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JPS6043631B2 - Composite negative electrode structure for secondary batteries - Google Patents
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JPS6043631B2 - Composite negative electrode structure for secondary batteries - Google Patents

Composite negative electrode structure for secondary batteries

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JPS6043631B2
JPS6043631B2 JP50119851A JP11985175A JPS6043631B2 JP S6043631 B2 JPS6043631 B2 JP S6043631B2 JP 50119851 A JP50119851 A JP 50119851A JP 11985175 A JP11985175 A JP 11985175A JP S6043631 B2 JPS6043631 B2 JP S6043631B2
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alloy
electrolyte
matrix
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は概括的には電気エネルギー蓄積装置に関し、さ
らに詳細にはリチウム電極構造体に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates generally to electrical energy storage devices, and more particularly to lithium electrode structures.

電気エネルギー蓄積装置たとえば再充電可能な電池特に
溶融塩電解液を用いる電池に使用するためのリチウム電
極の製造には一般に2つの方法が用いられている。
Two methods are generally used to manufacture lithium electrodes for use in electrical energy storage devices such as rechargeable batteries, particularly batteries using molten salt electrolytes.

1つの方法では、リチウムは他の金属たとえばアルミニ
ウムと合金化され、電池の作動温度で固体の電極が形成
される。
In one method, lithium is alloyed with another metal, such as aluminum, to form a solid electrode at the battery's operating temperature.

他の方法では、液体リチウムが有孔金属基体に毛管作用
により保持される。従来、後者の方法がより高い作動電
池電圧、したがつて潜在的により高い電池エネルギー密
度を与えるので好まれている。しカルながら、有孔金属
基体に溶融リチウムを保持させようとする場合にある問
題が生じる。より詳細には、リチウムによつて容易に濡
らされる金属はほ1−6一、に■lttC、− ?ィ
八9脅引diザ用いることが出来ず、一方リチウムの浸
食に対して構造的に抵抗性のある金属はほとんど溶融塩
電解液中に入れた場合リチウムによる濡らされ方が不十
分である。溶融リチウムによる浸食に対して構造的に抵
抗性のある金属は、それを浸漬する溶融リチウムを高温
度に保持することにより濡らすことができるようになる
ことが報告されている。
In other methods, liquid lithium is held in a porous metal substrate by capillary action. Traditionally, the latter method is preferred as it provides higher operating cell voltage and therefore potentially higher cell energy density. However, certain problems arise when attempting to retain molten lithium in a porous metal substrate. More specifically, the metals that are easily wetted by lithium are: Most metals that are structurally resistant to lithium attack are poorly wetted by lithium when placed in a molten salt electrolyte. It has been reported that metals that are structurally resistant to attack by molten lithium can become wettable by maintaining the molten lithium in which they are immersed at high temperatures.

しかしながら、それらのより高い温度でリチウムにより
そのように濡らされる構造体は普通二次電池が作動する
実質的により低い温度て保持された溶融塩電解液を含有
する二次電池で負極として使用する場合漸次濡れが悪く
なる。したがつて、電池を多数サイクル作動後、リチウ
ムはもはや基体を優先的に濡らすことがなく、電極は漸
次容量を失うことが見出された。この問題を解決しよう
として種々の方法が堤案された。たとえば、米国特許第
3409465および3634144号明細書を参照さ
れたい。
However, structures that are so wetted by lithium at those higher temperatures are normally used as negative electrodes in secondary batteries containing molten salt electrolytes held at substantially lower temperatures at which the batteries operate. Wetting becomes worse gradually. It has therefore been found that after a number of cycles of battery operation, the lithium no longer preferentially wets the substrate and the electrode gradually loses capacity. Various methods have been proposed in an attempt to solve this problem. See, eg, US Pat. Nos. 3,409,465 and 3,634,144.

堤案された方法はいずれも不満足であることが判”明し
ている。従来技術より教示されているような固体リチウ
ム合金の使用も問題が無いわけではない。
Both methods proposed by Tsutsumi have proven to be unsatisfactory. The use of solid lithium alloys, as taught by the prior art, is also not without problems.

さらに詳細には、たとえばリチウム−アルミニウム合金
は液体リチウムより約300mv正である。したがつて
、リチウム−アルミニウム合金を電極として用いる電気
化学電池は液体リチウム電極を用いる電池と同じ電位を
達成することが出来ない。さらに、溶融塩電解液ではリ
チウム−アルミニウム電極は電気化学電池の充放電中に
膨張収縮が大きい。例えば、リチウム−アルミニウム電
極は電池の充放電中200%も容積が変化し得ると報告
されている。さらに、リチウム−アルミニウム合金は一
般にリチウム含量約30Wt.%以下に制限される。固
体電極をつくるためにリチウムの合金として用いる他の
種々の物質が示唆された。
More specifically, for example, a lithium-aluminum alloy is about 300 mv more positive than liquid lithium. Therefore, electrochemical cells using lithium-aluminum alloys as electrodes cannot achieve the same potential as cells using liquid lithium electrodes. Furthermore, in a molten salt electrolyte, the lithium-aluminum electrode expands and contracts significantly during charging and discharging of an electrochemical cell. For example, it has been reported that lithium-aluminum electrodes can change volume by as much as 200% during charging and discharging of a battery. Additionally, lithium-aluminum alloys generally have a lithium content of about 30 Wt. % or less. Various other materials have been suggested for use as alloys with lithium to make solid electrodes.

たとえば、米国特許第35064(社)号明細書には、
リチウムをアルミニウム、インジウム、錫、鉛、銀また
は銅と合金化することが示唆されている。しかしながら
、これらの物質のいずれも完全に満足できないことが判
明している。さらに詳細には、これらの他の示唆された
物質たとえば錫および鉛はアルミニウムの場合よりリチ
ウム量の少ない合金を形成しくしたがつて合金の単位重
量当り容量(アンペアー時)がさらに低下する。さらに
、液体リチウムに比較してこれらの他の物質の合金の電
位はリチウム−アルミニウム合金の電位より正であり、
したがつてこのような他の物質の合金はより望ましくな
い。固体リチウム陰極に関する他の特許として米国特許
3506492および3508967号明細書が挙げら
れる。したがつて、電気化学電池で負極として用いた場
合にサイクルを継続しても容量を保持し、好ましくは液
体リチウムと実質的に同じ電位を有しかつ電池の充放電
中に寸法安定性を保持するリチウム電極の需要が依然と
して存在する。
For example, in U.S. Patent No. 35064,
It has been suggested to alloy lithium with aluminum, indium, tin, lead, silver or copper. However, none of these materials has been found to be completely satisfactory. More specifically, these other suggested materials, such as tin and lead, tend to form alloys with less lithium than aluminum, thus further reducing the capacity per unit weight (amp hours) of the alloy. Furthermore, the potentials of alloys of these other materials relative to liquid lithium are more positive than the potentials of lithium-aluminum alloys;
Alloys of such other materials are therefore less desirable. Other patents relating to solid lithium cathodes include US Pat. Nos. 3,506,492 and 3,508,967. Therefore, when used as a negative electrode in an electrochemical cell, it retains its capacity over repeated cycling, preferably has substantially the same potential as liquid lithium, and maintains dimensional stability during charging and discharging of the battery. There remains a need for lithium electrodes that

概略的には、本発明は改良されたリチウム電極を堤供す
る。
Generally speaking, the present invention provides an improved lithium electrode.

改良された電極はリチウムと珪素の合金を支持集電マト
リックスと緊密に接触させたものからなる。リチウムは
合金中に約80〜28Wt.一%の量で存在する。改良
された電気エネルギー蓄積装置は正極および負極が互い
に離隔されてかつ適当なリチウムイオン含有電解液好ま
しくは溶融塩電解液と接触されている再充電可能なリチ
ウム電池を含む。本発一明の改良リチウム電極は負極と
して用いられ、電池の放電態様円電池陰極として機能す
る。本発明はリチウム電極に関する。
The improved electrode consists of an alloy of lithium and silicon in intimate contact with a supporting current collecting matrix. Lithium is present in the alloy at approximately 80-28 Wt. Present in an amount of 1%. The improved electrical energy storage device includes a rechargeable lithium battery in which the positive and negative electrodes are spaced apart from each other and in contact with a suitable lithium ion-containing electrolyte, preferably a molten salt electrolyte. The improved lithium electrode of the present invention is used as a negative electrode and functions as a circular battery cathode in the discharge mode of the battery. The present invention relates to lithium electrodes.

本発明のリチウム電極は、リチウムと珪素の合金を支持
集電マトリックスと緊密に接触させたものからなり、そ
れによソー般に単一のまたは複合の電極構造体を堤供す
る。
The lithium electrode of the present invention consists of an alloy of lithium and silicon in intimate contact with a supporting current collecting matrix, thereby generally providing a single or composite electrode structure.

こ)で1合金ョとは混晶、固溶体または化学化合物を形
成し得る2つの金属の緊密な混合物を云う。また、金属
は同じ合金中にこれらの状態の1つ以上の状態で存在す
ることも出来る。合金が約80〜28Wt.%リチウム
および約20〜72Wt.%珪素を含有することは本発
明の必須の特徴である。好ましい合金は約60〜・40
Wt.%リチウムおよび残部が実質的に珪素からなる合
金である。こ)で重量%は化成されたまたは十分に充電
された状態にある電極を対象とする。何となれば、明ら
かに電池の作動状態ではリチウムは放電され、リチウム
が実質的により少ないまたは全くリチウムを含有しない
合金が生成するからである。また、合金は少量の不純物
たとえば鉄、カルシウム、マグネシウムおよびアルミニ
ウムを含有することが出来る。リチウムが28〜8鍾量
%に限定されている理由は次の通りである。
In this case, an alloy is an intimate mixture of two metals that can form a mixed crystal, solid solution, or chemical compound. Also, metals can exist in one or more of these states in the same alloy. The alloy is about 80-28 Wt. % lithium and about 20-72 Wt. % silicon is an essential feature of the present invention. The preferred alloy is about 60-40
Wt. % lithium and the remainder essentially silicon. In this case, the weight percentages refer to electrodes in a chemically formed or fully charged state. This is because apparently in the operating state of the battery the lithium is discharged and an alloy containing substantially less lithium or no lithium is formed. The alloy may also contain small amounts of impurities such as iron, calcium, magnesium and aluminum. The reason why the amount of lithium is limited to 28-8% is as follows.

もし合金が約8鍾量%を超える量のリチウムを含有する
と液体又は純粋リチウム電極を一層類似した挙動をする
ようになる。純粋リチウム電極の欠点は既に述べてある
。一方合金のリチウム含有量が約2踵量%より少ないと
、電極の容量がほとんど実際的用途に役立たなくなる位
小さくなる。リチウムー合金電極構造体はさらに合金と
緊密に接触した支持集電マトリックスを含む。
If the alloy contains more than about 8 weight percent lithium, it will behave more like a liquid or pure lithium electrode. The disadvantages of pure lithium electrodes have already been mentioned. On the other hand, if the lithium content of the alloy is less than about 2% by weight, the electrode capacity will be so small as to be of little practical use. The lithium-alloy electrode structure further includes a supporting current collection matrix in intimate contact with the alloy.

支持集電マトリックスに適当な物質はリチウムまたはリ
チウムー珪素混合物による侵食に抵抗性のある物質であ
る。このような物質の例として鉄、鋼、ステンレス鋼、
ニッケル、チタン、タンタルおよびジルコニウムが挙げ
られる。合金と緊密に接触したマトリックスを用意する
目的は、合金全体に実質的に均一な電流密度を与え、か
つ合金の構造支持体を与えることである。本発明は使用
されるリチウムー珪素合金は電気エネルギー蓄積装置、
特に溶融塩電解液中て高い作動温度で負極の単一部材と
して使用する場合構造的完全性を欠くことが分つた。し
たがつて、崩壊なしに相当期間機能させるには、リチウ
ム合金に支持マトリックスを設けるのが不可欠である。
本発明の範囲内では支持および集電能力が単一構造体に
より与えられることが意図され、かつ好ましいが、しか
し支持体を1つの構造体で設け、集電能力を他の別の構
造体で設けることが出来る。マトリックスは基材物質の
見掛け密度の約1〜30%の見掛け密度を有する電子伝
導性多孔質基体の形態であることが出来る。
Suitable materials for the supporting current collector matrix are materials that are resistant to attack by lithium or lithium-silicon mixtures. Examples of such materials include iron, steel, stainless steel,
Mention may be made of nickel, titanium, tantalum and zirconium. The purpose of providing the matrix in intimate contact with the alloy is to provide a substantially uniform current density throughout the alloy and to provide structural support for the alloy. The lithium-silicon alloy used in the present invention is an electrical energy storage device,
It has been found that it lacks structural integrity when used as a unitary member of the negative electrode, especially at high operating temperatures in molten salt electrolytes. Therefore, it is essential to provide the lithium alloy with a support matrix in order to function for a significant period of time without disintegration.
It is contemplated and preferred within the scope of the present invention that support and current collection capability be provided by a single structure; however, the support may be provided in one structure and the current collection capability provided in another, separate structure. Can be set up. The matrix can be in the form of an electronically conductive porous substrate having an apparent density of about 1-30% of that of the base material.

有利には、基体は約20〜500ミクロン、好ましくは
約50〜200ミクロンの中間細孔寸法を有する。この
ような基体の特に好ましい形態は織つたまたは織らない
針金を互いにブレスして所望の見掛け密度とし、次いで
焼結したものから形成される。このようなブレスして焼
結した針金構造体は公知であり、フェルトメタルとして
市販されている。次に、多孔質基体には、たとえばその
基体を合金の溶融浴に浸漬し、取出しそきて冷却するこ
とにより合金を含浸させる。あるいは、合金は金網また
はエクスパンドメタルから形成されたマトリックスの周
囲に鋳込んてもよい。他の変形例では、マトリックスは
金網等から形成され内部に合金のみを含有する有孔容器
の形態であることが出来る。
Advantageously, the substrate has a mesopore size of about 20-500 microns, preferably about 50-200 microns. A particularly preferred form of such a substrate is formed from woven or non-woven wires that are pressed together to the desired apparent density and then sintered. Such pressed and sintered wire structures are well known and commercially available as felt metal. The porous substrate is then impregnated with the alloy, for example, by immersing the substrate in a molten bath of the alloy, removing it, and cooling it. Alternatively, the alloy may be cast around a matrix formed from wire mesh or expanded metal. In other variations, the matrix can be in the form of a perforated container formed from wire mesh or the like and containing only the alloy therein.

あるいは、合金は有孔容器に納められた多孔質基体と緊
密に接触せしめられ、容器および基体は互いに電気的に
接触せしめられるのが望ましい。この後者の変形例は多
孔質基体を非常に微細な織つたまたは織らない金網を互
いにブレスして物体を形成することからつくる場合特に
有効である。さらに詳細には、少なくとも鉄を基体物質
として用いる場合、多孔質基体の形成に使用される針金
が直径約10ミクロンであると、基体は電極を溶融塩電
解液中て繰り返へし充放電する際に劣化、破壊する傾向
があることが見出された。
Alternatively, the alloy is preferably brought into intimate contact with a porous substrate housed in a perforated container, with the container and substrate being in electrical contact with each other. This latter variation is particularly useful when the porous substrate is made from very fine woven or non-woven wire meshes pressed together to form the object. More specifically, at least when iron is used as the substrate material, the wire used to form the porous substrate is approximately 10 microns in diameter, and the substrate is repeatedly charged and discharged by placing the electrode in a molten salt electrolyte. It was found that there is a tendency for the material to deteriorate and break down.

このような破壊が電極の感知されない膨張および収縮ま
たはリチウムー珪素合金と鉄との間の化学的相互作用の
結果であるかどうか確実に分らない。したがつて、基体
として用いる物質を選択する際、使用される特殊の電解
液またはマトリックス物質の結果として起り得る化学反
応または腐食を考慮しなければならない。さらに、マト
リックスが織つたまたは織られた針金をブレスして多孔
質基体としたものからなる場合、針金は少なくとも約1
0ミクロンの直径を有することが必要である。有利には
、針金の直径は約10〜約500ミクロン、好ましくは
約10〜200ミクロンである。本発明の好ましい実施
態様では、電極はマトリックスの周囲に溶融状態の合金
をめぐらし、たとえば多孔質基体を合金の溶融体に浸漬
することにより形成される。
It is not known with certainty whether such fractures are the result of imperceptible expansion and contraction of the electrodes or chemical interactions between the lithium-silicon alloy and the iron. Therefore, when selecting the material to be used as a substrate, consideration must be given to possible chemical reactions or corrosion as a result of the particular electrolyte or matrix material used. Further, when the matrix is comprised of woven or woven wires pressed into a porous substrate, the wires are at least about
It is necessary to have a diameter of 0 microns. Advantageously, the diameter of the wire is from about 10 to about 500 microns, preferably from about 10 to 200 microns. In a preferred embodiment of the invention, the electrode is formed by encircling the molten alloy around the matrix, for example by immersing the porous substrate in the melt of the alloy.

合金は粒状リチウムおよび珪素を混合し、この混合物を
溶融物を形成するのに十分な高い温度に加熱することに
より形成することが出来る。しかしながら、好ましい方
法によれば、まずリチウムが不活性雰囲気中でリチウム
の融点以上の温度に加熱され、その後珪素が合金に対す
る所望の重量%を与える量で添加される。このような後
者の方法では、リチウムと珪素間の発熱反応は合金の溶
融物を形成するのに必要な熱の実質的すべてを与える。
リチウムー珪素合金の製造自体は公知であることは理解
されるであろう。
The alloy can be formed by mixing particulate lithium and silicon and heating the mixture to a temperature high enough to form a melt. However, according to a preferred method, lithium is first heated in an inert atmosphere to a temperature above the melting point of lithium, and then silicon is added in an amount to give the desired weight percent of the alloy. In these latter methods, the exothermic reaction between the lithium and silicon provides substantially all of the heat necessary to form the alloy melt.
It will be appreciated that the production of lithium-silicon alloys is known per se.

このような合金およびその例示的製造方法の存在は、た
とえば米国特許第1869494号および356373
鰻明細書に報告されている。リチウムと珪素の実質的に
均質な合金を形成するのに必要な温度に関する追加の情
報については、シャンク著1二成分合金の構成(COn
stitutlOnOfBinaryA]10ys)J
第2補遺、マツクグロウーヒルブツクカンパニー、ニュ
ーヨーク(1969)を参照することが出来る。
The existence of such alloys and exemplary methods of making them is described, for example, in U.S. Pat.
Reported in the eel specification. For additional information regarding the temperatures required to form a substantially homogeneous alloy of lithium and silicon, see 1 Construction of Binary Alloys (CON
stitutlOnOfBinaryA]10ys)J
See Supplement 2, Matsukugrow Hill Book Company, New York (1969).

リチウム電極は一般に公知のリチウム−アルミニウム電
極の形成に用いられている方法と同じ方法て溶融塩電解
液中て電気化学的に形成することが出来る。
Lithium electrodes can be formed electrochemically in a molten salt electrolyte using the same methods commonly used to form known lithium-aluminum electrodes.

特に、支持集電マトリックスと緊密に接触されている珪
素がリチウムイオン源を含む溶融塩電解液に浸漬され、
リチウムが所望の合金を形成する量で電極中に導入され
る。また、本発明は電気的に再生可能な負極として本発
明のリチウム電極を含む電気エネルギー蓄積装置、特に
二次電池または蓄電池を堤供する。
In particular, silicon in intimate contact with a supporting current collector matrix is immersed in a molten salt electrolyte containing a source of lithium ions;
Lithium is introduced into the electrode in an amount that forms the desired alloy. The present invention also provides an electrical energy storage device, particularly a secondary battery or storage battery, comprising the lithium electrode of the present invention as an electrically renewable negative electrode.

電気エネルギー蓄積装置はまた正極および概略的には非
水性リチウムイオン含有電解液と称される電解液を含む
。正極即ち陽極は、電子受容体であり、リチウム電極に
関して電気陽極である活物質を含有する。
The electrical energy storage device also includes a positive electrode and an electrolyte, generally referred to as a non-aqueous lithium ion-containing electrolyte. The positive electrode, or anode, contains an active material that is an electron acceptor and is an electrical anode with respect to the lithium electrode.

陽極の活物質は硫黄または金属ハロゲン化物、硫化物、
酸化物またはセレン化物てあることが出来る。適当な金
属として銅、鉄、タングステン、クロム、モリブデン、
チタン、ニッケル、コバルトおよびタンタルが挙げられ
る。鉄および銅の硫化物が溶融塩電解液に用いるのに特
に好ましい。陽極は全部活物質から形成することが出来
、あるいは複合構造体たとえば活物質体を含む黒鉛のホ
ルダーからなることが出来る。好ましい電池実施態様で
用いられるリチウムイオン含有非水性電解液は溶融塩電
解液であり;あるいは固体電解質または有機溶媒電解液
が使用出来る。
The active material of the anode is sulfur or metal halide, sulfide,
It can be an oxide or a selenide. Suitable metals include copper, iron, tungsten, chromium, molybdenum,
Mention may be made of titanium, nickel, cobalt and tantalum. Iron and copper sulfides are particularly preferred for use in molten salt electrolytes. The anode can be formed entirely of active material or can consist of a composite structure, such as a graphite holder containing an active material body. The lithium ion-containing non-aqueous electrolyte used in preferred cell embodiments is a molten salt electrolyte; alternatively, solid electrolytes or organic solvent electrolytes can be used.

こ)で1溶融塩電解液ョとは、電気エネルギー蓄積装置
の作動中その融点以上の温度に保持されるリチウムハロ
ゲン化物含有塩を示す。
In this case, the molten salt electrolyte refers to a lithium halide-containing salt that is maintained at a temperature above its melting point during operation of the electrical energy storage device.

溶融塩は単一リチウムハロゲン化物、リチウムハロゲン
化物の混合物またはリチウムハロゲン化物の1つまたは
それ以上と他のアルカリ金属またはアルカリ土類金属ハ
ロゲン化物との共晶混合物であることが出来る。二成分
共晶塩の一般的例は塩化リチウムー塩化カリウム、塩化
リチウムー塩化マグネシウム、塩化リチウムー塩化ナト
リウム、臭化リチウムー臭化カリウム、弗化リチウムー
弗化ルビジウム、沃化リチウムー沃化カリウム、および
これらの混合物である。
The molten salt can be a single lithium halide, a mixture of lithium halides, or a eutectic mixture of one or more lithium halides and other alkali metal or alkaline earth metal halides. Common examples of binary eutectic salts are lithium chloride-potassium chloride, lithium chloride-magnesium chloride, lithium chloride-sodium chloride, lithium bromide-potassium bromide, lithium fluoride-rubidium fluoride, lithium iodide-potassium iodide, and mixtures thereof. It is.

2つの好ましい二成分塩共晶混合物は塩化リチウム、と
塩化カリウムの共晶混合物物(融点357C)および臭
化リチウムと臭化ルビジウムの共晶混合物(融点278
℃)である。
Two preferred binary salt eutectics are a eutectic mixture of lithium chloride and potassium chloride (melting point 357C) and a eutectic mixture of lithium bromide and rubidium bromide (melting point 278C).
℃).

溶融塩電解液として有効な三成分共晶の例は、塩化カル
シウムー塩化リチウムー塩化カリウム、塩化リチウムー
塩化カリウムー塩化バリウム、塩化カルシウムー塩化リ
チウムー塩化バリウムーおよび臭化リチウム、一臭化バ
リウムー塩化リチウムである。
Examples of ternary eutectics useful as molten salt electrolytes are calcium chloride-lithium chloride-potassium chloride, lithium chloride-potassium chloride-barium chloride, calcium chloride-lithium chloride-barium chloride, and lithium bromide, barium monobromide-lithium chloride.

好ましい三成分共晶混合物は塩化リチウム、弗化リチウ
ムおよび沃化リチウムを含有す.る共晶混合物(融点3
4rc)および塩化リチウム、沃化リチウムおよび沃化
カリウムを含有する共晶混合物(融点260゜C)であ
る。適当なアルカリまたはアルカリ土類金属イオンは電
解液中のリチウムイオン析出電位に非常に近!いかまた
は好ましくはそれ以上の析出電位を有することが必要で
ある。
A preferred ternary eutectic mixture contains lithium chloride, lithium fluoride and lithium iodide. eutectic mixture (melting point 3
4rc) and a eutectic mixture (melting point 260°C) containing lithium chloride, lithium iodide and potassium iodide. Suitable alkali or alkaline earth metal ions are very close to the lithium ion deposition potential in the electrolyte! It is necessary to have a deposition potential of about 50% or preferably more than 100%.

ハロゲン化リチウム塩はカリウム、バリウム、およびス
トロンチウムのハロゲン化物と容易に結合させることが
出来る。金属たとえばセシウム、ルビジウム、カルシウ
ムまたくはナトリウムのハロゲン化物は使用出来るが、
しかしこれらの金属の実質的割合は電極を充電する際リ
チウムと共析出し得るので、その結果電位の損失が少し
起る。三成分共晶塩混合物、特に沃化物を含有するもの
はより低い融点を与えるが、塩化リリウムー塩化カリウ
ムの二成分共晶混合物がそのより低いコストおよび入手
性のために特に大規模用途たとえだ電動車および電気事
業用バルクエネルギー蓄積に用いる蓄電池に対して好ま
しい。
Lithium halide salts can be easily combined with potassium, barium, and strontium halides. Halides of metals such as cesium, rubidium, calcium or sodium can be used, but
However, a substantial proportion of these metals can co-deposit with lithium when charging the electrode, resulting in a small loss of potential. Although ternary eutectic salt mixtures, especially those containing iodide, give lower melting points, the binary lylium chloride-potassium chloride eutectic mixture is particularly useful for large-scale applications due to its lower cost and availability. Preferred for storage batteries used in bulk energy storage for vehicles and electric utilities.

こ)で意図される固体電解質として、硫酸リチウムとハ
ロゲン化リチウムたとえば塩化リチウムまたは臭化リチ
ウムまたはこれらの混合物との混ノ合物が挙げられる。
混合塩固体電解質の組成は10〜95モル%硫酸リチウ
ムの範囲で変化し得る。このような組成を有する固体電
解質は約400℃という低温で固相であると思われる状
態では導電性である。沃化リチウムとハロゲン化銀、ハ
ロゲン化・第2水銀銀、ハロゲン化鉛、ハロゲン化銅、
ハロゲン化アンモニウムまたはこれらの組合せとの組合
せも固体電解質に適当である。本発明のリチウム電極は
有機溶媒中でリチウムイオン源を用いる電気エネルギー
蓄積装置にも有効である。
Solid electrolytes contemplated in this) include mixtures of lithium sulfate and lithium halides, such as lithium chloride or lithium bromide, or mixtures thereof.
The composition of the mixed salt solid electrolyte can vary from 10 to 95 mole % lithium sulfate. A solid electrolyte having such a composition is electrically conductive at a low temperature of about 400° C. in a state considered to be a solid phase. Lithium iodide and silver halide, mercuric silver halide, lead halide, copper halide,
Combinations with ammonium halides or combinations thereof are also suitable for solid electrolytes. The lithium electrode of the present invention is also useful in electrical energy storage devices that use a lithium ion source in an organic solvent.

1有機電解液ョとは、有機溶媒および溶質を含む非水性
電解液を意味する。
1. Organic electrolyte means a non-aqueous electrolyte containing an organic solvent and a solute.

溶質はリチウムイオン源である。もちろん、溶質は有機
溶媒に混和し得るかまたは溶解される。溶媒は電極物質
を侵食せずかつその物質に影響されないような溶媒であ
る。明らかに、溶質は意図した作動温度および電位で環
境にて安定であることが必要である。有機電解液電池は
一般に約125℃以下の温度、より特定的には約0〜8
0℃の温度で作動するように設計される。溶質および溶
媒はこれらの条件下で移動し得るまたは液体であるリチ
ウムイオン含有導電性媒体を与えるようなものであるこ
とが重要である。普通、溶質は高純度であるのが好まし
い。これらの要件を最も近く満たす溶質はハロゲン化リ
チウム塩である。
The solute is a source of lithium ions. Of course, the solute may be miscible or dissolved in the organic solvent. The solvent is one that does not attack the electrode material and is not affected by the material. Obviously, the solute needs to be stable in the environment at the intended operating temperature and potential. Organic electrolyte batteries generally operate at temperatures below about 125°C, more specifically between about 0 and 8°C.
Designed to operate at temperatures of 0°C. It is important that the solute and solvent be such as to provide a lithium ion-containing conductive medium that is mobile or liquid under these conditions. It is generally preferred that the solute be of high purity. The solutes that most closely meet these requirements are lithium halide salts.

導電率を目的として、他の金属ハロゲン化物たとえば塩
化アルミニウムがしばしばハロゲン化リチウムと複合さ
れる。ハロゲン化物は塩素、弗素、臭素、沃素およびこ
れらの混合物からなる群から選ばれる。二重アニオン錯
体も使用出来ることは考えられる。適当な溶質の例は、
臭化リチウム、塩化リチウム、弗化リチウム、塩化ナト
リウム、弗化ナトリウム、塩化カリウムである。リチウ
ム塩は過塩素酸リチウム、ヘキサフルオロ燐酸リチウム
、テトラフルオロ硼酸リチウム、テトラクロロアルミン
酸リチウムまたはヘキサフルオロ硼素酸リチウムである
ことも出来る。使用されるリチウムイオン含有導電性媒
体は飽和または過飽和状態であるのが好ましい。
For conductivity purposes, other metal halides, such as aluminum chloride, are often combined with lithium halide. The halide is selected from the group consisting of chlorine, fluorine, bromine, iodine and mixtures thereof. It is conceivable that double anionic complexes could also be used. Examples of suitable solutes are:
These are lithium bromide, lithium chloride, lithium fluoride, sodium chloride, sodium fluoride, and potassium chloride. The lithium salt can also be lithium perchlorate, lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium tetrachloroaluminate or lithium hexafluoroborate. Preferably, the lithium ion-containing conductive medium used is saturated or supersaturated.

イオン含有導電性媒体は電池の最も経済的作動を可能に
するのに十分な塩濃度を有することが必要である。イオ
ン含有導電性媒体は約0.5モル以上の溶積濃度を有す
るこをが必要である。イオン含有導電性媒体の有機溶媒
の選択は溶積を含めて多くの考慮すべき点に支配される
。イオン含有導電性媒体の溶媒は、溶質の移動媒体とし
て作用するという必要条件を満たしかつ溶質が混和し得
るまたは溶解される任意の極性物質である。溶媒はまた
電解物質に不活性である物質であることが必要である。
溶媒は約0−125℃で液体であることが好ましい。作
動条件はこのような要件を指令する。たとえば、ジメチ
ルスルホキシドは約18.5℃の融点以上で優れた溶媒
である。溶媒は水素イオンを容易に放出しないものであ
ることか望ましい。高誘電設定数および低粘度係数の溶
媒が好ましい。適当な溶媒はたとえばニトリルたとえば
アセトニトリル、プロビオニトリル;スルホオキシドた
とえばジメチルー、ジエチルー、エチルメチルーおよび
ベンジルメチルスルホキシド;ピロリドンたとえばN−
メチルピロリドン、および炭酸塩たとえば炭酸プロピレ
ンである。
It is necessary that the ion-containing conductive medium have a sufficient salt concentration to allow the most economical operation of the cell. It is necessary that the ion-containing conductive medium have a volumic concentration of about 0.5 molar or greater. The selection of organic solvent for the ion-containing conductive medium is governed by many considerations, including volume. The solvent of the ion-containing conductive medium is any polar substance that meets the requirements of acting as a transport medium for the solute and with which the solute is miscible or dissolved. The solvent also needs to be a material that is inert to the electrolyte.
Preferably, the solvent is liquid at about 0-125°C. Operating conditions dictate such requirements. For example, dimethyl sulfoxide is an excellent solvent above its melting point of about 18.5°C. It is desirable that the solvent does not easily release hydrogen ions. Solvents with high dielectric setpoints and low viscosity coefficients are preferred. Suitable solvents are, for example, nitriles such as acetonitrile, probionitrile; sulfoxides such as dimethyl, diethyl, ethylmethyl and benzylmethyl sulfoxide; pyrrolidones such as N-
Methylpyrrolidone, and carbonates such as propylene carbonate.

適当な電解液および正極物質の前述した代表的なものの
他に、他の多くのものが当業者に明らかであろう。
In addition to the aforementioned representative representations of suitable electrolytes and cathode materials, many others will be apparent to those skilled in the art.

したがつて、本発明は特に指摘したものに限定されるも
のではない。第1図を参照するに、曲線Aは本発明の電
極(60Wt%Li−40wt%Sj)の液体リチウム
対向電極に対する一般的な放電プロットを示す。
Therefore, the present invention is not limited to what has been particularly pointed out. Referring to FIG. 1, curve A shows a typical discharge plot of the electrode of the present invention (60 Wt% Li-40 wt% Sj) relative to a liquid lithium counter electrode.

このプロットから、理論容量(アンペアー時)の実質的
100%が本発明の電極から収得出来ることが分る。ま
た、液体リチウムに対する電位は放電中変化することが
認められるであろう。特に、本発明の電極は5つの異な
つた電圧台地を通つて放電する。第1の台地は液体リチ
ウムと実質的に同じ電位である。
This plot shows that virtually 100% of the theoretical capacity (in ampere hours) can be obtained from the electrode of the present invention. It will also be observed that the potential relative to liquid lithium changes during discharge. Specifically, the electrode of the present invention discharges through five different voltage plateaus. The first plateau is at substantially the same potential as liquid lithium.

4つの続く台地の各々は液体リチウムに対して漸次正に
なる電位にあり、すなわち液体リチウムより約70,1
70,250および310rr1v正になつている。こ
のような一連の異なる電位に対する理由は確実に知られ
ておらず、本発明は特定の理論によつて限定を受けるも
のではない。しかしながら、液体リチウムに対して実質
的に同じである第1の台地は未合金化リチウムの放電中
に起り、その後に続く各台地は特定のリチウムー珪素化
合物種を表わすと考えられる。しかしながら、公知のリ
チウムー珪素状態図は2種すなわちLi4SiおよびL
i2Siしか示していないことは理解しなければならな
い。したがつて、第1図がいまだ確認されていないリチ
ウムー珪素種の存在を指摘しているのかどうかまたはあ
る他の機構が介在しているのかどうか分らない。明らか
に、包含される正確な機構を知ることは本発明の実施に
不必要である。また、第1図に比較目的として等重量の
典型的リチウム−アルミニウム電極(30wt%Li−
70wt%Al)についての放電曲線Bが示される。曲
線AおよびBを比較すると、本発明のリチウム電極は相
当する従来技術のリチウム−アルミニウム電極より実質
的に大きい容量を有することが分る。このような容量は
リチウムー珪素合金に含まれ得る多量のリチウムにより
達成される。従来技術のリチウム−アルミニウム合金は
一般にリチウムの最大量が約30wt%以下に制限され
る。実際の場合には、約20Wt%以上のリチウムを含
有するリチウム−アルミニウム合金はめつたに使用され
ない。というのはリチウムの割合がより大きい合金は電
解液に遊離リチウムを放出しやすく、その結J果従来技
術の液体リチウム電極の場合とほとんど同じようにクー
ロン効率の損失を招く。2つの曲線を比較する際に、2
つの合金共液体リチウムと実質的に同じ電位で出発する
ことが認められるであろう。
Each of the four successive plateaus is at an increasingly positive potential with respect to liquid lithium, i.e. approximately 70,1
70, 250 and 310rr1v are positive. The reason for such a series of different potentials is not known with certainty, and the invention is not limited by any particular theory. However, it is believed that the first plateau, which is substantially the same for liquid lithium, occurs during discharge of unalloyed lithium, with each subsequent plateau representing a particular lithium-silicon compound species. However, there are two known lithium-silicon phase diagrams, namely Li4Si and L
It must be understood that only i2Si is shown. Therefore, it is not known whether Figure 1 points to the existence of an as-yet-unidentified lithium-silicon species or whether some other mechanism is involved. Obviously, knowledge of the precise mechanisms involved is unnecessary to the practice of the invention. For comparison purposes, Figure 1 also shows a typical lithium-aluminum electrode (30 wt% Li-
Discharge curve B for 70 wt% Al) is shown. A comparison of curves A and B shows that the lithium electrode of the present invention has a substantially higher capacity than the corresponding prior art lithium-aluminum electrode. Such capacity is achieved due to the large amount of lithium that can be included in the lithium-silicon alloy. Prior art lithium-aluminum alloys are generally limited to a maximum amount of lithium of no more than about 30 wt%. In practice, lithium-aluminum alloys containing more than about 20 wt% lithium are rarely used. This is because alloys with a higher proportion of lithium are more likely to release free lithium into the electrolyte, resulting in a loss of coulombic efficiency much like that of prior art liquid lithium electrodes. When comparing two curves, 2
It will be appreciated that the two alloys start at substantially the same potential as liquid lithium.

このような電位では、遊離リ7チウムの電解液中への放
出がおそらく起り得る。このような可能性を除去するこ
とが望ましい場合、電極は電位が第2の台地(リチウム
ー珪素では約70rnvおよびリチウム−アルミニウム
では300rr1v)に達するまで液体リチウム対向電
極に対フして放電されるのが有利である。電極を第2台
地へ降下させる電極の初期放電の後でさえ、本発明の電
極はリチウム−アルミニウム電極よりより有利な電位を
有し、依然として実質的により大きな容量(アンペアー
時)を保持している。さらに、このような初期放電後、
本発明の電極が最後の台地(310n1v)の端まで完
全に放電されても、時間平均の電位は従来技術のリチウ
ム−アルミニウム電極に比較して液体リチウムそれに実
質的により近いであろう。第1図の2つの比較曲線は従
来技術のリチウム−アルミニウム電極に対して本発明の
リチウム電極の優秀性および有利性を証明している。第
2図を参照するに、本発明のリチウム電極10が示され
る。
At such potentials, release of free lithium into the electrolyte could possibly occur. If it is desired to eliminate this possibility, the electrode can be discharged against a liquid lithium counterelectrode until the potential reaches a second plateau (approximately 70 rnv for lithium-silicon and 300 rr1v for lithium-aluminum). is advantageous. Even after the initial discharge of the electrode, which lowers the electrode to a second plateau, the electrode of the present invention has a more favorable potential than the lithium-aluminum electrode and still retains a substantially greater capacity (amp hours). . Furthermore, after such an initial discharge,
Even if the electrode of the present invention is fully discharged to the end of the last plateau (310n1v), the time-averaged potential will be substantially closer to that of liquid lithium compared to the prior art lithium-aluminum electrode. The two comparative curves in FIG. 1 demonstrate the superiority and advantage of the lithium electrode of the present invention over the prior art lithium-aluminum electrode. Referring to FIG. 2, a lithium electrode 10 of the present invention is shown.

電極10は導線12および金網14からつくつたケージ
または有孔容器からなるマトリックスおよびリチウム珪
素合金16を含浸した多孔質基体を含む。第3図では、
本発明はリチウム合金電極を用いる電気エネルギー蓄積
装置20が示される。
Electrode 10 includes a matrix consisting of a cage or perforated container made of conductive wire 12 and wire mesh 14, and a porous substrate impregnated with lithium silicon alloy 16. In Figure 3,
The present invention shows an electrical energy storage device 20 that uses lithium alloy electrodes.

蓄積装置20は正極22および負極24を含むみ、後者
はリチウムー珪素合金を含浸した多孔質金属基体からな
る。電極22および24には電気連結体26および28
が各々設けられる。電気エネルギー蓄積装置はまたハウ
ジング30およびカバー32を含む。カバー32には電
気連結体26および28を貫通させるための小穴が設け
られる。小穴の内部には非導電性絶縁体34が位置され
る。電気エネルギー蓄積装置はまた非水性電解液36を
含有する。非水性電解液が固体電解質または溶融一塩電
解液てある場合、(この両方共比較的高温度で作動しな
ければならない)、ハウジング30には加熱手段たとえ
ば電気抵抗ヒータ38を設けることが出来る。下記の例
は本発明をさらに説明するために示す。便宜上、ほとん
どの例は本発明の!電極を好ましいものてある溶融塩電
解液て用いることに関する。しかしながら、本発明はこ
)に述べたような溶融塩電解液を用いる電気エネルギー
蓄積装置に限定されるものてはなく、固体電解質または
有機電解液を用いる電気エネルギー蓄積装3置(普通の
乾電池または充電式の二次電池あるいは蓄電池を含む)
にも同様に有用である。例1 下記の例は本発明のリチウム電極の製造および試験を証
明する。
Storage device 20 includes a positive electrode 22 and a negative electrode 24, the latter consisting of a porous metal substrate impregnated with a lithium-silicon alloy. Electrodes 22 and 24 have electrical connections 26 and 28.
are provided for each. The electrical energy storage device also includes a housing 30 and a cover 32. Cover 32 is provided with eyelets for passing electrical connections 26 and 28 therethrough. A non-conductive insulator 34 is positioned inside the eyelet. The electrical energy storage device also contains a non-aqueous electrolyte 36. If the non-aqueous electrolyte is a solid electrolyte or a molten monosalt electrolyte (both of which must operate at relatively high temperatures), the housing 30 may be provided with heating means, such as an electrical resistance heater 38. The following examples are presented to further illustrate the invention. For convenience, most examples are of the invention! The present invention relates to the use of electrodes in preferred molten salt electrolytes. However, the present invention is not limited to electrical energy storage devices using a molten salt electrolyte as described above, but three electrical energy storage devices using a solid electrolyte or an organic electrolyte (ordinary dry batteries or (including rechargeable secondary batteries or storage batteries)
It is equally useful for Example 1 The following example demonstrates the production and testing of lithium electrodes of the present invention.

用いた支持集電マトリックスは4微細な低炭素鋼繊維(
直径約10ミクロン)を平らな多孔質板(さ・32C7
7りに詰めて焼結したものからなるフェルトメタルとし
て知られている市販の物質であつた。マトリックスは側
面当り約6.45c7jの表面積および見掛け密度10
%を有した。中間細孔寸法は約50〜150ミクロンで
あつた。マトリックスを秤量し、次いで45Wt%リチ
ウムおよび55Wt・%珪素からなる合金に約720〜
820℃の温度で約1紛間浸漬してリチウム合金を含浸
させた。次に、マトリックスを溶融リチウム合金浴から
取り出し、冷却し、再び秤量した。マトリックスは約1
.32yの合金を保持することが測定され、このように
して全理論容量2.29アンペア時のリチウム電極が形
成された。電極を58.8モル%の塩化リチウムおよび
41.2モル%の塩化カリウムを含有する溶融塩浴に入
れて試験を行つた。
The supporting current collecting matrix used was 4 fine low carbon steel fibers (
Approximately 10 microns in diameter) on a flat porous plate (32C7
It was a commercially available material known as felt metal, which is made by packing and sintering the metal. The matrix has a surface area of approximately 6.45c7j per side and an apparent density of 10
%. The mesopore size was about 50-150 microns. The matrix is weighed and then added to an alloy consisting of 45 Wt% lithium and 55 Wt% silicon.
The lithium alloy was impregnated by dipping for about one time at a temperature of 820°C. The matrix was then removed from the molten lithium alloy bath, cooled, and weighed again. The matrix is approximately 1
.. 32y alloy was measured, thus forming a lithium electrode with a total theoretical capacity of 2.29 amp hours. The electrodes were tested in a molten salt bath containing 58.8 mole % lithium chloride and 41.2 mole % potassium chloride.

溶融塩電解液は約400℃に保持し、試験電極をより大
きい液体リチウム対向電極門に対して約600n1Aの
定電流で交互に充放電させた。2つの電極間の電圧およ
び電流をストリップチャートレコーダー上に時間に対し
て連続的に記録した。
The molten salt electrolyte was maintained at about 400° C. and the test electrode was alternately charged and discharged at a constant current of about 600 n1A against a larger liquid lithium counter electrode gate. The voltage and current between the two electrodes were recorded continuously over time on a strip chart recorder.

チャートから、4回の充放電サイクルの平均クーロン効
率が約100%であることが測定さ”れた。ここに、ク
ーロン効率は次式によつて定義される。クーロン効率 例えば、十分に充電され時の電池の電気量(アンペアー
時、クーロン単位)と、その電池放電によつて回収され
る電気量とが同じ数値を示したとき、クーロン効率が1
00%となる。
From the chart, it was determined that the average coulombic efficiency over four charge/discharge cycles was approximately 100%. Here, the coulombic efficiency is defined by the following equation. When the amount of electricity (in ampere-hours, coulombs) of a battery at a time is the same as the amount of electricity recovered by discharging the battery, the coulombic efficiency is 1.
It becomes 00%.

液体リチウム対向電極に対する電位および放電特性は第
1図の場合と実質的に同一であつた。
The potential and discharge characteristics for the liquid lithium counter electrode were substantially the same as in FIG.

試験は支持マトリックスの微細な個々の繊維が破壊した
4サイクル後に停止した。何となれば破壊によりクーロ
ン効率に損失が生じたからである。例2例1の前記手順
を繰り返したが、ただしマトリックスはチタン金属の多
孔質基体を用い、合金は60Wt.%Liおよび40W
t.%Siからなるものであつた。
The test was stopped after 4 cycles when the fine individual fibers of the support matrix broke. This is because the destruction caused a loss in Coulombic efficiency. Example 2 The above procedure of Example 1 was repeated, except that the matrix was a porous substrate of titanium metal and the alloy was 60 Wt. %Li and 40W
t. %Si.

チタン基体は直径約100ミクロンの繊維、19%の見
掛け密度および400〜500ミクロンの中間細孔寸法
を有した。電極を前述と実質的に同じ方法て試験し、試
験は(サイクル後に自発的に停止させた。クーロン効率
は平均95〜100%であり、また液体リチウム対向電
極に対する電圧および放電特性は第1図と実質的に同じ
であり、したがつてより大きな繊維寸法の利点およびマ
トリックスの材料としてチタンの有用性が証明される。
例3 直径約10ミクロンの鉄繊維からなる見掛け密度10%
および中間細孔寸法50〜150ミクロンを有する多孔
質基体を得た。
The titanium substrate had fibers of approximately 100 microns in diameter, an apparent density of 19%, and a mesopore size of 400-500 microns. The electrodes were tested in substantially the same manner as previously described, with the tests being terminated spontaneously after cycling. , thus demonstrating the advantage of larger fiber dimensions and the usefulness of titanium as a matrix material.
Example 3 Apparent density 10% made of iron fibers with a diameter of approximately 10 microns
and a porous substrate having a medium pore size of 50 to 150 microns.

多孔質基体を直径230ミクロンおよびメッシュ寸法6
0(米国標準篩寸法)を有する鋼線からつくつた有孔ス
クリーンに納めてマトリックス(第2図と同じ)形成し
た。電極を形成し、60Wt.%Li−40wt.%S
i合金を用いることは除いて前述と実質的に同じ方法で
試験した。再び95〜100%のクーロン効率が得られ
、放電特性は第1図のそれと実質的に同じであつた。こ
の試験もまた17サイクル後に自発的に停止させたので
、したがつて支持集電マトリックスの2構造結合形すな
わち別々の支持構造体および集電構造体の有用用性が証
明される。例4 次の例は本発明のリチウム6珪素合金電極と有機電解液
を用いる電気エネルギー蓄積装置の陰極としての適用性
および有効性を証明するために述べる。
Porous substrate with diameter 230 microns and mesh size 6
0 (US standard sieve size) to form a matrix (same as in FIG. 2). Form an electrode and apply 60Wt. %Li-40wt. %S
Tests were conducted in substantially the same manner as described above, except that the i-alloy was used. Coulombic efficiencies of 95-100% were again obtained and the discharge characteristics were substantially the same as those in FIG. This test also terminated spontaneously after 17 cycles, thus demonstrating the utility of a two-structure combined version of the support current collection matrix, ie separate support structure and current collection structure. Example 4 The following example is presented to demonstrate the applicability and effectiveness as a cathode of an electrical energy storage device using the lithium 6 silicon alloy electrode and organic electrolyte of the present invention.

60wt.%Li−40wt.%Si合金を用いたこと
以外は例1の電極と実質的に同じ方法でリチウムー珪素
合金負極を製造した。
60wt. %Li-40wt. A lithium-silicon alloy negative electrode was prepared in substantially the same manner as the electrode of Example 1, except that a %Si alloy was used.

正極は多孔質炭素構造体に硫化鉄を含浸したものを密度
の大きい黒鉛ホルダーに保持したものからなるものであ
つた。有機電解液は溶媒1e当り100yの過塩素酸リ
チウムを含有する炭酸プロピレンから本質的になるもの
であつた。電気エネルギー蓄積装置を、所定の電流で規
定した時間の間交互に充放電した。
The positive electrode consisted of a porous carbon structure impregnated with iron sulfide and held in a high-density graphite holder. The organic electrolyte consisted essentially of propylene carbonate containing 100y of lithium perchlorate per e of solvent. The electrical energy storage device was alternately charged and discharged at a given current for a defined time.

2つの電極間の電位および電流のストリップチャートレ
コーダー上に時間に対して連続的に記録した。
The potential and current between the two electrodes were recorded continuously over time on a strip chart recorder.

チャートから約95〜100%のクーロン効率が達成さ
れたことが測定された。本発明の電極を用いる電気エネ
ルギー蓄積装置の放電中時間平均電圧は約2.1ボルト
であり、一方比較上のリチウーアルミニウム電極の場合
時間平均電圧は約1.8ボルトに過ぎなかつた。さらに
、電極性能の著しい変化または劣化は観察されず、した
がつて微細な織つた鉄繊維の有機電解液て使用するため
の支持集電マトリックスとしての有用性が証明される。
例5 次の例は本発明の電極を電気エネルギー蓄積装置で負極
として用いた場合の適用性および有効性を証明するため
に示される。
It was determined from the chart that a Coulombic efficiency of approximately 95-100% was achieved. The time-averaged voltage during discharge of an electrical energy storage device using the electrode of the present invention was about 2.1 volts, while for the comparative lithium aluminum electrode the time-averaged voltage was only about 1.8 volts. Furthermore, no significant change or degradation in electrode performance was observed, thus demonstrating the utility of fine woven iron fibers as a supporting current collection matrix for use in organic electrolytes.
Example 5 The following example is presented to demonstrate the applicability and effectiveness of the electrode of the present invention when used as a negative electrode in an electrical energy storage device.

用いた電極はマトリックスとして市販の基体を用いてつ
くつた。基体は直径16ミクロンの織つたニッケル線を
複数圧縮し、焼結して見掛け密度15%としたものから
なるものであつた。電極マトリックスを溶融(700℃
)リチウムー珪素合金(60Wt.%リチウムー40W
t.%珪素)の浴に浸漬することによりつくつた。次に
、電極を液体リチウム対向電極に対して+70rr1v
電位台地(第1図参照)まで放電させた。正極即ち陽極
は活物質としてある量の硫化鉄を含有する密度の大きい
黒鉛ホルダーからなるものであつた。これに多孔質黒鉛
隔離板をおおい、荷電イオンの自由通過を可能にしなが
ら活物質をホルダーに保持するようにした。負極および
正極を58.8モル%塩化リチウムおよび41.2モル
%塩化カリウムからなる溶融塩電解液に浸漬した。電解
液は約40(代)に保持した。電気エネルギー蓄積装置
を所定の電流で規定した時間の間交互に充放電させた。
The electrodes used were made using a commercially available substrate as a matrix. The substrate consisted of a plurality of 16 micron diameter woven nickel wires compressed and sintered to an apparent density of 15%. Melt the electrode matrix (700℃
) Lithium-silicon alloy (60Wt.% lithium-40W
t. % silicon). Next, the electrode is +70rr1v against the liquid lithium counter electrode.
It was discharged to the potential plateau (see Figure 1). The positive electrode, or anode, consisted of a dense graphite holder containing an amount of iron sulfide as the active material. This was covered with a porous graphite separator to hold the active material in the holder while allowing the free passage of charged ions. The negative electrode and the positive electrode were immersed in a molten salt electrolyte containing 58.8 mol% lithium chloride and 41.2 mol% potassium chloride. The electrolyte was maintained at about 40 (something). The electrical energy storage device was alternately charged and discharged at a given current for a defined period of time.

2つの電極間電圧および電流をストリップチャートレコ
ーダーに時間に対して連続的に記録した。
The voltage and current between the two electrodes were recorded continuously over time on a strip chart recorder.

チャートから約96〜100%のクーロン効率が得られ
たことが測定された。さらに、本発明の電極を用いる電
気エネルギー蓄積装置の放電中の時間平均電圧は第2お
よび第3台地を利用した際1.48ボルトであり、一方
比較上のリチウム−アルミニウム電極では時間平均電圧
は約1.3ボルトに過ぎなかつた。また、)サイクリン
グ中リチウムー珪素電極の寸法変化は実質的に感知され
なかつた。さらに、電解液に失われるリチウムは感知さ
れなかつた。試験は陰極成分の1つが破壊したため4サ
イクル後に停止させた。それでも、結果は本発明のリチ
ウム電極の夕有効性およびそれにより得られる利点を明
瞭に証明している。もちろん本発明のリチウム電極およ
び電池の設計および作動に本発明の精神から逸脱するこ
となく種々の変更を加えることが出来ることは認識さO
れるであろう。
It was determined from the chart that a Coulombic efficiency of approximately 96-100% was obtained. Furthermore, the time-averaged voltage during discharge of the electrical energy storage device using the electrode of the present invention using the second and third plateaus is 1.48 volts, while for the comparative lithium-aluminum electrode the time-averaged voltage is 1.48 volts. It was only about 1.3 volts. Also,) virtually no dimensional changes in the lithium-silicon electrode were perceptible during cycling. Furthermore, no lithium lost to the electrolyte was detected. The test was stopped after 4 cycles due to failure of one of the cathode components. Nevertheless, the results clearly demonstrate the effectiveness of the lithium electrode of the present invention and the benefits obtained thereby. It is, of course, recognized that various changes may be made in the design and operation of the lithium electrodes and batteries of the present invention without departing from the spirit of the invention.
It will be.

したがつて、リチウム電極構造体を特定の好ましい構造
および支持集電マトリックスの物質に関するある例示的
実施態様について説明し、また溶融塩電解液電解金属硫
化物陽極を用いる二次電池の好ましい実施態様を説明し
たが、もちろん本発明の範囲内で特定的に示した以外の
方法により本発明を実施することが出来る。以下に本発
明の実施態様を示す。(1)合金が約40〜6鍾量%の
リチウムと約40〜60重量%の珪素とからなり、マト
リックスが多孔質の金属基体からなる特許請求の範囲第
1項に記載の負極構造体。
Accordingly, lithium electrode structures are described with respect to certain preferred constructions and materials of supporting current collector matrices, and preferred embodiments of secondary batteries employing molten salt electrolyte electrolytic metal sulfide anodes are described. Although described, it will be understood that the invention may be practiced otherwise than as specifically described and within the scope of the invention. Embodiments of the present invention are shown below. (1) The negative electrode structure according to claim 1, wherein the alloy consists of about 40 to 6 weight percent lithium and about 40 to 60 weight percent silicon, and the matrix consists of a porous metal substrate.

(2)支持集電マトリックスが金属繊維から得た多孔質
の基体を含む、特許請求の範囲第1項に記載の負極構造
体。
(2) The negative electrode structure according to claim 1, wherein the supporting current collecting matrix includes a porous substrate obtained from metal fibers.

(3) 支持集電マトリックスが上記合金で含浸された
多孔質金属基体からなり、更に多孔質金属基体を囲む有
孔容器を包含する、特許請求の範囲第1項に記載の負極
構造体。
(3) A negative electrode structure according to claim 1, wherein the supporting current collecting matrix comprises a porous metal substrate impregnated with the above-mentioned alloy, and further includes a perforated container surrounding the porous metal substrate.

(4)上記金属繊維は直径が約10〜200ミクロンの
鉄繊維である、上記第2項に記載の負極構造体。
(4) The negative electrode structure according to item 2 above, wherein the metal fiber is an iron fiber having a diameter of about 10 to 200 microns.

(5)上記金属繊維は直径が約10〜200ミクロンの
ニッケル繊維である、上記第2項に記載の負極構造体。
(5) The negative electrode structure according to item 2 above, wherein the metal fiber is a nickel fiber having a diameter of about 10 to 200 microns.

(6)上記金属繊維は直径が約10〜200ミクロンの
チタン繊維である、上記第2項に記載の負極構造体。
(6) The negative electrode structure according to item 2 above, wherein the metal fiber is a titanium fiber having a diameter of about 10 to 200 microns.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は2つのリチウム合金電極の曲型的放電特性の比
較グラフ、第2図は本発明の電極の斜視図、第3図は本
発明の電気エネルギー蓄積装置の概略図である。
FIG. 1 is a comparison graph of the curved discharge characteristics of two lithium alloy electrodes, FIG. 2 is a perspective view of the electrode of the present invention, and FIG. 3 is a schematic diagram of the electrical energy storage device of the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 リチウムと珪素との合金であつて、リチウムが合金
中に28〜80重量%の量で存在し、珪素が合金中に2
0〜72重量%の量で存在する合金と密接に接する支持
集電マトリックスからなることを特徴とする、リチウム
含有電解液を有する二次電池用の複合負極構造体。
1 An alloy of lithium and silicon, in which lithium is present in the alloy in an amount of 28 to 80% by weight, and silicon is present in the alloy in an amount of 28 to 80% by weight.
A composite negative electrode structure for a secondary battery with a lithium-containing electrolyte, characterized in that it consists of a supporting current collector matrix in intimate contact with an alloy present in an amount of 0 to 72% by weight.
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