элемент для изготовления вторичных батарей

Формула изобретения

1. Элемент для изготовления вторичных батарей, который в заряженном состоянии содержит металлический отрицательный электрод, твердый сероорганический положительный электрод и твердый электролит, расположенный подобно сэндвичу между отрицательным и положительным электродами и способный переносить катионы между указанными электродами, отличающийся тем, что твердый сероорганический положительный электрод состоит из полимера формулы (SRS_y)_n, где y 2 6, n > 20 и R одна или более различные алифатические или ароматические составляющие, содержащие 1 20 атомов углерода, которые могут включать один или более гетероатомов кислорода, фосфора, кремния, серы или азота, когда R включает одно или более ароматических колец, или один или более атомов кислорода, фосфора, кремния, серы, азота или фтора, связанных с цепью, когда R содержит алифатическую цепь, где алифатическая группа может быть линейной или разветвленной, насыщенной или ненасыщенной и когда либо алифатическая цепь, либо ароматическое кольцо могут содержать группы заместителей и где упомянутый сероорганический материал положительного электрода дополнительно отличается связью "сера-сера", когда в заряженном состоянии, которое после разрядки элемента разрывается с образованием органической соли металла с ионами металла в упомянутом элементе, и упомянутый твердый электролит содержит органический полимер и электролитную соль.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что электролит представляет собой легированный полиалкиленоксид.

3. Элемент по п.2, отличающийся тем, что электролит представляет собой окись полиэтилена, легированную трифлатом лития.

4. Элемент по п.3, отличающийся тем, что положительный электрод дополнительно содержит не более 20 мас. углеродных частиц.

5. Элемент по п.4, отличающийся тем, что положительный электрод дополнительно содержит не более, чем около 10 мас. углеродных частиц.

6. Элемент по п.4, отличающийся тем, что положительный электрод дополнительно содержит не более, чем 70 мас. полиалкиленоксида.

7. Элемент по п.1, отличающийся тем, что отрицательный электрод состоит из натрия, или лития, или из смесей металлов, в которых натрий или литий являются главным компонентом.

8. Элемент по п.7, отличающийся тем, что отрицательный электрод состоит из натрия.

9. Элемент по п.7, отличающийся тем, что отрицательный электрод состоит из лития.

10. Элемент по п.1, отличающийся тем, что твердым электролитом является полиэтиленоксид, легированный трифлатом натрия, а положительный электрод содержит углеродные частицы.

11. Элемент по п.10, отличающийся тем, что положительный электрод дополнительно содержит не более, чем 70 мас. полиалкиленоксида.

12. Элемент по п.11, отличающийся тем, что полиалкиленоксидом является полиэтиленоксид.

13. Элемент по п.1, отличающийся тем, что все компоненты функциональны в твердом состоянии и положительный электрод включает не более, чем примерно 70 мас. инертного полимерного материала, не более, чем примерно 20 мас. углеродных частиц и от примерно 30 мас. до 100 мас. активного вещества, которое является высокополимерным в заряженном состоянии и которое образует соли с металлом из отрицательного электрода в разряженном состоянии, и где это активное вещество в заряженном состоянии описывается формулой (SRS_y)_n, где y 2 6, n > 20, R одна или более различных алифатических или ароматических составляющих, содержащих 1 20 атомов углерода, которые могут включать один или более гетероатомов кислорода, фосфора, кремния, серы или азота, когда R включает одно или более ароматических колец, или один или более атомов кислорода, фосфора, кремния, серы, азота или фтора, связанных цепью, когда R содержит алифатическую цепь, в которой алифатическая группа может быть линейной или разветвленной, насыщенной или ненасыщенной и в которой либо алифатическая цепь, либо ароматическое кольцо могут включать замещающие группы и при котором сероорганический материал положительного электрода дополнительно характеризуется связью "сера-сера", когда в заряженном состоянии, которая после разрядки элемента разрывается с образованием металлоорганической соли с ионами металла в указанном элементе.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к элементам типа металл-сера для изготовления вторичных (аккумуляторных) батарей и, в частности, к элементам, все компоненты которых работают в твердом состоянии.

Вторичные батареи находят широкое распространение в современном обществе, в частности, в тех областях применения, где нет необходимости в больших количествах энергии. Однако желательно использовать батареи в тех областях, которые требуют значительной мощности, и до настоящего времени было затрачено много усилий в создании батарей, пригодных для таких технических применений высокой мощности, как электрические транспортные средства. Конечно, такие батареи также пригодны для использования в технических областях, использующих меньшую мощность, например, в фотокамерах или портативных записывающих устройствах.

К настоящему времени наиболее принятыми аккумуляторными батареями, видимо, являются свинцовые аккумуляторные батареи, используемые в автомобилях. Батареи имеют то преимущество, что они способны работать в течение множества зарядных циклов без какой-либо существенной потери технических характеристик. Однако эти батареи обладают низкой удельной мощностью. Для повышения удельной мощности к настоящему времени были тщательно исследованы литиевые батареи, и некоторые из этих систем показали обнадеживающие результаты в некоторых областях применения. Можно надеяться, что за этим последует более широкое распространенное их использование.

Разработки в литиевых полиэтиленоксидных элементах, как правило, характеризуются сравнительным показателем качества (СПК), который вычисляют путем умножения числа циклов на среднюю емкость цикла и деления на избыточную установленную емкость лития, порядка 50. Типичный пример такого элемента можно обнаружить в патенте [1] в котором описывается литий/полиэтиленовая установка батарей, в которой электроактивный материал представляет собой интеркалированное соединение. Батарея этого типа может иметь большие размеры без какой-либо значительной потери технических свойств. Еще один элемент литиевого типа можно обнаружить в патенте [2] в котором используется сероорганический положительный электрод, который имеет в заряженном состоянии связи "сера-сера", которые в разряженном состоянии разрываются с образованием металлоорганических солей. Согласно указанному патенту США элемент для изготовления вторичных батарей в заряженном состоянии содержит:

металлический отрицательный электрод;

твердый сера-органический положительный электрод; и

твердый электролит, расположенный, подобно сэндвичу, между отрицательным и положительным электродами и способный переносить катионы между указанными электродами.

В этом патенте описывается элемент, который обладает исключительным весовым соотношением, однако описанный электрод был использован в жидком состоянии, а растворители были необходимы для обеспечения необходимого переноса электрического тока.

Настоящее изобретение предлагает усовершенствование этих защищенных патентами установок. В частности, настоящее изобретение предлагает элемент со сравнительным показателем качества порядка 120, вместе с возможностью эксплуатации при комнатной температуре или температуре окружающей среды.

Следовательно, основной задачей изобретения является создание гальванического (аккумуляторного) элемента типа металл-сера, характеризуемого высоким СПК, и который способен функционировать при температурах окружающего воздуха.

Другой задачей изобретения является создание элемента, в котором все компоненты находятся в твердом состоянии и который можно надежно превратить в блоки с воспроизводимыми значениями технических характеристик.

Еще одна задача изобретения состоит в получении батареи, удельная энергия которой значительно превышает требования к выравниванию нагрузок и/или использованию электрических транспортных средств.

В соответствии с изобретением предлагаются составной положительный электрод и установка батарей, на основе системы составного положительного электрода. В полностью заряженном состоянии положительный электрод включает линейный, двухмерный или трехмерный полимерный электроактивный компонент.

Согласно настоящему изобретению твердый сераорганический положительный электрод состоит из полимера формулы (SRS_y)_n, где y от 2 до 6 включительно, n больше 20 и R- одна или более различные алифатические или ароматические составляющие, содержащие 1-20 атомов углерода, которые могут включать один или более гетероатомов кислорода, фосфора, кремния, серы или азота, когда R включает одно или более ароматических колец, или один или более атомов кислорода, фосфора, кремния, серы, азота или фтора, связанных цепью, когда R содержит алифатическую цепь, где алифатическая группа может быть линейной или разветвленной, насыщенной или ненасыщенной, и когда либо алифатическая цепь, либо ароматическое кольцо могут содержать группы заместителей, и где упомянутый сераорганический материал положительного электрода дополнительно отличается связью "сера-сера", когда в заряженном состоянии, которое после разрядки элемента разрывается с образованием органической соли металла с ионами металла в упомянутом элементе, и упомянутый твердый электролит содержит органический полимер и электролитную соль.

По данному изобретению в элементе для изготовления вторичных батарей отрицательный электрод состоит из натрия или лития или из их смесей, в которых натрий или литий являются главным компонентом.

В элементе целесообразно использовать электролит, представляющий собой легированный полиалкиленоксид, в частности, окись полиэтилена, легированную трифлатом лития. Кроме того, целесообразно использовать положительный электрод, дополнительно содержащий не более 10% мас. или не более 20% мас. углеродных частиц. Положительный электрод может также дополнительно содержать не более, чем 70% мас. полиалкиленоксидного полимера.

В заявленном элементе для изготовления вторичных батарей твердым электролитом может быть полиэтиленоксид, легированный трифлатом натрия, и положительный электрод содержит углеродные частицы.

В предложенном элементе все компоненты функциональны в твердом состоянии и положительный электрод включает не более, чем примерно 70 мас. инертного полимерного материала, не более, чем примерно 20 мас. углеродных частиц и от примерно 30 мас. до 100 мас. активного вещества, которое является высокополимерным в заряженном состоянии и которое образует соли с металлом из отрицательного электрода в разряженном состоянии, и где это активное вещество в заряженном состоянии описывается вышеуказанной формулой (SRS_y)_n.

Процесс зарядки/разрядки в положительном электроде можно рассматривать в качестве обратимой окислительно-восстановительной полимеризации (или окислительно -восстановительной димеризации/деления в случае мономерных RSSR соединений). Пример двухмерного (лестничного полимера) электрода можно иллюстрировать полиэтилениминдисульфидом:



Хотя эти полимерные материалы электрода транспортируют ионы щелочного металла, в большинстве случаев будет необходимо или желательно включать подходящий полимерный электролит, такой как окись полиэтилена) для быстрой транспортировки ионов внутри электрода, как делается с помощью электродов на основе интеркалирования. Кроме того, поскольку сераорганические электроды не являются электропроводящими, важно диспергировать небольшое количество углеродной сажи (как правило, 74% мас.) или частицы эквивалентного проводника, в составном электроде. Диапазоны материалов в полимерном положительном электроде составляют от приблизительно 30 до 80% мас. активного органического сернистого соединения, от приблизительно 20 до приблизительно 70% мас. полимерного электролита, и от приблизительно 1 до приблизительно 20% мас. частиц проводника.

Необходимую смесь получают путем растворения или диспергирования (SRS), полимера, окиси полиэтилена и порошка углеродной сажи в ацетонитриле, и последующего выпаривания растворителя для отливки тонкой пленки (например, 10-200 микрон) из твердого составного электрода. В предпочтительном случае положительный электрод представляет собой составной электрод, состоящий из окислительно-восстановительного полимера органического сернистого соединения, окиси полиэтилена и углеродной сажи.

В полностью заряженном состоянии положительный электрод из сернистого органического соединения имеет общую формулу (SRS), важной особенностью которой является образование связи сера -сера при окислении тиосоли щелочного металла. Предпочтительным электродом является полимерный дисульфид, но, полагают, что мономерные дисульфиды (RSSR), описанные в патенте США 4833048, также будут работоспособны в батареях с твердым электролитом. В полностью разряженном состоянии электрод из органического сернистого соединения содержит политио- и/или дитиоанионы (-SRS-), диспергированные в полимерной электролитной матрице. Конечный продукт разрядки зависит, конечно, от типа R-групп в полимерной цепи и размерности полностью окисленного положительного полимерного электрода.

Другим преимуществом изобретения является способность твердых электродов превращаться в различные металлы. Хотя литий имел наиболее низкий эквивалентный вес и обладал соответствующими весовыми преимуществами, он является более дорогостоящим по сравнению с натрием. Помимо этого, проводимость предпочтительных полиэфирных электролитов, таких как окись полиэтилена, является более высокой для транспортировки натрия по сравнению с транспортировкой лития. Соответственно, хотя аккумуляторные элементы типа интеркалирования нуждаются в литии в качестве практического вещества, отрицательный электрод настоящего электрода может состоять из многих различных металлов. Соответственно, любые из щелочных или щелочноземельных металлов или переходные металлы (полиэфирные электролиты до настоящего времени предназначались для транспортирования дикатионов, таких как Zn⁺⁺) находятся в сфере настоящего изобретения, в частности, смеси, содержащие литий и/или натрий.

Электролит, используемый в элементах, предложенных настоящим изобретением, выполняет функцию сепаратора для электродов и транспортирующей среды для ионов металла. Следовательно, можно использовать любой твердый материал, способный транспортировать ионы металлов. Например, до настоящего времени было известно, что натриевый бетаоксид алюминия работоспособен. Предпочтительно, однако, твердый электролитный сепаратор представляет собой любой подходящий полимерный электролит, такой как простые полиэфиры, полиимины, простые политиоэфиры, полифосфазены, полимерные смеси и тому подобное, к которым добавлена надлежащая электролитная соль.

На фиг.1 представлен вид в разрезе основных компонентов аккумуляторного элемента, выполненного в соответствии с изобретением; на фиг.2 представлены в графической форме данные, иллюстрирующие работу одного варианта устройства по настоящему изобретению и его сравнение с данными по известному варианту.

Аккумуляторный элемент типа металл -сера, изображенный на фиг. 1, содержит токосниматель 11, находящийся в непосредственном контакте с отрицательным электродом 12, токосниматель 13, находящийся в непосредственном контакте с положительным электродом 14, и электролит 15, находящийся, подобно бисквиту, между отрицательным электродом 12 и положительным электродом 14. В обычном элементе все эти элементы заключены в подходящем корпусе из пластмассы или подобного материала (не показан) только с токоснимателями, выходящими за пределы корпуса. Этим способом защищают реакционноспособные металлы, такие как натрий, или литий в отрицательном электроде. Аналогично осуществляется защита для других частей элемента.

В соответствии с известным техническим уровнем можно изготовить подходящие конструкции батарей для сборки деталей аккумуляторных элементов и аккумуляторных элементов при необходимости, и с использованием изобретения можно получить любую из известных конфигураций. Точные конструкции будут зависеть, главным образом, от цели использования батареи. При этом блоки аккумуляторных элементов все находятся в по существу твердом состоянии при температурах окружающего воздуха и в работе.

Вновь возвращаясь к фиг. 1, можно видеть, что токосниматели 11 и 13 представляют собой листы из электропроводящего материала, такого как нержавеющая сталь, который остается по существу неизменным в процессе разрядки и зарядки элемента и который обеспечивает электрические соединения с катодом и анодом элемента. Отрицательный электрод 12 предпочтительно представляет собой щелочной металл, такой как литий или натрий, причем натрий предпочтителен перед литием. Сераорганический катодный или положительный электрод 14 амальгамируют на токосниматель 13, как описано выше, и весь блок запрессовывают вместе с электролитом 15, проложенным подобно сэндвичу между электродами, как изображено на чертеже.

На чертеже толщины всех деталей аккумуляторного элемента для иллюстрации увеличены в масштабе и все эти детали, как правило, представляют собой значительно более тонкие листы. Например, обычный твердый анод 12 из лития или натрия будет иметь толщину порядка 10-50 микрон, обычный твердый составной полимерный катод 14 будет иметь толщину около 50-100 микрон и обычный полиэтиленоксидный электролит 15 будет иметь толщину около 10-100 микрон.

Предпочтительным электролитом является полиалкиленоксид, такой как окись полиэтилена, в которую добавлена пластифицирующая электролитная соль, такая как LiN(CF₃SO₂)₂. Результатом использования пластифицирующей электролитной соли является поддержание простого полиэфира в аморфном (проводящем) состоянии при низких температурах, тем самым обеспечивая работу элемента при низких температурах.

В соответствии с изобретением, сераорганическое соединение, которое содержит новый положительный электрод, предложенный настоящим изобретением, характеризуется сераорганическим материалом, содержащим по меньшей мере один атом серы, который образует первую связь с органической частью соединения, и вторую связь, когда материал находится в своем заряженном состоянии, с еще одним атомом серы, который также соединен с органической частью соединения. Когда соединение находится в своем разряженном состоянии связь сера -сера разрывается и ион металла, такого как натрий, образует соль с каждым из образующихся анионов серасодержащего органического соединения.

Таким образом, материал положительного электрода содержит сераорганический материал, который включает в себя основную или служащую каркасом формулу R-S-. В своем заряженном состоянии атом серы (или атомы, как будет объяснено ниже) образует -S-S- связь с атомом серы другой группы R-S-, образуя R-S-S-R. При разрядке связь-S-S- разрывается и каждая группа R-S- образует соль с ионом металла, таким как, например, натрий, а именно, R-SNa.

R-группа, представляющая собой органическую составляющую, как будет объяснено ниже, также может содержать атомы серы, соединенные с ней двойными связями, а именно R=S, так же, как атомы серы, только что описанные. Группа R может также содержать более одного атома серы, соединенного с ним простыми связями, делая таким образом полимеризацию возможной, например, в случае -S-R-S-. Возможно также разветвление, когда R-группа содержит три или более таких атомов серы, связанных с ней простыми связями.

Следовательно, общую формулу для сераорганического материала, содержащего новый положительный электрод из настоящего изобретения, можно представить, в своем заряженном состоянии, следующим образом: [R(S)_y]_n, где y 2-6, n- более 20 и R- один или более различных алифатических или ароматических органических составляющих, содержащих 1-20 атомов углерода, которые могут содержать один или более гетероатомов кислорода, серы, фосфора, кремния или азота, когда R включает одно или более ароматических колец, или один или более атомов кислорода, фосфора, кремния, серы, азота или фтора, связанных с цепью в случае, когда R содержит алифатическое звено, при котором алифатическое звено может быть линейным или разветвленным, насыщенным или ненасыщенным, и когда либо алифатическое звено, либо ароматическое звено могут содержать замещенные звенья.

Когда n в обычной формуле [R(S)_y]_n более чем 2, по крайней мере, часть сераорганического материала положительного электрода содержит органические составляющие, содержащие более одного атома серы, соединенного с той же самой органической составляющей, и способного образовывать связь "сера-сера" с серой, присоединенной к другой органической составляющей. Таким образом, в своем заряженном состоянии полимерподобный материал можно получить с длиной полимера, зависящей от наличия примесей или агентов обрыва цепи, таких как моносульфидные органические составляющие, например, CH₃-CH₂-S-Na, с целью завершения полимеризации. Такой полимер, например, мог бы включать линейную алифатическую цепь, содержащую такой атом серы на каждом конце этой цепи, например, -S-CH₂-CH₂-S-, позволяя образование димеров, олигомеров и т.д. таких как -S-CH₂-CH₂-S-S-CH₂-CH₂-S-S-CH₂- CH₂-S-, отвечающих общей формуле [R(S)₂]₃.

Аналогично содержащие серу органические соединения могут включать разветвленные полисульфидные вещества, содержащие более двух атомов серы, способных образовывать связь "сера-сера" со смежными атомами серы в других веществах, содержащих сераорганические соединения. Например, когда каждый радикал R содержит три атома серы, способные образовывать связи "сера-сера", общую формулу можно представить как [R(S)₃]₂.

Таким образом, символ "y" в общей формуле имеет значение от 1 до 6, признавая этим как возможность существования атомов серы, связанных двойной связью в радикале R, также присутствие более одного атома серы в ней, способного образовывать связи "сера-сера" с аналогичными атомами серы в других молекулах. Значение "n" в общей формуле, хотя предпочтительно превышающее 20, было определено в диапазоне, включающем 2-20, признавая этим возможность более низких стадий полимеризации, таких как путем циклизации, и потому, что батареи с твердым электролитом имеют преимущество перед органическими соединениями, содержащими серу, в том, что они на самом деле не полимеризуются. Числу "n" не определен верхний предел, поскольку степень полимеризации ограничена в условиях зарядки природой используемого органического соединения, содержащего серу.

Окислительно-восстановительный механизм сераорганического электрода полностью объяснен в патенте [2] и относящийся к нему текст приведен в настоящей заявке для сравнения. Настоящее изобретение, несмотря на то, что в нем используются аналогичные сераорганические электроды, отличается эксплуатацией при более низких температурах в твердом состоянии. Соответственно, в настоящем изобретении предпочитается содержащий серу органический полимер, который содержит свыше 20 мономерных звеньев и предпочтительно свыше 50 звеньев. Помимо этого, положительный электрод, предусмотренный в настоящем изобретении, отличается от упомянутого патента использованием специальных присадок для переноса тока.

Рабочая температура в аккумуляторных элементах находится в диапазоне от -40 до 145^oC, ограниченном в верхнем значении температурой плавления либо электрода, либо электролита. Предпочтительным температурным диапазоном является диапазон от температуры окружающей среды до 100^oC. Натриевые отрицательные электроды ограничены температурами ниже 98^oC, но электроды из сплава натрия, такого как Na₄Pb, можно использовать в твердом виде при температуре свыше 100^oC.

Использование твердого полимерного электролита и твердого катода окислительно-восстановительной полимеризации делает возможным получить все в твердом состоянии без трудностей, связанных с использованием жестких или жидких электролитов. Адгезионная способность и высокая эластичность твердого полимерного электролита и твердого катода окислительно -восстановительной полимеризации предотвращают потерю или серьезное снижение электрического контакта между твердым электролитом и электродами в ходе образования элементного цикла. Помимо этого, изобретение обеспечивает усовершенствование по сравнению с известным техническим уровнем за счет замены некоторых жидких и коррозионных материалов более надежными композициями. Эта замена делает батареи, изготовляемые в соответствии с настоящим изобретением, значительно более легкими в производстве и упаковке за счет высокоавтоматизированных процессов и обеспечивает получение аккумуляторных элементов, которые являются некоррозионными по отношению к материалам, в которых они заключены.

Следующие примеры лабораторных испытаний послужат дальнейшей иллюстрацией изобретения.

Лабораторные аккумуляторные батареи были собраны с натриевым отрицательным электродом, натриевым электролитом бета-оксида алюминия, и положительным электродом, изготовленным из (SRS)_n, окиси полиэтилена и частиц углерода. Использованный (SRR)_n полимер представлял собой полимер 2,5-димеркапто-1,3,4-тиодиазола, и три звена этого полимера приведены в следующей структуре:



Составные положительные электроды были отлиты толщиной приблизительно 100 микрон, которая соответствует приблизительно 0,0115 г/см² поверхностной площади электрода. Допустимая емкость полимерных пленок толщиной 100 микрон составила приблизительно 6,4 Кл/см² или 1,8 мАч/см². Собранные аккумуляторные элементы были соединены в концевую точку отбора энергии из 6 Кл (определенную как 100% емкости). Эти элементы были заряжены и разряжены при множестве значений температур и плотностей тока в течение в целом 80 циклов с абсолютно неощутимым доказательством ухудшения технической характеристики. При рабочей температуре 130^oC элементы могли бы быть разряжены до 100% наличной (свободной) емкости при плотности тока 4 мА/см², и могли бы полностью быть перезаряжены при плотности тока 3 мА/см², без каких-либо отрицательных эффектов на последующие циклы. Кроме того, элементы могли бы быть разряжены при скоростях разряда, достигающих 10 мА/см² до 50% от свободной емкости, и заряжены при скоростях, достигающих 6 мА/см² для 65% от свободной емкости. Кроме того, эти исключительно высокие плотности тока зарядки/разрядки на самом деле не вредят целостности твердого полимерного электрода. Результаты этих исследований продемонстрировали обратимость и надежность твердых электродов окислительно-восстановительной поляризации, даже при жестких электрохимических условиях.

Элементы, выполненные с литиевыми отрицательными электродами, полиэтиленоксидным электролитом и положительными электродами, выполненными с (SRS)_n полимером, окисью полиэтилена и частицами углерода, были сконструированы с целью проверки действительных характеристик тонкопленочных батарей, выполненных в соответствии с изобретением. Твердым электролитом, использованным в этих элементах, служила окись полиэтилена, легированная трифлатом лития (LiCF₃SO₃), перхлоратом лития (LiClO₄), или другой подходящей электролитной солью. Концентрация электролитной соли составила 8 мономерных звеньев полиэтиленоксида (ПЭО окиси полиэтилена) (CH₂CH₂O) на одну молекулу соли, сокращенно обозначенной здесь как ПЭO₄LiX, где X анион соли. Использованный сераорганический полимер был идентичен описанному выше для натриевого элемента.

Составные положительные электроды были изготовлены, как описано выше, для элемента на основе натрия, за исключением того, что были отлиты электроды двух толщин, пленка высокой емкости 6 Кл/см² (100 микрон) и пленка меньшей емкости 3 Кл/см² (50 микрон) для батарей большой емкости. Эти Li/ПЭО [(SRS)₃/ПЭО/C] элементы характеризовались теоретическими плотностями энергии 1000 Втч/кг, а собранные элементы имели практические плотности энергии 338 Втч/кг (нулевой эксплуатационный ток разряда) для пленок высокой емкости, и 304 Втч/кг для пленок низкой емкости, основанных на весе фактических электродов ПЭО-пленок, и 4:1 избытке лития (фактические элементы имели больший избыток лития). Эти элементы были заряжены и разряжены при двух различных уровнях разрядки для суммы из 350 циклов. Первые 100 циклов были заряжены на глубину 80% емкости, а оставшиеся 250 циклов были разряжены на глубину 50% емкости. Продемонстрированные удельные мощности и плотности энергии были исключительно высокими и превысили все известные батареи на основе соединения интеркалирования в твердом электролите, как можно видеть из таблицы. Эти элементы также представляют собой элементы, которые работают при значительно более высоких температурах, такие как Na/бетаоксид алюминия/S-элемент (350^oC), Li/LiCl/KCl/FeS₂-элемент (450^oC) и т.п.

На фиг. 2 графически продемонстрированы сравнительные данные между Li/ПЭО/X и Li/ПЭО/TiS₂. На графике зависимость J_c демонстрирует элемент при зарядке, а зависимость J_D при разрядке. Опыт управлялся компьютером, а пики были отпечатаны в течение коротких периодов провала. Соответственно, истинные линии получают сглаживанием этих пиков. Как изображено на графике, предложенные в настоящем изобретении элементы сохраняли достаточно свое напряжение в течение периода разрядки, в то время как сравнительный элемент быстро отпадал. Помимо этого, предложенные изобретением элементы были повторно заряжаемыми от замыкания до 100%-ного использования катода.

Из приведенного описания видно, что изобретением предусматриваются элементы с высокими удельной энергией и мощностью, которые превышают аналогичные показатели теперь известных и находящихся в эксплуатации систем высокого уровня разработки. В то же самое время элементы большой энергии и мощности могут применяться при комнатной температуре или в условиях окружающей среды.