DE69637394T2 - Flexible dünne schicht für offene elektrochemische zelle - Google Patents

Flexible dünne schicht für offene elektrochemische zelle Download PDF

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Description

  • GEBIET UND HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft elektrochemische Zellen, die durch Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie als Batteriekraftquellen genutzt werden. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung eine primäre oder wiederaufladbare elektrochemische Zelle zur Verwendung als normale oder wiederaufladbare Batterie, welche die Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines nassen (z. B. Flüssig-)Elektrolyten vollzieht, jedoch eine flexible Dünnschicht und offene Konfiguration beibehält.
  • Die ständig wachsende Entwicklung miniaturisierter und tragbarer elektrisch angetriebener Geräte mit kompaktem Design, wie beispielsweise Mobiltelefone, Sprachaufzeichnungs- und Abspielgeräte, Uhren, Bewegungs- und Standbildkameras, Flüssigkristallanzeigen, elektronische Rechenmaschinen, IC-Karten, Temperaturfühler, Hörgeräte, druckempfindliche Summer usw. erzeugt einen ständig wachsenden Bedarf an kompakten Dünnschichtbatterien für deren Betrieb. Daher besteht ein Bedarf an zuverlässigen elektrochemischen Dünnschichtzellen zur Verwendung als Batterien.
  • Batterien können breit in zwei Kategorien unterteilt werden, wobei die Batterien der ersten Kategorie nasse Elektrolyten (d. h. Flüssigbatterien) umfassen, wobei Batterien der zweiten Kategorie Feststoffelektrolyt umfassen. Obwohl Trockenbatterien einen inhärenten Vorteil aufweisen, sie trocknen nicht aus und lecken nicht, leiden sie doch verglichen mit Flüssigbatterien unter größeren Nachteilen, da ihr Betrieb aufgrund begrenzter Diffusionsraten von Ionen durch einen Feststoff in einem viel größeren Ausmaß temperaturabhängig ist und viele nur bei erhöhten Temperaturen gut arbeiten; und die somit beschriebenen begrenzten Diffusionsraten Trockenbatterien mit einem niedrigen Verhältnis von erzeugter elektrischer Energie gegenüber ihrer potentiellen chemischen Energie kennzeichnen. Dünnschicht-Flüssigbatterien umfassen typisch eine positive und negative aktive Schicht aus unlöslichem Material, die zusammengebracht sind, mit einem dazwischengesetzten Separator, welcher Separator mit einer flüssigen Elektrolytlösung getränkt ist und somit als elektrolytische Flüssigschicht wirkt. Solche Batterien, wovon ein Beispiel beispielsweise in dem US-Patent 4,623,598 an Waki et al. und in dem japanischen Patent JP 61-55866 an Fuminobu et al. offenbart ist, müssen in einer Ummantelungsfolie versiegelt werden, um die Verdunstung von Flüssigkeit zu verhindern, und sind daher geschlossene elektrochemische Zellen. Da sie geschlossene Zellen sind, neigen diese Batterien dazu, bei Lagerung aufgrund der Entwicklung von Gasen anzuschwellen, was bei Dünnschichtbatterien ohne mechanischen Träger ein fatales Problem ist; der von den angesammelten Gasen auferlegte Druck führt zu Schichtablösung, wodurch die Batterie funktionsunfähig wird. Mittel zur Überwindung dieses Problems umfassen (1) die Verwendung eines Polymermittels mit erhöhter Viskosität, wie etwa Hydroxyethylcellulose, die angewandt wird, um die Batterielagen aneinanderzuheften (d. h. zu kleben), um dadurch das durch das Fehlen fester Unterstützung auferlegte inhärente Problem solcher Batterien zu lösen; und (2) Zusatz von Quecksilber zur Verhinderung der Bildung von Gasen, insbesondere Wasserstoff. Das Polymer ist jedoch in seiner Effektivität begrenzt und das Quecksilber ist gefährlich für die Umwelt.
  • Ein Weg zur Lösung der vorangehend beschriebenen Beschränkung war in dem US-Patent 3,901,732 an Kis et al. offenbart, worin ein gasdurchlässiges elektrolytundurchlässiges Polymermaterial, das ein Entlüften von in der Batterie gebildeten unerwünschten Gasen zulässt, während es jeglichen Elektrolytverlust aus der Batterie verhindert, als Ummantelungsfolie zum Umschließen der Batteriezelle verwendet wird.
  • Ein direkterer und effizienterer Weg zur Vermeidung unerwünschter Gasansammlung in Dünnschicht-Flüssigbatterien wäre jedoch, diese Batterien zur erleichterten Freisetzung von Gasen als offene Zellen vorzusehen, unter gleichzeitigem Vorsehen von Mitteln zur Vermeidung von Flüssigkeitsverdunstung und Austrocknen der Batterie.
  • Die europäische Patentbeschreibung EP 0 456 122 offenbart eine Zelle vom galvanischen Leclanche-Typ. Ein transdermales therapeutisches System ist offenbart, das in Schichten aufgebaut ist und eine elektrisch isolierende Rückschicht, die für aktive Substanz undurchlässig ist, und zwei galvanische Elemente, die auf voneinander isolierte Weise angeordnet sind, aufweist. Die hautseitigen Elektroden der galvanischen Elemente tragen Schichten und die Schicht mindestens einer der hautseitigen Elektroden enthält eine pharmazeutisch aktive Substanz. Bei Aktivierung kann Feuchtigkeit in die Zelle diffundieren. EP 0 456 122 offenbart keine galvanische Zelle, die ein hygroskopisches Material enthält, um die Zelle jederzeit nass zu halten.
  • Es besteht ein breit anerkannter Bedarf an, und es wäre höchst vorteilhaft, eine offene elektrochemische flexible Dünnschichtzelle frei von Begrenzungen aufgrund von Ansammlung von Gasen als auch von Flüssigkeitsverdunstung zu haben.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine offene elektrochemische Zelle bereitgestellt, die als primäre oder wiederaufladbare Energieversorgung für verschiedene miniaturisierte und tragbare elektrisch angetriebene Geräte mit kompaktem Design verwendet werden kann. Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zelle bereitgestellt. Die flexible offene elektrochemische Dünnschichtzelle der vorliegenden Erfindung umfasst einen nassen Elektrolyten, behält jedoch eine flexible, dünne und offene Konfiguration, das heißt, ohne Ansammlung von Gasen bei Lagerung.
  • Gemäß weiteren Merkmalen in nachstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Zelle eine erste Schicht unlöslichen negativen Pols, eine zweite Schicht unlöslichen positiven Pols und eine dritte Schicht wässrigen Elektrolyts, wobei die dritte Schicht zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnet ist und umfasst: (a) ein zerfließendes Material, um die offene Zelle jederzeit nass zu halten; (b) ein elektroaktives lösliches Material zum Erhalten der erforderlichen ionischen Leitfähigkeit; und c) ein wasserlösliches Polymer zum Erhalten einer erforderlichen Viskosität zum Anheften der ersten und zweiten Schicht an die dritte Schicht.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen greift eine poröse Substanz an der Elektrolytschicht an.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist die poröse Substanz aus der aus einem Filtrierpapier, einer Kunststoffmembran, einer Cellulosemembran und einem Tuch bestehenden Gruppe ausgewählt.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erste Schicht unlöslichen positiven Pols Mangandioxidpulver und umfasst die zweite Schicht unlöslichen negativen Pols Zinkpulver.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erste Schicht unlöslichen negativen Pols und/oder die zweite Schicht unlöslichen positiven Pols weiter Kohlenstoffpulver und ist das elektroaktive lösliche Material aus der aus Zinkchlorid, Zinkbromid, Zinkfluorid und Kaliumhydroxid bestehenden Gruppe ausgewählt.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erste Schicht unlöslichen negativen Pols Silberoxidpulver und umfasst die zweite Schicht unlöslichen positiven Pols Zinkpulver und ist das elektroaktive lösliche Material Kaliumhydroxid.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erste Schicht unlöslichen negativen Pols Kadmiumpulver und umfasst die zweite Schicht unlöslichen positiven Pols Nickeloxidpulver und ist das elektroaktive lösliche Material Kaliumhydroxid.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erste Schicht unlöslichen negativen Pols Eisenpulver und umfasst die zweite Schicht unlöslichen positiven Pols Nickeloxidpulver und ist das elektroaktive lösliche Material Kaliumhydroxid.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfassen die erste Schicht unlöslichen negativen Pols und die zweite Schicht unlöslichen positiven Pols Bleioxidpulver, wird die Zelle durch an die Pole angelegte Spannung aufgeladen und ist das elektroaktive lösliche Material Schwefelsäure.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind das zerfließende Material und das elektroaktive lösliche Material das gleiche Material und sind aus der aus Zinkchlorid, Zinkbromid, Zinkfluorid und Kaliumhydroxid bestehenden Gruppe ausgewählt.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist das zerfließende Material aus der aus Calciumchlorid, Calciumbromid, Kaliumdiphosphat und Kaliumacetat bestehenden Gruppe ausgewählt.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist das wasserlösliche Polymer aus der aus Polyvinylalkohol, Polyacrylamid, Polyacrylsäure, Polyvinylpyrrolidon, Polyethylenoxid, Agar-Agar, Agarose, Stärke, Hydroxyethylcellulose und Kombinationen und Copolymeren davon bestehenden Gruppe ausgewählt.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind das wasserlösliche Polymer und das zerfließende Material das gleiche Material und sind aus der aus Dextran, Dextransulfat und Kombinationen und Copolymeren davon bestehenden Gruppe ausgewählt.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Zelle weiter Anschlussklemmen, wobei jede der Anschlussklemmen in elektrischem Kontakt mit einer der ersten und der zweiten Polschicht ist.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind die Anschlussklemmen aus Graphit oder einem Metall hergestellt.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist das Metall aus der aus Eisen, Nickel, Titan, Kupfer, Edelstahl und Mischungen davon bestehenden Gruppe gewählt und werden die Anschlussklemmen mittels einer geeigneten Drucktechnologie an der Zelle angebracht, wie etwa, jedoch nicht beschränkt auf, Siebdruck, Offsetdruck, Strahldruck, Laminieren, Materialverdampfung oder Pulverdispersion.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Zelle weiter mindestens eine leitende Schicht, die die elektronische Leitfähigkeit mindestens einer der ersten und der zweiten Polschicht verbessert.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist die leitende Schicht aus der aus einem Graphitpapier und Kohlenstofftuch bestehenden Gruppe ausgewählt.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Zelle weiter eine Außenschicht, die aus der aus einer Klebe-Rückschicht, einer Folien-Schutzschicht und einer Kombination aus Klebe-Rückschicht und einer Folien-Schutzschicht bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen wird eine elektrische Stromversorgung bereitgestellt, die mindestens zwei Zellen mit Eigenschaften, wie vorangehend dargelegt, umfasst, welche Zellen in einer Vorderende- an Hinterende-Orientierung in einer bipolaren Verbindung miteinander verbunden sind.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen geschieht die Verbindung mittels eines Klebemittels, das aus der aus einem leitenden doppelseitigen Klebeband und einer leitenden Klebstoffschicht bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen werden das leitende doppelseitige Klebeband und die leitende Klebstoffschicht mittels einer Drucktechnologie angebracht.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Zelle eine erste Schicht unlöslichen negativen Pols, eine zweite Schicht unlöslichen positiven Pols und eine dritte Schicht wässrigen Elektrolyts, wobei die dritte Schicht zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnet ist und umfasst: (a) ein wasserlösliches Polymer zum Erhalten einer erforderlichen Viskosität, um die erste und die zweite Schicht an der dritten Schicht anzuheften, und zum Erhalten eines erforderlichen hygroskopischen Verhaltens, um die offene Zelle jederzeit nass zu halten; und (b) ein elektroaktives lösliches Material zum Erhalten einer erforderlichen ionischen Leitfähigkeit.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Verfahren zur Herstellung einer offenen elektrochemischen Zelle die Schritte des (a) Benetzens einer porösen Substanz, die eine erste und eine zweite Seite aufweist, mit einer wässrigen Lösung, die ein zerfließendes Material, ein elektroaktives lösliches Material und ein wasserlösliches Polymer enthält; (b) Anbringens einer Schicht negativen Pols an der ersten Seite; und (c) Anbringens einer Schicht positiven Pols an der zweiten Seite.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen findet das Benetzen mittels einer Tauch- oder Drucktechnologie statt.
  • Gemäß noch weiteren Merkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfassen die Schichten negativen und positiven Pols aktive unlösliche Pulvermaterialien, die mit dem zerfließenden Material, elektroaktiven löslichen Material und wasserlöslichen Polymer gemischt sind, und findet die Anbringung der Schichten negativen und positiven Pols mittels einer Drucktechnologie statt.
  • Die vorliegende Erfindung spricht erfolgreich die Mängel der derzeit bekannten Konfigurationen an, indem sie eine offene elektrochemische flexible Dünnschichtzelle bereitstellt, die bei Lagerung keine Gase ansammelt, jedoch durch die Verwendung eines zerfließenden Materials, um sie jederzeit nass zu halten, und eines wasserlöslichen Polymers zur Erlangung der erforderlichen Viskosität zum Anheften der Polschichten an der wässrigen Elektrolytschicht nass und intakt gehalten wird. Weitere Qualitäten der Zelle umfassen, dass sie kein starres äußeres Gehäuse aufweist und daher dünn, leicht und flexibel ist und in jeder Größe, Form, Farbe und angebrachten Mustern gefertigt werden kann und daher für eine Vielfalt von Anwendungen geeignet ist; Kosteneffizienz aufweist; aus umwelt- und menschenfreundlichen Materialien hergestellt ist und mittels einer Klebe-Rückschicht selbstklebend ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die hierin beschriebene Erfindung, nur als Beispiel, unter Verweis auf die begleitenden Zeichnungen, worin:
  • 1 eine Perspektivansicht einer Basiskonfiguration einer offenen elektrochemischen flexiblen Dünnschichtzelle nach den Lehren der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 eine Perspektivansicht einer anderen möglichen Konfiguration einer offenen elektrochemischen flexiblen Dünnschichtzelle ist; die
  • 3a und 3b Perspektivansichten zweier möglicher Konfigurationen von Energieversorgungen sind, gebildet von einer bipolaren Verbindung von zwei Zellen von 1 beziehungsweise 2, um die von so gebildeten elektrischen Energieversorgungen erhaltene elektrische Energie additiv zu erhöhen; und
  • 4 ein Graph ist, der die Spannung einer offenen elektrochemischen flexiblen Dünnschichtzelle nach der vorliegenden Erfindung, gemessen durch einen Voltmeter in Funktion der Zeit unter Raumbedingungen darstellt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine offene elektrochemische flexible Dünnschichtzelle, die als primäre oder wiederaufladbare Energieversorgung für verschiedene miniaturisierte und tragbare elektrisch angetriebene Geräte mit kompaktem Design verwendet werden kann. Die offene elektrochemische flexible Dünnschichtzelle der vorliegenden Erfindung umfasst einen nassen Elektrolyten, behält jedoch eine flexible, dünne und offene Konfiguration, das heißt, ohne Ansammlung von Gasen bei Lagerung.
  • Die Grundsätze und der Betrieb einer offenen elektrochemischen flexiblen Dünnschichtzelle nach der vorliegenden Erfindung können unter Verweis auf die Zeichnungen und begleitenden Beschreibungen besser verstanden werden.
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 eine Grundkonfiguration der offenen elektrochemischen flexiblen Dünnschichtzelle der vorliegenden Erfindung, generell mit 10 bezeichnet. Zelle 10 umfasst drei Schichten, wie folgt. Eine erste Schicht unlöslichen negativen Pols 14, eine zweite Schicht unlöslichen positiven Pols 16 und eine dritte Schicht wässrigen Elektrolyts 12. Wie in diesem Dokument verwendet, ist an dem entladenen negativen Pol dort, wo eine Oxidation stattfindet, während der positive Pol dort ist, wo eine Reduktion stattfindet. Die wässrige Elektrolytschicht 12 umfasst ein zerfließendes (d. h. hygroskopisches) Material, um die offene Zelle 10 jederzeit nass zu halten; ein elektroaktives lösliches Material zur Erhaltung der erforderlichen ionischen Leitfähigkeit und ein wasserlösliches Polymer zur Erhaltung der erforderlichen Viskosität zum Anheften der Polschichten 14 und 16 an die wässrige Elektrolytschicht 12. Es folgt eine detailliertere Beschreibung jeder der Schichten 14, 16 und 12 und ihrer Rolle beim Betrieb der offenen Zelle 10.
  • Die wässrige Elektrolytschicht 12 umfasst typisch eine poröse unlösliche Substanz, wie etwa, jedoch nicht beschränkt auf, Filtrierpapier, eine Kunststoffmembran, eine Cellulosemembran, Tuch etc.; die poröse Substanz wird von einer wässrigen Lösung benetzt, die drei Komponenten umfasst: ein zerfließendes Material; ein elektroaktives lösliches Material und ein wasserlösliches Polymer.
  • Das zerfließende Material, das hygroskopisch ist, hält die Zelle 10 jederzeit befeuchtet. Der Feuchtigkeitsgehalt in der offenen Zelle 10 kann abhängig von der Auswahl des zerfließenden Materials, seiner Konzentration und der Luftfeuchtigkeit schwanken. Geeignete zerfließende Materialien umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf, Calciumchlorid, Calciumbromid, Kaliumdiphosphat, Kaliumacetat und Kombinationen davon.
  • Das elektroaktive lösliche Material wird in Übereinstimmung mit den Materialien ausgewählt, aus denen die negative und die positive Polschicht bestehen. Eine Liste häufig verwendeter elektroaktiver löslicher Materialien, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, umfasst beispielsweise Zinkchlorid, Zinkbromid und Zinkfluorid für verschiedene primäre Zellen und Kaliumhydroxid und Schwefelsäure für wiederaufladbare Zellen.
  • Das wasserlösliche Polymer wird als Klebemittel eingesetzt, um die Polschichten 14 und 16 an die wässrige Elektrolytschicht 12 zu heften (d. h. zu kleben). Viele Polymertypen sind geeignet, wie beispielsweise Polyvinylalkohol, Polyacrylamid, Polyacrylsäure, Polyvinylpyrrolidon, Polyethylenoxid, Agar-Agar, Agarose, Stärke, Hydroxyethylcellulose und Kombinationen und Copolymere davon.
  • Jede der negativen und positiven Polschichten 14 und 16 umfasst eine Mischung eines geeigneten (negativen bzw. positiven) aktiven unlöslichen Pulvermaterials mit einer wässrigen Lösung gleichartig der hierin voranstehend beschriebenen Lösung, umfassend ein zerfließendes Material, ein elektroaktives lösliches Material und ein wasserlösliches Polymer.
  • Den Fachleuten ist deutlich, dass, während das elektroaktive lösliche Material nicht verändert werden sollte, das zerfließende Material und das wasserlösliche Polymer in der späteren Lösung anders gewählt sein können, mit anderen Worten, das elektroaktive lösliche Material sollte in allen drei Lagen 12, 14 und 16 gleich gehalten werden, während das zerfließende Material und das wasserlösliche Polymer gemäß der spezifischen Anwendung zwischen Schichten variiert werden können.
  • Die geeignete Auswahl aktiver unlöslicher Pulvermaterialien für die negative Polschicht 14 und positive Polschicht 16 mit einem passenden elektroaktiven löslichen Material, wie hierin nachstehend in den Beispielen beispielhaft dargestellt, stellt die flexible Dünnschichtzelle 10 bereit, die als Energieversorgung (d. h. eine Batterie) verwendet werden kann, welche Zelle 10 offen ist und daher bei Lagerung keine Gase ansammelt; trotzdem gewährleistet das hygroskopische Verhalten des zerfließenden Materials, dass die Zelle 10, obwohl sie offen ist, jederzeit nass gehalten wird. Geeignete Materialpaare zur Verwendung in dem negativen Pol 14 und positiven Pol 16 umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Mangandioxid/Zink, Silberoxid/Zink, Kadmium/Nickeloxid und Eisen/Nickeloxid (das Mangandioxid und das Silberoxid sind optional mit einem leitenden Kohlenstoffpulver gemischt, wie in der Technik bekannt).
  • Den Fachleuten ist deutlich, dass ein einziges Material sowohl als das zerfließende Material als auch als das elektroaktive lösliche Material dienen kann. Ein solches Material sollte jedoch geeignete elektroaktive und hygroskopische Merkmale erwerben. Geeignete Materialien dieses Typs umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Zinkchlorid und Zinkbromid.
  • Weiter ist es den Fachleuten deutlich, dass ein einziges Material als ein zerfließendes Material und als ein wasserlösliches Polymer dienen kann. Ein solches Material sollte jedoch geeignete elektroaktive und hygroskopische Merkmale erwerben. Geeignete Materialien dieses Typs umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Dextran, Dextransulfat und Kombinationen und Copolymere davon.
  • Die in 1 dargestellten und hierin vorangehend beschriebenen drei Schichten 12, 14 und 16 können dünn gefertigt werden und sind flexibel, daher ist die Zelle 10 flexibel und weist nur eine Dicke von 0,5–1,5 mm oder weniger auf. Es wird derzeit bevorzugt und wird nachstehend weiter im Detail dargelegt, dass die Zelle 10 durch eine geeignete Drucktechnologie gefertigt wird. Geeignete Drucktechnologien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Siebdruck, Offsetdruck, Strahldruck, Laminieren, Materialverdampfung oder Pulverdispersion.
  • Eine andere mögliche Konfiguration ist in 2 dargestellt, welche eine Zelle, der generell die Referenzziffer 20 zugeordnet ist, veranschaulicht. Wie Zelle 10 umfasst auch Zelle 20 Schichten 12, 14 und 16 (gestreifter Bereich), die eine Basiszelle bilden. Die Zelle 20 umfasst zusätzlich eine oder zwei leitende Schichten 22 und 24 zur Verbesserung der elektronischen Leitfähigkeit der negativen Polschicht 14 und/oder der positiven Polschicht 16. Geeignete leitende Schichten sind Graphitpapier, Kohlenstofftuch usw. Die Zelle 20 umfasst auch eine negative Anschlussklemme 26 und eine positive Anschlussklemme 28, welche Anschlussklemmen 26 und 28 entweder mit der entsprechenden Polschicht 14 beziehungsweise 16 oder mit der entsprechenden leitenden Schicht 22 beziehungsweise 24 oder mit beiden in elektrischem Kontakt sind. Die Anschlussklemmen 26 und 28 sind aus jeglichen geeigneten Materialien hergestellt, wie etwa, jedoch nicht beschränkt auf, Graphit oder Metalle, wie etwa Eisen, Nickel, Titan, Kupfer, Edelstahl und Mischungen davon, und werden bevorzugt durch eine geeignete Drucktechnologie, wie die vorangehend aufgelisteten, an der Zelle 20 angebracht. Die Anschlussklemmen 26 und 28 werden verwendet, um die Zelle 20 elektrisch mit einer Last, wie etwa einem elektrisch angetriebenen Gerät, zu verbinden. Die Anschlussklemmen 26 und 28 können sich an jeder gewünschten Stelle der Zelle 20 befinden, können jede geeignete Form und Größe annehmen und, abhängig von der spezifischen Anwendung, können die Anschlussklemmen 26 und 28 von der Oberfläche der Zelle 20 hervorragen. Die Zelle 20 kann weiter mindestens eine extern befindliche Klebe-Rückschicht 29 umfassen, um das Befestigen der Zelle 20 an verschiedenen Oberflächen zu ermöglichen, und/oder mindestens eine extern befindliche Folien- Schutzschicht 30 zum physikalischen Schutz aller anderen Schichten.
  • Noch eine andere Konfiguration ist in den 3a–b gezeigt. Zwei oder mehr Zellen 10, wie in 3a gezeigt, oder Zellen 20, wie in 3b gezeigt, können elektrisch durch eine bipolare Verbindung angeschlossen sein, um die von so gebildeten elektrischen Energieversorgungen 40 beziehungsweise 50 erhaltene elektrische Energie additiv zu erhöhen. Zu diesem Zweck werden zwei oder mehr Zellen in einer Vorderende- an Hinterende-Konfiguration aneinandergeheftet, wie in den 3a–b durch die Anordnung der Lagen 22, 14, 12, 16 und 24 angedeutet, durch ein leitendes doppelseitiges Klebeband, oder eine leitende Klebstoffschicht 42, die beispielsweise durch eine geeignete Drucktechnologie angebracht ist, wodurch das Passieren von Elektronen zwischen benachbarten Zellen ermöglicht wird. Es ist deutlich, dass die elektrischen Energieversorgungen 40 und/oder 50 weiter extern befindliche Klebe-Rückschicht(en) gleichartig zu der Oberfläche 29 von 2 und/oder extern befindliche Folien-Schutzschicht(en) gleichartig zu der Schicht 30 von 2 umfassen können. Es ist weiter deutlich, dass die elektrischen Energieversorgungen 40 und 50 eine negative und eine positive Anschlussklemme gleichartig zu den Anschlussklemmen 26 beziehungsweise 28 von 2 umfassen können.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst weiter ein Verfahren zur Herstellung einer offenen elektrochemischen flexiblen Dünnschicht-Flüssigzelle gleichartig zu den vorangehend beschriebenen Zellen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst des (a) Benetzens einer porösen Substanz mit einer wässrigen Lösung, die ein zerfließendes Material, ein elektroaktives lösliches Material und ein wasserlösliches Polymer enthält; wobei das Benetzen entweder durch Tauch- oder Drucktechnologien erzielt werden kann; (b) Anbringens einer negativen Polschicht an einer Seite der porösen Substanz; und (c) Anbringens einer positiven Polschicht an der zweiten Seite der porösen Substanz. Die negativen und positiven Polschichten umfassen aktive unlösliche Pulversubstanzen, gemischt mit dem zerfließenden Material, elektroaktiven löslichen Material und wasserlöslichen Polymer bevorzugt desselben Typs wie unter (a) und werden bevorzugt unter Anwendung einer geeigneten Drucktechnologie, die beispielsweise aus den vorangehend aufgelisteten ausgewählt ist, angebracht.
  • Das Verfahren kann weiter das Hinzufügen zusätzlicher Schichten und Teile zu der Zelle umfassen, wie etwa, jedoch nicht begrenzt auf, extern befindlicher Klebe-Rückschicht(en) und/oder Folien-Schutzschicht(en) und negativer und einer positiven Anschlussklemme. Auch kann das Verfahren weiter das bipolare Zusammenfügen von zwei oder mehr Zellen umfassen, beispielsweise mit einem leitenden doppelseitigen Klebeband oder einer leitenden Klebstoffschicht, die beispielsweise durch eine geeignete Drucktechnologie angebracht werden, um eine Energieversorgung mit erhöhter Energie (z. B. im Wesentlichen verdoppelt, verdreifacht usw.) zu bilden. Nach der vorliegenden Erfindung kann solch bipolares Verbinden durch in einer Vorderende- an Hinterende-Konfiguration miteinander Verbinden von zwei oder mehr vorgefertigten Zellen durchgeführt werden, oder alternativ durch direktes Fertigen von zwei oder mehr so ausgerichteten Zellen, durch nacheinander Anbringen geeigneter Schichten, bevorzugt unter Anwendung einer geeigneten Drucktechnologie, wie vorangehend beschrieben.
  • Die offene elektrochemische flexible Dünnschichtzelle der vorliegenden Erfindung hat einen großen Vorteil gegenüber Dünnschichtzellen des Standes der Technik. Da sie eine offene Zelle ist, sammelt sie bei Lagerung keine Gase an, wird jedoch trotzdem durch die Verwendung eines zerfließenden Materials, um sie jederzeit nass zu halten, und eines wasserlöslichen Polymers, um die erforderliche Viskosität zum Anheften der Polschichten an der wässrigen Elektrolytschicht zu erlangen, nass und intakt gehalten.
  • Die offene elektrochemische flexible Dünnschichtzelle der vorliegenden Erfindung weist andere Qualitäten auf, wie folgt. Erstens hat sie kein starres äußeres Gehäuse und ist daher dünn, leicht und flexibel und kann in jeder Größe, Form, Farbe und mit angebrachten Mustern gefertigt werden und ist daher für eine Vielfalt von Anwendungen geeignet. Zweitens werden durch Verwendung einer geeigneten Drucktechnologie zu ihrer Herstellung ihre Gestehungskosten reduziert und daher kann sie nach Gebrauch entsorgt werden, zum Teil, da große Bögen produziert und nach dem Drucken auf jede gewünschte Größe zugeschnitten werden können, und zum Teil, da diese Technologie inhärent kosteneffizient ist. Drittens wird sie bevorzugt aus umwelt- und menschenfreundlichen Materialien hergestellt (sie enthält bevorzugt kein Quecksilber oder Schwermetalle). Und schließlich kann sie mittels einer Klebe-Rückschicht selbstklebend hergestellt werden.
  • Es wird nun auf die folgenden Beispiele verwiesen, die zusammen mit den vorangehenden Beschreibungen die Erfindung veranschaulichen.
  • BEISPIEL I
  • Eine Lösung, die 120 mg Polyvinylalkohol (ein wässriges lösliches Polymer) und 1680 mg Zinkchlorid (ein zerfließendes Material und ein elektroaktives lösliches Material) in 1,2 ml Wasser wurde hergestellt. Diese Lösung hatte ein leimartiges viskoses Aussehen. Ein Streifen eines Filtrierpapiers von 4,5 cm × 7 cm wurde durch eine Druck- oder Tauchtechnologie gründlich mit dieser Lösung benetzt. Eine Mischung von 300 mg Zinkpulver mit der obigen Lösung wurde hergestellt und wurde auf eine Seite des Papierstreifens gedruckt und diente als die negative Polschicht. Auf die andere Seite wurde eine Mischung von 250 mg Mangandioxid und 50 mg eines leitenden Kohlenstoffpulvers zusammen mit der vorgenannten Lösung gedruckt, die als die positive Polschicht diente. Wenn elektrische Kontakte mit beiden Seiten hergestellt und über eine Last verbunden wurden, wurde ein elektrischer Strom gemessen. Ein Strom von 12 Mikroampere pro cm2 bei einer Spannung von 1,7÷1,2 Volt wurde fünf Tage lang kontinuierlich unter Raumbedingungen mit Leichtigkeit aufrechterhalten.
  • BEISPIEL 2
  • Eine offene Zelle wurde hergestellt, wie unter Beispiel 1 vorangehend beschrieben, und wurde an einen Voltmeter angeschlossen. Wie in 4 gezeigt, ergab die Messung der von der Zelle unter Raumbedingungen produzierten Spannung eine ausgeprägte Spannung von 1,7÷1,2 Volt, die für neun aufeinanderfolgende Tage aufrechterhalten wurde.
  • BEISPIEL 3
  • Eine gesättigte Kaliumhydroxidlösung wird hergestellt und durch Mischen mit einem wasserlöslichen Polymer auf die Viskosität eines Leims gebracht. Eine poröse Substanz (z. B. ein Filtrierpapier) wird gründlich mit dieser Lösung benetzt und eine Mischung der Lösung mit Nickeloxidpulver wird auf eine Seite der porösen Substanz gestrichen, um eine positive Polschicht zu bilden, und eine gleichartige Mischung mit Kadmiumpulver wird auf die andere Seite der porösen Substanz gestrichen, um eine negative Polschicht zu bilden. Durch Anschließen eines Voltmeters an die zwei Seiten wird eine Spannung von 1,2 Volt gemessen, und ein hoher Strom wird gemessen, wenn die zwei Schichten über eine Last in Kontakt gebracht werden. Die Zelle trocknet an der Luft nicht aus und kann wieder aufgeladen werden, wenn gewünscht.
  • BEISPIEL 4
  • Die gleiche Kaliumhydroxidlösung wie in Beispiel 3 wird hergestellt und eine poröse Substanz wird damit benetzt. Eine Mischung der Lösung mit Zinkpulver wird auf eine Seite der porösen Substanz gestrichen, um eine negative Polschicht zu bilden, und eine gleichartige Mischung mit Silberoxidpulver, die, falls gewünscht, etwas Kohlenstoffpulver enthält, wird auf die andere Seite der porösen Substanz gestrichen, um eine positive Polschicht zu bilden. Durch Anschließen eines Voltmeters an die zwei Seiten wird eine Spannung von 1,2 Volt gemessen, und ein beträchtlicher Strom wird gemessen, wenn die zwei Schichten über eine Last in Kontakt gebracht werden. Die Zelle trocknet an der Luft nicht aus und kann wieder aufgeladen werden, wenn gewünscht.
  • BEISPIEL 5
  • Die gleiche Kaliumhydroxidlösung wie in Beispiel 3 wird hergestellt und eine poröse Substanz wird damit benetzt. Eine Mischung der Lösung mit Zinkpulver wird auf eine Seite der porösen Substanz gestrichen, um eine negative Polschicht zu bilden, und eine gleichartige Mischung mit Mangandioxidpulver, die, falls gewünscht, etwas Kohlenstoffpulver enthält, wird auf die andere Seite der porösen Substanz gestrichen, um eine positive Polschicht zu bilden. Durch Anschließen eines Voltmeters an die zwei Seiten wird eine Spannung von 1,5 Volt gemessen, und ein beträchtlicher Strom wird gemessen, wenn die zwei Schichten über eine Last in Kontakt gebracht werden. Die Zelle trocknet an der Luft nicht aus. Wiederaufladen der so gebildeten Zelle kann mühsam sein.
  • BEISPIEL 6
  • Die gleiche Kaliumhydroxidlösung wie in Beispiel 3 wird hergestellt und eine poröse Substanz wird damit benetzt. Eine Mischung der Lösung mit Nickeloxidpulver wird auf eine Seite der porösen Substanz gestrichen, um eine positive Polschicht zu bilden, und eine gleichartige Mischung mit Eisenpulver wird auf die andere Seite der porösen Substanz gestrichen, um eine negative Polschicht zu bilden. Durch Anschließen eines Voltmeters an die zwei Seiten wird eine Spannung von 0,9 Volt gemessen und ein Strom kann gemessen werden, wenn die zwei Schichten über eine Last in Kontakt gebracht werden. Die Zelle trocknet an der Luft nicht aus und ein gewisses Wiederaufladen ist möglich, wenn gewünscht.
  • BEISPIEL 7
  • Eine 30%-ige Schwefelsäurelösung wird hergestellt und durch Mischen mit einem wasserlöslichen Polymer auf die Viskosität eines Leims gebracht. Eine poröse Substanz (z. B. ein Filtrierpapier) wird gründlich mit dieser Lösung benetzt und eine Mischung der Lösung mit Bleioxid wird auf beide Seiten der porösen Substanz gestrichen. Beide Seiten werden an eine Energieversorgung angeschlossen und eine Spannung von mehr als 2 Volt wird angelegt, wodurch die Zelle aufgeladen wird. Auflade- und Entladungszyklen können wiederholt werden, ohne dass die Zelle an der Luft austrocknet.
  • Während die Erfindung in Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist zu würdigen, dass viele Variationen, Modifikationen und andere Anwendungen der Erfindung vorgenommen werden können.

Claims (40)

  1. Offene elektrochemische Zelle, umfassend eine erste Schicht unlöslichen negativen Pols, eine zweite Schicht unlöslichen positiven Pols und eine dritte Schicht nassen Elektrolyts, wobei die dritte Schicht zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnet ist und umfasst: (a) ein zerfließendes Material, um die offene Zelle jederzeit nass zu halten; (b) ein elektroaktives lösliches Material zum Erhalten der erforderlichen ionischen Leitfähigkeit; und (c) ein wasserlösliches Polymer zum Erhalten einer erforderlichen Viskosität zum Anheften der ersten und zweiten Schicht an die dritte Schicht.
  2. Zelle nach Anspruch 1, wobei eine poröse Substanz an der Elektrolytschicht angreift.
  3. Zelle nach Anspruch 2, wobei die poröse Substanz aus der aus einem Filtrierpapier, einer Kunststoffmembran, einer Cellulosemembran und einem Tuch bestehenden Gruppe gewählt ist.
  4. Zelle nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht unlöslichen negativen Pols Mangandioxidpulver umfasst und die zweite Schicht unlöslichen positiven Pols Zinkpulver umfasst.
  5. Zelle nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht unlöslichen negativen Pols weiter Kohlenstoffpulver umfasst.
  6. Zelle nach Anspruch 4, wobei die zweite Schicht unlöslichen positiven Pols weiter Kohlenstoffpulver umfasst.
  7. Zelle nach Anspruch 4, wobei das elektroaktive lösliche Material aus der aus Zinkchlorid, Zinkbromid, Zinkfluorid und Kaliumhydroxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  8. Zelle nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht unlöslichen negativen Pols Silberoxidpulver umfasst und die zweite Schicht unlöslichen positiven Pols Zinkpulver umfasst.
  9. Zelle nach Anspruch 8, wobei das elektroaktive lösliche Material Kaliumhydroxid ist.
  10. Zelle nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht unlöslichen negativen Pols Kadmiumpulver umfasst und die zweite Schicht unlöslichen positiven Pols Nickeloxidpulver umfasst.
  11. Zelle nach Anspruch 10, wobei das elektroaktive lösliche Material Kaliumhydroxid ist.
  12. Zelle nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht unlöslichen negativen Pols Eisenpulver umfasst und die zweite Schicht unlöslichen positiven Pols Nickeloxidpulver umfasst.
  13. Zelle nach Anspruch 12, wobei das elektroaktive lösliche Material Kaliumhydroxid ist.
  14. Zelle nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht unlöslichen negativen Pols und die zweite Schicht unlöslichen positiven Pols Bleioxidpulver umfassen und die Zelle durch an diese Pole angelegte Spannung aufgeladen wird.
  15. Zelle nach Anspruch 14, wobei das elektroaktive lösliche Material Schwefelsäure ist.
  16. Zelle nach Anspruch 1, wobei das zerfließende Material und das elektroaktive lösliche Material das gleiche Material sind.
  17. Zelle nach Anspruch 16, wobei dieses gleiche Material aus der aus Zinkchlorid, Zinkbromid, Zinkfluorid und Kaliumhydroxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  18. Zelle nach Anspruch 1, wobei das zerfließende Material aus der aus Calciumchlorid, Calciumbromid, Kaliumdiphosphat und Kaliumacetat bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  19. Zelle nach Anspruch 1, wobei das wasserlösliche Polymer aus der aus Polyvinylalkohol, Polyacrylamid, Polyacrylsäure, Polyvinylpyrrolidon, Polyethylenoxid, Agar-Agar, Agarose, Stärke, Hydroxyethylcellulose und Kombinationen und Copolymeren davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  20. Zelle nach Anspruch 1, wobei das wasserlösliche Polymer und das zerfließende Material das gleiche Material sind.
  21. Zelle nach Anspruch 1, wobei dieses gleiche Material aus der aus Dextran, Dextransulfat und Kombinationen und Copolymeren davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  22. Zelle nach Anspruch 1, die weiter Anschlussklemmen umfasst, wobei jede der Anschlussklemmen in elektrischem Kontakt mit einer der ersten und der zweiten Polschicht ist.
  23. Zelle nach Anspruch 22, wobei die Anschlussklemmen aus Metall hergestellt sind.
  24. Zelle nach Anspruch 22, wobei die Anschlussklemmen aus Graphit hergestellt sind.
  25. Zelle nach Anspruch 23, wobei das Metall aus der aus Eisen, Nickel, Titan, Kupfer, Edelstahl und Mischungen davon bestehenden Gruppe gewählt ist und die Anschlussklemmen mittels einer Drucktechnologie an der Zelle angebracht werden.
  26. Zelle nach Anspruch 1, weiter mindestens eine leitende Schicht umfassend, die die elektronische Leitfähigkeit mindestens einer der ersten und der zweiten Polschicht verbessert.
  27. Zelle nach Anspruch 26, wobei die leitende Schicht aus der aus einem Graphitpapier und Kohlenstofftuch bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  28. Zelle nach Anspruch 1, weiter eine Außenschicht umfassend, die aus der aus einer Klebe-Rückschicht, einer Folien-Schutzschicht und einer Kombination aus Klebe-Rückschicht und einer Folien-Schutzschicht bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  29. Elektrische Stromversorgung, umfassend zwei Zellen nach Anspruch 1, die in einer Vorderende- an Hinterende-Orientierung in einer bipolaren Verbindung miteinander verbunden sind.
  30. Elektrische Stromversorgung nach Anspruch 29, wobei die Verbindung mittels eines Klebemittels ist, das aus der aus einem leitenden doppelseitigen Klebeband und einer leitenden Klebstoffschicht bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  31. Elektrische Stromversorgung nach Anspruch 30, wobei das leitende doppelseitige Klebeband und die leitende Klebstoffschicht mittels einer Drucktechnologie angebracht werden.
  32. Offene elektrochemische Zelle, umfassend eine erste Schicht unlöslichen negativen Pols, eine zweite Schicht unlöslichen positiven Pols und eine dritte Schicht nassen Elektrolyts, wobei die dritte Schicht zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnet ist und umfasst: (a) ein wasserlösliches Polymer zum Erhalten einer erforderlichen Viskosität, um die erste und die zweite Schicht an der dritten Schicht anzuheften, und zum Erhalten eines erforderlichen hygroskopischen Verhaltens, um die offene Zelle jederzeit nass zu halten; und (b) ein elektroaktives lösliches Material zum Erhalten einer erforderlichen ionischen Leitfähigkeit.
  33. Verfahren zur Herstellung einer offenen elektrochemischen Zelle, umfassend die Schritte des: (a) Benetzens einer porösen Substanz, die eine erste und eine zweite Seite aufweist, mit einer wässrigen Lösung, die ein zerfließendes Material, ein elektroaktives lösliches Material und ein wasserlösliches Polymer enthält; (b) Anbringens einer Schicht negativen Pols an der ersten Seite; und (c) Anbringens einer Schicht positiven Pols an der zweiten Seite.
  34. Verfahren nach Anspruch 33, wobei das Benetzen mittels einer Tauchtechnologie stattfindet.
  35. Verfahren nach Anspruch 33, wobei das Benetzen mittels einer Drucktechnologie stattfindet.
  36. Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Schichten negativen und positiven Pols aktive unlösliche Pulvermaterialien, die mit dem zerfließenden Material, elektroaktiven löslichen Material und wasserlöslichen Polymer gemischt sind, umfassen.
  37. Verfahren nach Anspruch 36, wobei die Anbringung der Schichten negativen und positiven Pols mittels einer Drucktechnologie stattfindet.
  38. Zelle, wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei eine poröse flexible Substanz an der Elektrolytschicht angreift.
  39. Zelle, wie in Anspruch 1 oder Anspruch 32 beansprucht, wobei die Zelle eine flexible Dünnschichtzelle ist.
  40. Zelle, wie in Anspruch 1 oder Anspruch 32 beansprucht, wobei der Nasselektrolyt einen wässrigen Elektrolyten umfasst.
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