negativen Elektrode während der Ladungsabgabe zur positiven Elektrode hin transportiert wird und die Spannung sehr plötzlich zusammenbricht, wenn die negative Lithium-Elektrode aufgebraucht

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ist, da der zur Potentialdifferenz beitragende, stark negative Anteil der Lithium-Elektrode in dem Zeitpunkt wegfällt. Gemäß der Erfindung wird also die Entladungskapazität der aus Lithium als aktivem Material bestehenden negativen Elektrode kleiner gemacht als die Entladekapazität der positiven Elektrode, was am Ende der Lebensdauer oder des Ladungsabgabevorgangs der Batterie zu einem steilen Spannungsabfall führt.

Zum Vergleich mit der Entladungskurve der erfindungsgemäßen Lithiumzelle ist in der Fig. 2 die Entladungskurve B einer herkömmlichen Lithiumzelle aufgeführt, welche ebenfalls über einen konstanten Abschlußwiderstand von 5,6 k Si entladen wird. Diese Batteriezelle ist in üblicher Weise positiv dominiert mit einer Entladekapazität der negativen Elektrode von etwa 70 mAH und einer Entladekapazität der positiven Elektrode von etwa 65 mAH. Wie die Zeichnung zeigt, fällt bei einer solchen positiv dominierten Lithiumzelle die Spannung gegen Ende der Lebensdauer nur sehr langsam ab.

Wird eine Lithiumzelle nach erfindungsgemäßer Ausbildung zur Speisung einer LCD-Anzeige, eines LSI (integrierte Großschaltung) oder dergleichen verwendet, dann wird die Zeitspanne, in der das mit der Batteriezelle versorgte Element unsicher und damit fehlerhaft arbeitet, sehr stark verkürzt, so daß bei den mit der erfindungsgemäßen Lithiumzelle versorgten Einrichtungen die Zuverlässigkeit stark verbessert ist.

Zusammenfassend ist zu sagen, daß mit der Erfindung eine Lithium-Batteriezelle, deren negative Elektrode als aktives Material Lithium und deren positive Elektrode als aktives Material Mangandioxid, Kohlenstoff-Fluorid oder dergleichen enthält, geschaffen wird, in der die Entladekapazität der negativen Elektrode kleiner als die Entladekapa-

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zität der positiven Elektrode ist, wodurch die Spannung am Ende der Lebensdauer oder Ladungsabgabe der Batterie steil abfällt, so daß beim Einsatz dieser Lithium-Batteriezelle als Stromversorger Unsicherheitsbereiche im Betrieb der von ihr versorgten Einrichtungen wesentlich verkürzt und praktisch ausgeschlossen werden.

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Claims

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SANYO ELECTRIC CO., LTD.
Moriguchi-shi
OSAKA-FU / JAPAN

Lithium-Batterie

Patentanspruch

(1/· Lithium-Batterie/ deren negative Elektrode aus Lithium als aktives Material gebildet ist₇ dadurch gekennzeichnet, daß die Entladekapazität der Lithium-Elektrode (4) kleiner als die Entladekapazität der positven Elektrode (2) ist, wodurch die Batteriespannung am Ende der Lebensdauer der Batterie steil abfällt.

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