DE3004571A1 - Feste elektrode in einer elektrolytischen zelle - Google Patents

Feste elektrode in einer elektrolytischen zelle

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DE3004571A1 DE19803004571 DE3004571A DE3004571A1 DE 3004571 A1 DE3004571 A1 DE 3004571A1 DE 19803004571 DE19803004571 DE 19803004571 DE 3004571 A DE3004571 A DE 3004571A DE 3004571 A1 DE3004571 A1 DE 3004571A1
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Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H.;Weickma-nn, DiflöPhys. Dr. K. Fincke
Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl Dr. Ing. H. Liska
PE 8OOO MÜNCHEN 86, DEN , '-..u.
POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22
ZUR FÖRDERUNG DER WISSENSCHAFTEN .e.V.
Bunsenstraße 10
3400 Göttingen
Feste Elektrode in einer elektrolytischen Zelle
130033/0412 BAD ORIGINAL
Die Erfindung betrifft eine feste Elektrode in einer elektrolytischen Zelle zum schnellen und mit geringer Spannungseinbuße verbundenen Ein- und Ausbau von durch einen Elektrolyten zu ihr und von ihr wandernden Ionen, insbesondere für eine Brennstoffzelle, eine Hochleistungsbatterie , eine elektrochrome Zeichendarstellungseinheit oder ein elektrochemisches Speicherelement.
Es ist bekannt, feste Elektroden mit möglichst hoher elektronischer (i. a. metallischer) Leitfähigkeit zu verwenden. Diese Elektroden gestatten jedoch nur eine geringe Stromdichte bei der Be- und Entladung. Es zeigen sich Spannungseinbußen (Polarisation) beim Entladen und überhöhte Spannungen beim Laden; hierdurch wird die nutzbare Energie gemindert. Um hohe Ströme zu erzielen, mußten (wenn flüssige Elektrolyte verwendet werden konnten) die Elektrodenmaterialien porös gemacht werden, um eine große Oberfläche (Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt) zu erzeugen.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die Stromdichte (Strom/Elektrodenoberfläche) bei der Be- und Entladung erhöhen zu können und Spannungseinbußen bei der Entladung und Spannungsüberhöhungen bei der Ladung zu mindern.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Elektrode dadurch gekennzeichnet, daß sie eine höhere elektrische Leitfähigkeit für Elektronen oder Löcher als für die Ionen aufweist, und daß die Konzentration der in ihr beweglichen Elektronen oder Löcher geringer ist als die der in ihr enthaltenen beweglichen Ionen.
Vorzugsweise handelt es sich hierbei um ein halbleitendes Material. Überraschenderweise ergibt sich mit einer
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erfindungsgemäßen Elektrode eine besser Lösung der Aufgabe als mit einer Elektrode, die eine hohe (metallische) Elektronen- oder Löcherleitfähigkeit hat. In einer -erfindungsgemäßen Elektrode stellt sich das chemische Gleichgewicht mit den Ionen bei der Be- und Entladung sehr rasch ein, so daß sich auch eine geringe Polarisation und damit geringe Verluste (z. B. durch Wärme) ergeben.
Um die Ionenbeweglichkeit besonders groß zu machen, ist die Elektrode bevorzugt dadurch gekennzeichnet, daß ihre coulometrische Titrationskurve (stationäre Entladekurve: Gleichgewichts-Zellspannung E in Abhängigkeit von der Menge der geflossenen Ladung Q) im nahezu entladenen Zustand (B) und vorzugsweise auch im nahezu vollständig geladenen Zustand (A) steil abfällt. Die coulometrische Titrationskurve braucht die Steilheit im nahezu vollständig geladenen Zustand (A) nur bei einer Sekundärzelle (einer wiederaufladbaren galvanischen Zelle) zu haben. Bei einem Primärelement (das nur für eine einmalige Entladung vorgesehen ist), ist nur die Steilheit im Zustand (B) erforderlich. Die Forderung der Steilheit sowohl im Zustand (A) als auch im Zustand (B) ist nicht nur bei wiederauf ladbaren Batterien, sondern auch bei elektrochromen Zeichendarstellungseinheiten und elektrochemischen Speicherelementen vorteilhaft, da in diesen Fällen die Ionen in beiden Stromrichtungen schnell hin und her transportiert werden sollen. Aus dem gleichen Grund ist in ihr bevorzugt die Konzentration von die beweglichen Ionen aufnehmenden Defektstellen ein wesentlicher Bruchteil - vorzugsweise mehr als 1 oder 10 Prozent - der maximalen Konzentration der in ihr enthaltenen beweglichen Ionen.
Es ist schwierig, die Bedingungen für die Forderung nach ausreichender Fehlordnung für einen schnellen Ionentransport allgemein anzugeben. Es genügt jedoch, daß vorzugsweise 1 bis 10 % der regulären Gitterpositionen "falsch" besetzt sind.
130033/0412
Eine bevorzugte Ausbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mindeststeilheit ~ im nahezu vollständig entladenen Zustand (B) und bevorzugt auch im nahezu geladenen Zustand (A) gegeben ist durch
3Q:— .w ο ο vorzugsweise
ClQ
wobei M = Molekulargewicht O der bei B bzw. A m = Masse y stöchiometrisch
VM = Molvolumen / variierten Phase
in der Elektrode
c = Konzentration der beweglichen Ionen ζ - Ladungszahl der beweglichen Ionen q = Elementarladung
k = Boltzmann's Konstante
T = absolute Temperatur
14
«MBB 		k T C VM
m σ q2
M k C VM
m ; s2
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2 " Der in der angebenen Formel enthaltene Faktor 10 bzw. 10 ist im wesentlichen der thermodynamische Verstärkungsfaktor W.
In einer bevorzugten Ausbildung ist die Elektrode dadurch gekennzeichnet, daß ihr thermodynamischer Verstärkungsfaktor \I, ermittelt durch
W - > 2^ dE
wobei te = Qye und ^ = Leitfähigkeit der Elektronen
^ oder Löcher
> , ^e = Leitfähigkeit der beweglichen
Ionen
σ =stöchiometrische Zahl der beweglichen Ionen,
2 ^5
größer als 10 , vorzugsweise größer als 10 ist.
Als besonders geeignet hat sich für die Elektrode ein Material erwiesen das zwischen dem nahezu entladenen Zustand (B) und dem nahezu vollständig geladenen Zustand (A) eine Phasenumwandlung erfährt.
In einem erfolgreich erprobten Fall hattedas Material im nahezu geladenen Zustand wenigstens annähernd die Zusammensetzung Li in Sb oder Bi und im nahezu vollständig entladenen Zustand (B) wenigstens annähernd die Zusammensetzung Li^Sb oder Li^Bi. Die Verstärkungsfaktoren von Li^Sb und Li-^Bi betragen 70000 bzw. 370. Derartige Verstärkungsfaktoren sind mit bekannten Elektrodenmaterialien nicht zu erzielen, insbesonde nicht mit Intercalationsverbindungen wie z. B. LirTis_.
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Als ein anderes geeignetes Material L=^ sich ausgezeichnet ein Material der Zusammensetzung cA-Ag-5 bewährt. Der Verstärkungsfaktor dieses Materials liegt um etwa 10000, was einem Diffusionskoeffizienten von 0.47 cm see"bei 2000C entspricht also einem Diffusionskoeffizienten, der viel höher ist als in den meisten Flüssigkeiten.
In der beigefügten Zeichnung ist ein Heispiel einer stationären Entladekurve dargestellt. Εε ist die Gleichgewicht ε -Zeil spannung E in Abhängigkeit von der Menge der geflossenen Ladung Q =_/ldt (Zeitintegral über den geflossenen Strom) dargestellt.
Die Kurve nennt man auch CT-Kurve (cculometrische Titrationskurve). Bei der Entladung steigt die 2;urve unterhalb des Punktes A, der der Ladungsmenge'' QA entspricht, steil an, oberhalb des Punktes B, der der Ladung'qb entspricht, fällt die Kurve steil ab.
130033/0412 BAD ORIGINAL
Leerseite

Claims (8)

P at en ta nsprüche
1. Feste Elektrode in einer elektrolytischen Zelle zum schnellen und mit geringer Spannungseinbuße verbundenen Ein- und Ausbau von durch einen Elektrolyten zu ihr und von ihr wandernden Ionen, insbesondere für eine Brennstoffzelle, eine Hochleistungsbatterie, eine elektrοchrome Zeichendarstellungseinheit oder ein elektrochemisches Speicherelement, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine höhere elektrische Leitfähigkeit für Elektronen oder Löcher als für die Ionen aufweist, und daß die Konzentration der in ihr beweglichen Elektronen oder Löcher geringer ist als die der in ihr enthaltenen beweglichen Ionen.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre coulometrische Titrationskurve (stationäre Entladungskurve: Gleichgewichts-Zellspannung E in Abhängigkeit von der Menge der geflossenen Ladung Q) im nahezu entladenen Zustand (B) und vorzugweise auch im nahezu vollständig geladenen Zustand (A) steil abfällt.
3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in ihr die Konzentration von die beweglichen Ionen aufnehmenden Defektstellen - einen wesentlichen Bruchteil - vorzugsweise mehr als 1 oder 10 Prozent - der maximalen Konzentration der in ihr enthaltenen beweglichen Ionen ausmacht
4. Elektrode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn-
dE
zeichnet, daß die Mindeststeilheit r— im nahezu vollständig entladenen Zustand (B) und bevorzugt auch im nahezu geladenen , Zustand (A) gegeben ist durch
dE s. ΛΓ2. MkT vorzugsweise dQ m z2 q2 c VM
dE > 1CT MkT
dQ 2 2
m ζ qfc c VM
1 30033/04 1 2
wobei M = Molekulargewicht*~) der bei B bzw. A m = Masse / stöchiometrisch V^= Molvolumen j variierten Phase
^ in der Elektrode c = Konzentration der beweglichen Ionen ζ = Ladungszahl der beweglichen Ionen q = Elementarladung
k = Boltzmann's Konstante
T = absolute Temperatur
5. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihr thermodynamischer Verstärkungsfaktor ¥, ermittelt durch ■ W = J % z * dE
kT
wobei te = O e und ^- = Leitfähigkeit der Elektronen ^e"** ^* oder Löcher
5* = Leitfähigkeit der beweglichen Ionen
«Γ = stöchiometrische Zahl der beweglichen Ionen,
2 3
größer als 10 , vorzugsweise größer als 1(r ist.
6. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Material besteht, das zwischen dem nahezu entladenen Zustand·(B) und dem nahezu vollständig geladenen Zustand (A) eine Phasenumwandlung erfährt.
7. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprücihe, dadurch gekennzeichnet, daß sie im nahezu geladenen Zustand (A) wenigstens annähernd die Zusammensetzung Li in Sb oder Bi und im nahezu vollständig entladenen Zustand (B)
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wenigstens annähernd die Zusammensetzung Li^Sb oder Li7Bi aufweist.
8. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens annähernd die Zusammensetzung ^"AgpS aufweist.
1 30033/04 1 2
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