DE102015005805A1 - Electrolyte with multilayer structure and electrical storage device - Google Patents

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Wolfgang Schmidbauer
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyt mit mehrlagigem Aufbau umfassend – wenigstens eine erste Elektrolytlage, die durch eine erste relative Permittivität ε1 gekennzeichnet ist; – wenigstens eine zweite Elektrolytlage, die durch eine zweite relative Permittivität ε2 gekennzeichnet ist, – eine Grenzfläche zwischen erster Elektrolytlage und zweiter Elektrolytlage, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste relative Permittivität ε1 und die zweite Relative Permittivität ε2 eine Maßzahl αdefinieren und – der Elektrolyt der ersten Elektrolytlage und der Elektrolyt der zweiten Elektrolytlage derart gewählt sind, dass an der Grenzfläche die Maßzahl α im Bereich 0,244 < α < 0,5, bevorzugt 0,371 < α ≤ 0,5, insbesondere bevorzugt 0,436 < α ≤ 0,5, des Weiteren bevorzugt 0,475 < α ≤ 0,5, insbesondere bevorzugt 0,488 < α ≤ 0,5, noch weiter bevorzugt 0,494 < α ≤ 0,5 ist, wobei stets ε1 die niedrigere der relativen Permittivitäten der angrenzenden Medien und ε2 die höhere der relativen Permittivitäten der angrenzenden Medien ist.The invention relates to an electrolyte having a multilayer structure comprising - at least a first electrolyte layer, which is characterized by a first relative permittivity ε1; At least one second electrolyte layer, which is characterized by a second relative permittivity ε2, an interface between the first electrolyte layer and the second electrolyte layer, characterized in that the first relative permittivity ε1 and the second relative permittivity ε2 define a coefficient α and the electrolyte of the first electrolyte layer and the electrolyte of the second electrolyte layer are selected such that at the interface the measure α in the range 0.244 <α <0.5, preferably 0.371 <α ≤ 0.5, particularly preferably 0.436 <α ≤ 0.5, further preferably 0.475 <α ≦ 0.5, particularly preferably 0.488 <α ≦ 0.5, even more preferably 0.494 <α ≦ 0.5, where ε1 is always the lower of the relative permittivities of the adjacent media and ε2 is the higher of the relative permittivities of adjacent media.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyt mit mehrlagigem Aufbau sowie einen elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere eine Batteriezelle, umfassend einen derartigen Elektrolyten. Mehrlagige Elektrolyten sind u. a. für Lithiumionenbatterien interessant.The invention relates to an electrolyte with a multilayer structure and to an electrochemical energy store, in particular a battery cell, comprising such an electrolyte. Multi-layered electrolytes are u. a. interesting for lithium ion batteries.

Ein schichtweiser Aufbau eines Elektrolyten für eine Lithiumionenbatterie kann aus mehreren Lagen Flüssig- und/oder Feststoffelektrolyt bestehen. Insbesondere kann ein derartiger Aufbau zwei (in der Zusammensetzung nicht notwendigerweise identische) Lagen Flüssigelektrolyt und eine mittige Lage Feststoffelektrolyt als Separator umfassenA layered structure of an electrolyte for a lithium-ion battery may consist of several layers of liquid and / or solid electrolyte. In particular, such a structure may comprise two layers (not necessarily identical in composition) of liquid electrolyte and a central layer of solid electrolyte as a separator

Beispiele für Flüssigelektrolyten sind Mischungen aus Ethylen-Carbonat und Ethyl-Methyl-Carbonat (EC und EMC) mit Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6) als Leitsalz sowie Propylen-Carbonat und Ethylenglycoldimethylether (PC und DME) mit Lithiumbis(trifluormethylsulphonyl)imid (LiTFSI) als Leitsalz. Da Ethylenglycoldimethylether auch als 1,2-Dimeteroxyethan bezeichnet wird, wird hierfür auch die Abkürzung DME gewählt.Examples of liquid electrolytes are mixtures of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate (EC and EMC) with lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) as the conductive salt and propylene carbonate and ethylene glycol dimethyl ether (PC and DME) with lithium bis (trifluoromethylsulphonyl) imide (LiTFSI) as the conductive salt , Since ethylene glycol dimethyl ether is also referred to as 1,2-dimeteroxyethane, the abbreviation DME is also used for this purpose.

Beispiele für Feststoffelektrolyte sind: granatartige Systeme wie Li7+x-yMII xMIII 3-xMIV 2-yMy VO12, wobei:
MII: zweiwertiges Kation,
MIII: dreiwertiges Kation;
MIV: vierwertiges Kation,
MV: fünfwertiges Kation
ist, beispielsweise
Lithium Lanthan Zirkonat Li7-3xAlxLa3Zr2O12 oder
Li7-xLa3(Ta/Nb)xZr2-xO12. Weitere Beispiele sind Systeme mit sog. LiSiCon-Kristallphasen Li1-x(M5+, M3+)xM4+2-x(PO4)3, wobei M5+Ta und/oder Nb, M3 + Al, Cr, Ga, Fe und M4 + Ti, Zr, Si, Ge sein kann. Auch die Verwendung von sulfidischen Elektrolyten ist denkbar.
Examples of solid electrolytes are: garnet-type systems such as Li 7 + xy M II x M III 3-x M IV 2-y M y V O 12 , in which:
M II : divalent cation,
M III : trivalent cation;
M IV : tetravalent cation,
M V : pentavalent cation
is, for example
Lithium Lanthanum Zirconate Li 7-3x Al x La 3 Zr 2 O 12 or
Li 7-x La 3 (Ta / Nb) x Zr 2-x O 12 . Further examples are systems with so-called LiSiCon crystal phases Li 1 -x (M 5+ , M 3+ ) x M 4 + 2-x (PO 4 ) 3 , where M 5+ Ta and / or Nb, M 3 + Al , Cr, Ga, Fe and M 4 + Ti, Zr, Si, Ge may be. The use of sulfidic electrolytes is conceivable.

Betreffend den Aufbau solcher Systeme und die beteiligten Materialien wird auf Jennifer L. Schaefer, Yingying Lu, Surya S. Moganty, Praveen Agarwal, N. Jayaprakash, Lynden A. Archer, Electrolytes for high-energy lithium batteries, Appl. Nanosci. 2 (2012), S. 91–109 sowie die DE 102 011 013 018 B3 , US 2003 0205467 A1 , US 2009 0317724 verwiesen.Regarding the construction of such systems and the materials involved will be on Jennifer L. Schaefer, Yingying Lu, Surya S. Moganty, Praveen Agarwal, N. Jayaprakash, Lynden A. Archer, Electrolytes for High-Energy Lithium Batteries, Appl. Nanosci. 2 (2012), pp. 91-109 as well as the DE 102 011 013 018 B3 . US 2003 0205467 A1 . US 2009 0317724 directed.

Sulfidische Systeme werden zum Beispiel in US 2005 0107239 A1 , US 2009 159839 A oder JP 2008 120666 A beschrieben.Sulfidic systems are used for example in US 2005 0107239 A1 . US 2009 159839 A or JP 2008 120666 A described.

Für den Gesamtwiderstand eines Elektrolyten mit mehrlagigem Aufbau ist neben den Leitfähigkeiten der beteiligten Flüssig- bzw. Feststoffelektrolyte auch der Grenzflächenwiderstand zwischen beiden Elektrolyttypen maßgeblich.For the total resistance of an electrolyte with multilayer structure, in addition to the conductivities of the liquid or solid electrolytes involved, the interface resistance between the two types of electrolyte is also decisive.

Wie dieser Grenzflächenwiderstand systematisch minimiert werden kann, findet sich im Stand der Technik nicht.How this interface resistance can be systematically minimized is not found in the prior art.

Aus der EP 1134758 A1 ist ein Polymerelektrolyt bekannt geworden, der mit einer Seitenkette mit großem Dipolmoment ausgestattet ist. Die resultierende hohe relative Permittivität erhöht laut EP 1134758 A1 die Ionenleitfähigkeit des in der Polymermatrix gelösten Leitsalzes. Ferner wird angegeben, dass diese Seitenkette den Grenzflächenwiderstand zu den Elektroden auf dieselbe Größenordnung, wie sie von Flüssigelektrolyten bekannt ist, absenkt. Als Grund hierfür wird der mögliche bessere chemische Zusammenhalt von Elektroden und Elektrolyt angegeben.From the EP 1134758 A1 has become known a polymer electrolyte which is equipped with a side chain with a large dipole moment. The resulting high relative permittivity increases loudly EP 1134758 A1 the ionic conductivity of the conductive salt dissolved in the polymer matrix. It is further stated that this side chain lowers the interfacial resistance to the electrodes to the same order as known from liquid electrolytes. The reason given for this is the possible better chemical cohesion of electrodes and electrolyte.

Aus der US 2014/0011101 A1 ist eine Lithium-Luft-Batterie bekannt geworden mit einem ionenleitenden Feststoffelektrolyten, der Lithium-Aluminium-Germanium-Phosphat (LAGP), Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP) oder Lithium-Titan-Silizium-Phosphat (LATSP) umfassen kann. Als organischer Elektrolyt wird Dimethoxyethan (DME) verwendet.From the US 2014/0011101 A1 For example, a lithium-air battery has become known with an ion-conductive solid electrolyte, which may include lithium aluminum germanium phosphate (LAGP), lithium aluminum titanium phosphate (LATP), or lithium titanium silicon phosphate (LATSP). The organic electrolyte used is dimethoxyethane (DME).

Aus Tonghuan Yang, Lin Sang, Fei Ding, Jing Zhang, Xingjiang Liu: Three- and four-electrode EIS analysis of water stable lithium electrode with solid electrolyte plate. In: Electrochimica Acta 81, 2012, S. 179–185. – ISSN 0013-4686 ist eine Lithium-Ionen-Zelle mit LAGP als Feststoffelektrolyt und Ethylen-Carbonat:Diethylencarbonat:Ethylmethyl-Carbonat 1:1:1 als Flüssigelektrolyt bekannt geworden.Out Tonghuan Yang, Lin Sang, Fei Ding, Jing Zhang, Xingjiang Liu: Three-and four-electrode EIS analysis of water-stable lithium electrode with solid electrolyte plate. In: Electrochimica Acta 81, 2012, p. 179- 185. - ISSN 0013-4686 is a lithium-ion cell with LAGP as a solid electrolyte and ethylene carbonate: Diethylencarbonat: ethyl methyl carbonate 1: 1: 1 has become known as a liquid electrolyte.

Die US 2006/01334492 beschreibt einen Elektrolyten mit zwei Lagen, bei denen der Elektrolyt in beiden Lagen der gleiche ist.The US 2006/01334492 describes an electrolyte with two layers in which the electrolyte is the same in both layers.

Aufgabe der Erfindung ist, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und anzugeben, welche Bedingungen in einem Elektrolyt mit mehrlagigem Aufbau eingehalten werden müssen, um einen möglichst geringen Grenzflächenwiderstand zu realisieren.The object of the invention is to avoid the disadvantages of the prior art and specify which conditions must be met in an electrolyte with multi-layered structure in order to realize the lowest possible interface resistance.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem für den Gebrauch im Raumtemperaturbereich vorgesehenen Elektrolyt mit mehrlagigem Aufbau, umfassend wenigstens eine Elektrolytlage, die durch eine relative Permittivität ε1 gekennzeichnet ist, und wenigstens eine weitere Elektrolytlage, die durch eine relative Permittivität ε2 gekennzeichnet ist, sowie eine Grenzfläche zwischen beiden Elektrolytlagen, wobei die beiden relativen Permittivitäten ε1 und ε2 eine Maßzahl α = ε1/(ε1 + ε2) definieren und der Elektrolyt der einen Elektrolytlage und der Elektrolyt der weiteren Elektrolytlage derart gewählt sind, dass an der Grenzfläche die Maßzahl im Bereich 0,244 < α ≤ 0,5, bevorzugt 0,371 < α ≤ 0,5, besonders bevorzugt 0,436 < α ≤ 0,5, ganz besonders bevorzugt 0,475 < α ≤ 0,5, weiter bevorzugt 0,488 < α ≤ 0,5, noch weiter bevorzugt 0,494 < α < 0,5 ist, wobei stets ε1 die niedrigere der relativen Permittivitäten der angrenzenden Medien und ε2 die höhere der relativen Permittivitäten der angrenzenden Medien ist. Diese Lösung beschränkt sich nicht auf Kombinationen von Flüssigelektrolyten und/oder Polymeren, sondern schließt ausdrücklich anorganische Materialien wie Gläser, Glaskeramiken oder (polykristalline) Keramiken mit ein. Besonders bevorzugt ist es, wenn der α-Wert bei α ≈ 0,5 liegt, mindestens jedoch α > 0,436 insbesondere α > 0,488 ist, d. h. im Bereich 0,436 < α ≤ 0,5, bevorzugt 0,488 < α ≤ 0,5. Für einen derartigen Fall fast gleicher Permittivitäten wird ein relativgroßer Linearbereich der Überspannung von 0,2 V insbesondere 1 V im Grenzflächenbereich der unterschiedlichen Elektrolyten erreicht.According to the invention, this object is achieved in that in an intended for use in the room temperature range electrolyte having multilayer structure, comprising at least one electrolyte layer, which is characterized by a relative permittivity ε 1 , and at least one further electrolyte layer, characterized by a relative permittivity ε 2 and an interface between the two electrolyte layers, where the two relative permittivities ε 1 and ε 2 define a coefficient α = ε 1 / (ε 1 + ε 2 ) and the electrolyte of one electrolyte layer and the electrolyte of the further electrolyte layer are selected such that in that the coefficient at the interface is in the range 0.244 <α ≦ 0.5, preferably 0.371 <α ≦ 0.5, particularly preferably 0.436 <α ≦ 0.5, very particularly preferably 0.475 <α ≦ 0.5, more preferably 0.488 < α ≤ 0.5, even more preferably 0.494 <α <0.5, where ε 1 is always the lower of the relative permittivities of the adjacent media and ε 2 is the higher of the relative permittivities of the adjacent media. This solution is not limited to combinations of liquid electrolytes and / or polymers, but explicitly includes inorganic materials such as glasses, glass ceramics or (polycrystalline) ceramics with a. It is particularly preferred if the α value is α ≈ 0.5, but at least α> 0.436, in particular α> 0.488, ie in the range 0.436 <α ≤ 0.5, preferably 0.488 <α ≤ 0.5. For such a case of almost identical permittivities, a relatively large linear range of the overvoltage of 0.2 V, in particular 1 V, is achieved in the interface region of the different electrolytes.

Die Erfinder haben nämlich herausgefunden, dass bei einem Elektrolyt mit mehrlagigem Aufbau die angrenzenden Elektrolyte auch dann, wenn es sich um Gläser, Glaskeramiken oder Keramiken handelt, als dielektrische Kontinua mit einem darin verteilten Leitsalz bzw. Leitoxid aufgefasst werden können. Das war überraschend, weil insbesondere für teilkristallinen Aufbau erwartet worden war, dass die individuelle atomistische Gerüststruktur eine so große Rolle spielt, dass eine Kontinuumsbeschreibung nicht möglich ist. Auch in diesem Fall, d. h., wenn einer der beiden angrenzenden Elektrolyte oder beide ein Glas, eine Glaskeramik oder eine Keramik ist bzw. sind, wird daher vorzugsweise für beide Elektrolyte derselbe Wert der relative Permittivität gewählt. Da die relative Permittivität temperatur- und frequenzabhängig ist, erfolgt die Wahl für einen bestimmten Arbeitspunkt bzw. Arbeitsbereich, d. h. für eine bestimmte Frequenz und/oder eine bestimmte Temperatur bzw. einen Frequenz- und/oder Temperaturbereich.In fact, the inventors have found that, in the case of an electrolyte with a multilayer structure, the adjacent electrolytes, even if they are glasses, glass ceramics or ceramics, can be considered as dielectric continuums with a conductive salt or conductive oxide distributed therein. This was surprising because it had been expected, in particular for semicrystalline structures, that the individual atomistic skeleton structure plays such a large role that a continuum description is not possible. Also in this case, d. That is, if either of the two adjacent electrolytes or both is a glass, a glass-ceramic or a ceramic, it is preferable to select the same value of relative permittivity for both electrolytes. Since the relative permittivity is temperature- and frequency-dependent, the choice is made for a specific operating point or work area, ie. H. for a specific frequency and / or a specific temperature or a frequency and / or temperature range.

Frequenzabhängige Änderungen der relativen Permittivität des Hintergrundes, also des als dielektrisches Kontinuum beschriebenen Matrixmaterials, sind im Allgemeinen allerdings auf einzelne Frequenzbereiche beschränkt. Wie Charles Kittel, Einführung in die Festkörperphysik, 5. Auflage, R. Oldenbourg-Verlag München Wien, 1980, S. 441 , sowie Ekaterina I. Izgorodina, Maria Forsyth, and Douglas R. MacFarlane, „On the components of the dielectric constants of ionic liquids: ionic polarization?”, Phys. Chem. Chem. Phys. 11, 2452–2458 (2009) , zu entnehmen ist, tragen zur relativen Permittivität, wenn man auf der Frequenzskala von oben nach unten geht, zunächst die elektronische Polarisierbarkeit, also die Verschieblichkeit der Elektronenhülle gegenüber dem Kern, dann die ionische Polarisierbarkeit, also die Verschiebung von Atomen mit Partialladungen unterschiedlichen Vorzeichens gegeneinander, dann die Dipolpolarisierbarkeit, also die Ausrichtung permanenter Dipole, und dann die Raumladungspolarisierbarkeit, also das Wandern von Ionen an die Grenzflächen, bei. Letztere ist ein Effekt der ionischen Leitung und gehört daher nicht zum o. a. Hintergrund.However, frequency-dependent changes in the relative permittivity of the background, ie the matrix material described as a dielectric continuum, are generally limited to individual frequency ranges. As Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics, 5th Edition, R. Oldenbourg-Verlag Munich Vienna, 1980, p. 441 , such as Ekaterina I. Igorodina, Maria Forsyth, and Douglas R. MacFarlane, "On the components of the dielectric constant of ionic liquids: ionic polarization?", Phys. Chem. Chem. Phys. 11, 2452-2458 (2009) , it can be seen, relative to the relative permittivity, if one goes on the frequency scale from top to bottom, first the electronic polarizability, ie the mobility of the electron shell relative to the core, then the ionic polarizability, ie the displacement of atoms with partial charges of different sign against each other , then the dipole polarizability, ie the orientation of permanent dipoles, and then the space charge polarizability, ie the migration of ions to the interfaces. The latter is an effect of ionic conduction and therefore does not belong to the above background.

In Ionenleitern aus Glas, Glaskeramik oder Keramik spielen nur die ersten beiden Beiträge und der letzte eine Rolle. Um den letzteren nicht mitzuzählen, geht man auf der Frequenzskala von oben nach unten und dies soweit, dass man sowohl die elektronische als auch die ionische Polarisierbarkeit berücksichtigt. Das ist unterhalb des Infrarotbereiches der Fall, siehe Charles Kittel, Einführung in die Festkörperphysik, 5. Auflage, R. Oldenbourg-Verlag München Wien, 1980, S. 441 , sowie Ekaterina I. Izgorodina, Maria Forsyth, and Douglas R. MacFarlane, „On the components of the dielectric constants of ionic liquids: ionic polarization?”, Phys. Chem. Chem. Phys. 11, 2452–2458 (2009) . Die relative Permittivität ist dann praktisch konstant bis zu den Frequenzen, bei denen die Raumladungseffekte einsetzen. Diesen Wert verwendet man als relative Permittivität des Hintergrundes. Dabei zählt man natürlich z. B. die elektronische Polarisierbarkeit des Leitsalzes bzw. des Leitoxids mit; dieser Umstand wird aber für Ionenleiter aus Glas, Glaskeramik oder Keramik, die sich nicht ohne weiteres ohne das Leitsalz bzw. Leitoxid präparieren lassen, vernachlässigt.In ion guides made of glass, glass ceramics or ceramics, only the first two contributions and the last one play a role. In order not to count the latter, one goes on the frequency scale from top to bottom and to the extent that one considers both the electronic and the ionic polarizability. This is the case below the infrared range, see Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics, 5th Edition, R. Oldenbourg-Verlag Munich Vienna, 1980, p. 441 , such as Ekaterina I. Igorodina, Maria Forsyth, and Douglas R. MacFarlane, "On the components of the dielectric constant of ionic liquids: ionic polarization?", Phys. Chem. Chem. Phys. 11, 2452-2458 (2009) , The relative permittivity is then practically constant up to the frequencies at which the space charge effects begin. This value is used as the relative permittivity of the background. Of course you count z. B. the electronic polarizability of the conductive salt or the Leitoxids with; However, this fact is neglected for ionic conductors made of glass, glass ceramic or ceramic, which can not be easily prepared without the conductive salt or lead oxide.

Bei Flüssigelektrolyten oder Polymerelektrolyten, die sich ohne Leitsalz bzw. Leitoxid präparieren lassen, wird als relative Permittivität der, praktisch konstante, Wert herangezogen, den man unterhalb des Frequenzbereiches findet, in dem sich (von oben nach unten gerechnet) die Dipolpolarisierbarkeit „zuschaltet”. Bei Polymerelektrolyten, die sich nicht ohne Leitsalz bzw. Leitoxid präparieren lassen, muß man das zuweilen enge Frequenzfenster zwischen dem Frequenzbereich, in dem sich (von oben nach unten gerechnet) die Dipolpolarisierbarkeit „zuschaltet”, und dem Einsetzen der Raumladungspolarisierbarkeit, heranziehen.In the case of liquid electrolytes or polymer electrolytes which can be prepared without conducting salt or lead oxide, the relative permittivity used is the practically constant value which is found below the frequency range in which the dipole polarizability "switches on" (calculated from top to bottom). In the case of polymer electrolytes which can not be prepared without conducting salt or conductive oxide, one must use the sometimes narrow frequency window between the frequency range in which the dipole polarizability "switches on" (from top to bottom) and the onset of space charge polarizability.

Liegt der erfindungsgemäße Idealfall der Gleichheit der relativen Permittivitäten auf beiden Seiten der Grenzfläche vor, kann zunächst das Energieniveau der den Ladungstransport besorgenden Ionen, z. B., bei einer Lithiumionenbatterie, der Lithiumionen auf den beiden Seiten ermittelt werden.If the ideal case according to the invention of the equality of the relative permittivities on both sides of the interface before, the energy level of the charge transport transporting ions, z. Example, in a lithium-ion battery, the lithium ions are determined on the two sides.

Wenn man annimmt, dass das Energieniveau dieser Ionen nur durch das Dielektrikum bestimmt wird und Wechselwirkungen mit anderen Ionen, insbesondere den Gegenionen, vernachlässigbar sind, dann befinden sich die den Ladungstransport besorgenden Ionen auf beiden Seiten der Grenzfläche im Falle fehlender externer Spannung und bei gleicher Aktivität auf beiden Seiten auch auf demselben Energieniveau, das wiederum näherungsweise durch die Bornsche Formel für die freie Solvatationsenthalpie bestimmt wird. Diesbezüglich wird auf M. Born, Volumen und Hydratationswärme der Ionen, Zeitschrift für Physik, Nr. 1, S. 45–48 (1920) verwiesen, deren Inhalt in die vorliegende Anmeldung vollumfänglich mit aufgenommen wird.Assuming that the energy level of these ions is determined only by the dielectric and interactions with other ions, especially the counterions, are negligible, then the charge transporting ions are located on both sides of the interface in the absence of external stress and activity on both sides also at the same energy level, which in turn is approximately determined by the Born's formula for the free solvation enthalpy. This will be on M. Born, Volume and Hydration Heat of the Ions, Zeitschrift für Physik, No. 1, pp. 45-48 (1920) referenced, whose contents are included in the present application in full.

Wird an die mehrlagige Elektrolytlage eine zusätzliche Spannungsdifferenz angelegt, beispielsweise von außen, so führt dies gemäß K. Aoki, Theory of the ion transfer kinetics at a viscous immiscible liquid/liquid interface by means of the Langevin equation, Electrochimica Acta 41, Nr. 14, S. 2321–2327 (1996) dazu, dass die Spannung in einer dünnen Grenzschicht beiderseits der Grenzfläche abfällt und dort einen zum Grenzflächenwiderstand umgekehrt proportionalen Ionentransport bewirkt.If an additional voltage difference is applied to the multi-layered electrolyte layer, for example from the outside, then this results according to FIG K. Aoki, Theory of the ion transfer kinetics at a viscous immiscible liquid / liquid interface by means of the Langevin equation, Electrochimica Acta 41, No. 14, pp. 2321-2327 (1996). in that the stress in a thin boundary layer on both sides of the interface drops and there causes an inversely proportional to the interface resistance ion transport.

Gilt Kontinuität der relativen Permittivität im Bereich der Grenzschicht, kommt es an der Grenzfläche nicht zu einer Unstetigkeit des elektrischen Feldes, was für einen minimalen Grenzflächenwiderstand günstig ist. Diesbezüglich wird auf K. Aoki aaO , verwiesen. Im Idealfall werden bei Elektrolyten mit mehrlagigem Aufbau Kombinationen von unterschiedlichen Elektrolyten, bspw. von Flüssig- und Feststoffelektrolyten ausgewählt, bei denen die relativen Permittivitäten für alle zwei (oder drei, im Falle verschiedener Flüssigelektrolyten) beteiligten Materialien übereinstimmen. Die Messung der relativen Permittivitäten, kann z. B. gemäß der Application Note 1369-1'' vom 28.10.2008 von Agilent, Santa Clara, California, USA erfolgen. Der Offenbarungsgehalt dieser Schrift wird voll umfänglich in vorliegende Anmeldung mit aufgenommen.If there is continuity of relative permittivity at the boundary layer, there is no discontinuity of the electric field at the interface, which is favorable for a minimum interfacial resistance. This will be on K. Aoki, ibid , referenced. Ideally, in multi-layered electrolytes, combinations of different electrolytes, for example, liquid and solid electrolytes are selected in which the relative permittivities for all two (or three, in the case of different liquid electrolytes) materials involved match. The measurement of the relative permittivities, z. According to Application Note 1369-1 "of 28/10/2008 from Agilent, Santa Clara, California, USA. The disclosure of this document is incorporated in full in the present application.

Als Maß für den Grad der Übereinstimmung der relativen Permittivitäten bzw. Dielektrizitätskonstanten wird die erfindungsgemäße Maßzahl α

Figure DE102015005805A1_0003
herangezogen. Erfindungsgemäß ist ε1 die niedrigere der beiden beteiligten relativen Permittivitäten, ε2 die größere. Für den Idealfall der Übereinstimmung von ε1 und ε2, gilt für die Maßzahl α = ½, bei Abweichung von ε1 und ε2 wird α kleiner.As a measure of the degree of correspondence of the relative permittivities or dielectric constants, the inventive measure α
Figure DE102015005805A1_0003
used. According to the invention ε 1 is the lower of the two relative permittivities involved, ε 2 the larger. For the ideal case of the correspondence of ε 1 and ε 2 , for the measure α = ½, with deviation of ε 1 and ε 2 , α becomes smaller.

Besonders bevorzugt ist es, wenn es sich bei den Materialien mit der ersten und der zweiten Permittivität ε1, ε2 um unterschiedliche Materialien handelt, bevorzugt um einen Feststoffelektrolyten und einen Flüssigelektrolyten.It is particularly preferred if the materials having the first and the second permittivity ε 1 , ε 2 are different materials, preferably a solid electrolyte and a liquid electrolyte.

Um den Strom durch die Grenzfläche zu erhalten, betrachtet man die Butler-Volmer-Gleichung, wie beispielsweise in K. Aoki, Theory of the ion transfer kinetics at a viscous immiscible liquid/liquid interface by means of the Langevin equation, Electrochimica Acta 41, Nr. 14, S. 2321–2327 (1996) offenbart. Der Offenbarungsgehalt dieser Schrift wird in die vorliegende Anmeldung voll umfänglich mit aufgenommen. Für den Strom durch die Grenzfläche gilt dann:

Figure DE102015005805A1_0004
wobei die Stromdichte j0 eine Konstante ist, die u. a. von der Ladungsträgerdichte und (exponentiell) von der Temperatur abhängt. Diesbezüglich wird wieder auf K. Aoki, Theory of the ion transfer kinetics at a viscous immiscible liquid/liquid interface by means of the Langevin equation, Electrochimica Acta 41, Nr. 14, S. 2321–2327 (1996) verwiesen. ξ ist die normierte Spannung an der Grenzfläche und ξeq deren Gleichgewichtswert, den die normierte Spannung annimmt, wenn kein Feld von außen angelegt wird und sich nur (im allgemeinen Fall, in dem die oben angenommene Gleichheit der Energieniveaus und Aktivitäten auf beiden Seiten nicht zwingend gilt) durch Diffusion von Ladungsträgern eine Spannung einstellt. Die Differenz ξ – ξeq heißt normierte Überspannung. Für die normierte Spannung an der Grenzfläche gilt:
Figure DE102015005805A1_0005
wobei z die Ladungszahl eines Ladungsträgers ist. Im vorliegenden Beispiel ist z = 1. F ist die Faraday-Konstante, R die Gaskonstante, T die absolute Temperatur, und ϕ1,2 sind die Potentiale, auf denen die beiden angrenzenden Medien liegen. Die Überspannung (Φ1 – Φ2) – (Φ1 – Φ2)eq ergibt sich aus der normierten Überspannung zu
Figure DE102015005805A1_0006
To get the current through the interface, consider the Butler-Volmer equation, such as in K. Aoki, Theory of the ion transfer kinetics at a viscous immiscible liquid / liquid interface by means of the Langevin equation, Electrochimica Acta 41, No. 14, pp. 2321-2327 (1996). disclosed. The disclosure of this document is incorporated in full in the present application. For the current through the interface then applies:
Figure DE102015005805A1_0004
wherein the current density j 0 is a constant which depends inter alia on the charge carrier density and (exponentially) on the temperature. In this regard, reference is again made to K. Aoki, Theory of the ion transfer kinetics at a viscous immiscible liquid / liquid interface by means of the Langevin equation, Electrochimica Acta 41, No. 14, pp. 2321-2327 (1996). ξ is the normalized stress at the interface and ξ eq is the equilibrium value that the normalized voltage assumes when no field is applied from the outside and only (in the general case where the assumed equality of energy levels and activities on both sides is not mandatory applies) by diffusion of charge carriers sets a voltage. The difference ξ - ξ eq is called normalized overvoltage. For the normalized stress at the interface:
Figure DE102015005805A1_0005
where z is the charge number of a charge carrier. In this example, z = 1, F is the Faraday's constant, R is the gas constant, T is the absolute temperature, and 1.2 φ are the potentials at which the two adjacent media are. The overvoltage (Φ 1 - Φ 2 ) - (Φ 1 - Φ 2 ) eq results from the normalized overvoltage
Figure DE102015005805A1_0006

Die Exponentialgleichung (2) kann man z. B. bis zur zweiten Ordnung entwickeln. Es ergibt sich dann:

Figure DE102015005805A1_0007
The exponential equation (2) can be z. B. develop to the second order. It then follows:
Figure DE102015005805A1_0007

Für den Fall, dass die relativen Permittivitäten ε1, ε2 übereinstimmen, gilt für die Maßzahl α = ½, und man erhält das Ohmsche Gesetz mit j0·zF/(RT) als Grenzflächenleitfähigkeit bzw. den Kehrwert als spezifischen Grenzflächenwiderstand. Weicht ε1 von ε2 ab, gilt also nicht mehr α = ½, so ergibt sich durch den dann von Null verschiedenen Zusatzterm ein, je nach Vorzeichen der Überspannung, gegenüber dem Fall α = ½ vergrößerter oder verminderter Strom, also ein verkleinerter bzw. vergrößerter effektiver Grenzflächenwiderstand. (Mit effektivem Grenzflächenwiderstand bezeichnen wir den ohne Rücksicht auf die Gültigkeit einer linearen Beziehung gebildeten Quotienten von Überspannung und Strom.) Der lineare Bereich der Kurve j gegen ξ – ξeq wird damit verkleinert. Betrachtet man einen Dreischichtaufbau mit z. B. einem Feststoffelektrolyten in der Mitte und zwei Flüssigelektrolyten auf beiden Seiten, so wirkt sich in jedem Fall an einer der beiden Grenzflächen der vergrößerte effektive Grenzflächenwiderstand aus. Wie groß der Effekt ist, hängt von den Spannungsverhältnissen ab, also davon, wie weit die jeweilige Überspannung über den Linearbereich hinausgeht. Legt man an den Dreischichtaufbau eine genügend große Spannung an, so wird sich der vergrößerte effektive Grenzflächenwiderstand an den Grenzflächen in einem vergrößerten effektivem Widerstand des Gesamtaufbaus ausdrücken. Wir bemerken noch, daß die Ausdehnung des Linearbereichs temperaturabhängig ist. Je größer die Temperatur, desto kleiner ist das quadratische Glied in (5) im Verhältnis zum linearen Glied.For the case where the relative permittivities ε 1 , ε 2 agree, the coefficient α = ½ holds, and Ohm's law is obtained with j 0 · zF / (RT) as interfacial conductance and the reciprocal as a specific interfacial resistance. If ε 1 deviates from ε 2 , ie if α = ½, then the additional term then differs from zero, depending on the sign of the overvoltage, compared to the case α = ½ increased or decreased current, ie a reduced or increased effective interfacial resistance. (With effective interface resistance, we denote the quotient of overvoltage and current, which is formed without regard to the validity of a linear relationship.) The linear range of the curve j against ξ - ξ eq is thus reduced. Considering a three-layer structure with z. B. a solid electrolyte in the middle and two liquid electrolytes on both sides, so affects in each case at one of the two interfaces of the increased effective interfacial resistance. How big the effect is depends on the voltage conditions, ie on how far the respective overvoltage goes beyond the linear range. Applying a sufficiently large voltage to the three-layer structure, the increased effective interfacial resistance at the interfaces will be expressed in an increased effective resistance of the overall structure. We still notice that the extent of the linear region is temperature-dependent. The larger the temperature, the smaller the square member in (5) relative to the linear member.

Für den gemessenen effektiven Grenzflächenwiderstand spielt dann noch die o. a. Temperaturabhängigkeit von j0 eine Rolle.For the measured effective interfacial resistance then the above-mentioned temperature dependence of j 0 also plays a role.

Als eine die Grenze des linearen Arbeitsbereiches charakterisierende obere Schranke wird der Fall angenommen, wenn, bei gegenläufiger Wirkung des Terms erster Ordnung und des Terms zweiter Ordnung auf der rechten Seite von (5), j in Abhängigkeit von ζ – ζeq ein Maximum erreicht. Einsetzen der Werte (Faradaykonstante 96485 C/mol, Gaskonstante 8,314 J/(mol K)) ergibt einen Zusammenhang zwischen der Überspannung, bei der das der Fall ist, und α:

Figure DE102015005805A1_0008
As an upper bound characterizing the boundary of the linear work area, the case is assumed when, when the first-order term and the second-order term on the right-hand side of (5), j are opposite, reaches a maximum as a function of ζ-ζ eq . Substituting the values (Faraday constant 96485 C / mol, gas constant 8.314 J / (mol K)) gives a relationship between the overvoltage, where this is the case, and α:
Figure DE102015005805A1_0008

Für T = Raumtemperatur ergibt sich: Tabelle 1: Mindestwert von α in Abhängigkeit des Bereiches der Überspannung, in dem eine annähernde Linearität der Strom-Spannungskurve gegeben sein soll Größe des Linearbereiches der Überspannung 0,05 V 0,1 V 0,2 V 0,5 V 1 V 2 V Mindestwert von α 0,244 0,371 0,436 0,475 0,488 0,494 For T = room temperature: Table 1: Minimum value of α as a function of the range of the overvoltage, in which an approximate linearity of the current-voltage curve should be given Size of the linear range of the overvoltage 0.05V 0.1V 0.2V 0.5V 1 V 2 V Minimum value of α 0.244 0.371 0.436 0,475 0.488 0.494

Dies bedeutet, dass bei stark unterschiedlichen relativen Permittivitäten und damit α << 0,5 nur geringe Linearbereiche möglich sind. Soll eine lineare Abhängigkeit der Stromdichte j von der Überspannung vorliegen, so ist für einen Linearbereich dieser Überspannung von 0,2 V, insbesondere 1 V und mehr der Wert von α ≈ 0,5, mindestens jedoch α ≥ 0,436, bevorzugt α > 0,488, und damit ε1 annähernd gleich zu ε2.This means that with very different relative permittivities and thus α << 0.5 only small linear ranges are possible. If a linear dependence of the current density j on the overvoltage is to be present, the value of α ≈ 0.5, but at least α ≥ 0.436, preferably α> 0.488, for a linear range of this overvoltage of 0.2 V, in particular 1 V and more, and thus ε 1 approximately equal to ε 2 .

Messtechnisch ist dieser Grenzflächenwiderstand zugänglich, und zwar mittels Impedanzspektroskopie. In der Impedanzspektroskopie kann auf die Grenzflächenimpedanz geschlossen werden, da sich die Grenzimpedanz aufgrund der hohen damit verbundenen Kapazitäten von den Volumenimpedanzen separiert.Metrologically, this interface resistance is accessible by means of impedance spectroscopy. In impedance spectroscopy, the interface impedance can be deduced because the limit impedance separates from the volume impedances due to the high capacitances associated therewith.

Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, bei einem für den Gebrauch im Raumtemperaturbereich vorgesehenen Elektrolyt mit mehrlagigem Aufbau, umfassend wenigstens eine Elektrolytlage, die durch eine relative Permittivität ε1 gekennzeichnet ist und wenigstens eine weitere Elektrolytlage, die durch eine relative Permittivität ε2 gekennzeichnet ist, dass der Elektrolyt der einen Elektrolytlage und der Elektrolyt der weiteren Elektrolytlage derart gewählt sind, dass an der Grenzfläche die Maßzahl α im Bereich 0,244 < α ≤ 0,5, bevorzugt 0,371 ≤ α < 0,5, insbesondere bevorzugt 0,436 < α ≤ 0,5, des Weiteren bevorzugt 0,475 < α ≤ 0,5, insbesondere bevorzugt 0,488 < α ≤ 0,5, noch weiter bevorzugt 0,49 < α ≤ 0,5 ist, wobei stets ε1 die niedrigere und ε2 die höhere der relativen Permittivitäten der angrenzenden Medien ist. Umfasst der Elektrolyt eine Vielzahl von Elektrolytlagen mit einer Vielzahl von Grenzflächen, wobei jede der Grenzflächen eine relative Permittivität aufweist, so ist für die an jeder der Vielzahl von Grenzflächen definierten Maßzahl αn = ε1n/(ε1n + ε2n) die Anforderung zu stellen, dass der Wert αn in den zuvor definierten Grenzen liegt. Ganz bevorzugt ist es, wenn der Wert von α im Bereich 0,436 < α ≤ 0,5, insbesondere 0,488 < α ≤ 0,5 liegt. In einem solchen Fall wird ein relativ großer Linearbereich der Überspannung im Grenzflächenbereich erreicht, wobei die Überspannung bis 0,2 V bevorzugt 1 V linear verläuft.According to the invention, it is therefore provided, in the case of an electrolyte with a multilayer structure intended for use in the room temperature range, comprising at least one electrolyte layer which is characterized by a relative permittivity ε 1 and at least one further electrolyte layer which is characterized by a relative permittivity ε 2 Electrolyte of an electrolyte layer and the electrolyte of the further electrolyte layer are selected such that at the interface the coefficient α in the range 0.244 <α ≤ 0.5, preferably 0.371 ≤ α <0.5, particularly preferably 0.436 <α ≤ 0.5, further preferably 0.475 <α ≦ 0.5, particularly preferably 0.488 <α ≦ 0.5, even more preferably 0.49 <α ≦ 0.5, wherein always ε 1 is the lower and ε 2 is the higher of the relative permittivities of adjacent media. If the electrolyte comprises a multiplicity of electrolyte layers with a multiplicity of interfaces, each of the interfaces having a relative permittivity, the requirement is defined for the dimensional factor α n = ε 1n / (ε 1n + ε 2n ) defined at each of the plurality of interfaces make sure that the value α n is within the previously defined limits. It is very preferred if the value of α is in the range 0.436 <α ≦ 0.5, in particular 0.488 <α ≦ 0.5. In such a case, a relatively large linear range of the overvoltage is reached in the interface region, wherein the overvoltage to 0.2 V, preferably 1 V linear.

Um einen möglichst großen linearen Arbeitsbereich über einen Temperaturbereich von mindestens –40°C bis +85°C, bevorzugt –70°C bis +100°C zur Verfügung zu stellen, ist vorgesehen, dass der temperaturabhängige Wert von αn für den Temperaturbereich –40°C bis +85°C, d. h. von 258 K bis 383 K, bevorzugt –70°C bis +100°C, d. h. 228 K bis 398 K, die sich aus (6) durch Einsetzen eines geforderten Linearbereiches bis 0,05 V, bevorzugt bis 0,1 V, besonders bevorzugt bis 0,2 V, ganz besonders bevorzugt bis 0,5 V, weiter bevorzugt bis 1 V, noch weiter bevorzugt bis 2 V ergebende Ungleichung 0,5 – 0,256·T/298 K < αn ≤ 0,5, bevorzugt 0,5 – 0,128·T/298 K < αn ≤ 0,5, besonders bevorzugt 0,5 – 0,064·T/298 K < αn ≤ 0,5, ganz besonders bevorzugt 0,5 – 0,025·T/298 K < αn ≤ 0,5, weiter bevorzugt 0,5 – 0,012·T/298 K < αn ≤ 0,5, noch weiter bevorzugt 0,5 – 0,006·T/298 K < αn < 0,5 erfüllt. liegt. Hierbei wird T in den zuvor angegebenen Temperaturbereichen in K eingesetzt. Dieselbe Forderung wird nicht nur für den Temperaturbereich aufgestellt, sondern auch für den Frequenzbereich in den der elektrochemische Energiespeicher eingesetzt werden soll, da die relative Permittivität, wie zuvor dargestellt, auch frequenzabhängig ist.In order to provide the largest possible linear working range over a temperature range of at least -40 ° C to + 85 ° C, preferably -70 ° C to + 100 ° C, it is provided that the temperature-dependent value of α n for the temperature range - 40 ° C to + 85 ° C, ie from 258 K to 383 K, preferably from -70 ° C to + 100 ° C, ie 228 K to 398 K, which results from (6) by inserting a required linear range to 0.05 V, preferably up to 0.1 V, more preferably up to 0.2 V, most preferably up to 0.5 V, more preferably up to 1 V, still more preferably up to 2 V, resulting inequality 0.5 - 0.256 · T / 298 K. <α n ≤ 0.5, preferably 0.5 - 0.128 · T / 298 K <α n ≤ 0.5, particularly preferably 0.5 - 0.064 · T / 298 K <α n ≤ 0.5, very particularly preferably 0.5-0.025 × T / 298 K <α n ≦ 0.5, more preferably 0.5-0.012 × T / 298 K <α n ≦ 0.5, even more preferably 0.5-0.006 × T / 298 K <α n <0.5. lies. In this case, T is used in the previously indicated temperature ranges in K. The same requirement is not only set for the temperature range, but also for the frequency range in which the electrochemical energy storage is to be used, since the relative permittivity, as previously shown, is also frequency-dependent.

Besonders bevorzugt ist es, wenn es sich bei dem ersten Elektrolyt mit der ersten Permittivität ε1 um einen Feststoffelektrolyt und bei dem anderen Elektrolyt mit der zweiten Permittivität ε2 um einen Flüssigelektrolyt handelt.It is particularly preferred if the first electrolyte having the first permittivity ε 1 is a solid electrolyte and the other electrolyte having the second permittivity ε 2 is a liquid electrolyte.

Als Feststoffelektrolyt wird bevorzugt ein anorganisches Material, insbesondere ein Glasmaterial oder ein Keramikmaterial, insbesondere auch ein Glaskeramikmaterial oder ein mit einem leitenden Füllstoff, insbesondere einem Pulver oder Granulat aus erfindungsgemäßem Glas oder erfindungsgemäßer Glaskeramik bzw. Keramik, versehenes Polymer eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt, insbesondere für eine Anwendung im Bereich der elektrochemischen Energiespeicher, sind Feststoffelektrolyte, die Li umfassen, beispielsweise ein Lithium-Aluminium-Germanium-Phosphat, ein Lithium-Lantan-Zirkonat oder ein System mit LiSICon-Kristallphasen, d. h. Lithium super ionic conductor(LiSICon)-Kristallphasen.The solid electrolyte used is preferably an inorganic material, in particular a glass material or a ceramic material, in particular also a glass ceramic material or a polymer provided with a conductive filler, in particular a powder or granules of inventive glass or inventive glass ceramic or ceramic. Very particularly preferred, in particular for use in the field of electrochemical energy stores, are solid electrolytes comprising Li, for example a lithium aluminum germanium phosphate, a lithium lanthanum zirconate or a system with LiSICon crystal phases, ie. H. Lithium super ionic conductor (LiSICon) crystal phases.

Als Flüssigelektrolyt wird bevorzugt eine Mischung eines oder mehrerer nicht wässriger Lösungsmittel, insbesondere ein carbonatisches Lösungsmittel mit mindestens einem fluoridischen Leitsalz, bevorzugt LiPF6 verwandt. Als beispielhafte Lösungsmittel kommen beispielsweise Ethylencarbonat, Butylencarbonat (BC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Vinylenecarbonat (VC), Methylethylcarbonat (EMC) 1,2-Dimethoxyethan (dME), 1,2-Diethoxyethan (DEE), γ-Butyrolacton (γ-BL), Sulfolan, Acetonitril, N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Dimethylsufoxid (DMSO), Ethylacetat (EA), 1,3-Dioxolan (DOL), Tetrahydrofuran (THF), Tetra(ethylen glycol)-dimethylether (TEGDME), Tri(ethylen glyco)dimethyl (TEGD) in Betracht. Die Lösungsmittel können alleine oder als geeignete Mischung verwendet werden. Beispielhafte Mischungen sind EC/DMC im Verhältnis 50/50 (Gew.-%) oder Elektrolytmischungen mit Verhältnis EC zu (DMC + EMC) < 1. LiPF6 kann alleine oder in Kombination mit anderen Leitsalzen verwendet werden. Letztere umfassen beispielhaft LiBF4, LiAsF6, LiClO4, LiB(C6H5)4, LiCH3, SO3, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(So2CF3)3, LiAlCl4, LiSiF6Li[(OCO)2]2B, LiDFOB, LiCl, und LiBr. The liquid electrolyte used is preferably a mixture of one or more nonaqueous solvents, in particular a carbonic solvent, with at least one fluoride conducting salt, preferably LiPF 6 . Examples of suitable solvents are ethylene carbonate, butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), vinylene carbonate (VC), methyl ethyl carbonate (EMC), 1,2-dimethoxyethane (dME), 1,2-diethoxyethane (DEE), γ Butyrolactone (γ-BL), sulfolane, acetonitrile, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylsulfoxide (DMSO), ethyl acetate (EA), 1,3-dioxolane (DOL), tetrahydrofuran (THF), tetra (ethylene glycol) -dimethyl ether (TEGDME), tri (ethylene glyco) dimethyl (TEGD). The solvents can be used alone or as a suitable mixture. Exemplary blends are EC / DMC in the ratio 50/50 (wt%) or electrolyte blends with ratio EC to (DMC + EMC) <1. LiPF 6 can be used alone or in combination with other conductive salts. The latter include, by way of example, LiBF 4 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiCH 3 , SO 3 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiC (So 2 CF 3 ) 3 , LiAlCl 4 , LiSiF 6 Li [(OCO) 2 ] 2 B, LiDFOB, LiCl, and LiBr.

Die Konzentration von LiPF6 oder Leitsalzmischungen gegenüber den nichtwässrigen Lösungsmitteln ist nicht limitiert, liegt aber bevorzugt im Bereich 0,1 M (mol/dm3) bis 5,0 M (mol/dm3, bevorzugt 0,5 M (mol/dm3) bis 3,0 M (mol/dm3).The concentration of LiPF 6 or Leitsalzmischungen compared to the nonaqueous solvents is not limited, but is preferably in the range of 0.1 M (mol / dm 3 ) to 5.0 M (mol / dm 3 , preferably 0.5 M (mol / dm 3 ) to 3.0 M (mol / dm 3 ).

Neben dem Elektrolyten mit einem mehrlagigen Aufbau und minimiertem Grenzflächenwiderstand beschreibt die Erfindung auch einen elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere eine Batteriezelle, umfassend einen erfindungsgemäßen Elektrolyten mit mehrlagigem Aufbau mit wenigstens einer Elektrolytlage, die durch eine relative Permittivität ε1 gekennzeichnet ist und wenigstens einer weiteren Elektrolytlage, die durch eine relative Permittivität ε2 gekennzeichnet ist, wobei die relativen Permittivitäten im angegebenen Bereich der Maßzahl α von 0,244 bis 0,5 liegt.In addition to the electrolyte with a multi-layer structure and minimized interface resistance, the invention also describes an electrochemical energy store, in particular a battery cell, comprising an electrolyte according to the invention with multilayer structure with at least one electrolyte layer which is characterized by a relative permittivity ε 1 and at least one further electrolyte layer, the is characterized by a relative permittivity ε 2 , wherein the relative permittivities in the specified range of the coefficient α is from 0.244 to 0.5.

Besonders bevorzugt ist ein elektrochemischer Energiespeicher, der insgesamt drei Elektrolytlagen umfasst, zwei Flüssigelektrolytlagen sowie eine zwischen den Flüssigelektrolytlagen angeordnete Feststoffelektrolytlage, wobei die relativen Permittivitäten ε1, ε2 sowie ε3 der drei Elektrolytlagen derart gewählt sind, dass sie im Wesentlichen übereinstimmen und so ein elektrochemischer Energiespeicher mit einem möglichst großem linearen Arbeitsbereich sowie minimierten Grenzflächenwiderständen zur Verfügung gestellt wird.Particular preference is given to an electrochemical energy store which comprises a total of three electrolyte layers, two liquid electrolyte layers and a solid electrolyte layer arranged between the liquid electrolyte layers, wherein the relative permittivities ε 1 , ε 2 and ε 3 of the three electrolyte layers are chosen such that they substantially coincide and so on electrochemical energy storage is provided with the largest possible linear working range and minimized interface resistances available.

Die Erfindung soll nachfolgend ohne Beschränkung anhand der Ausführungsbeispiele sowie der Zeichnungen näher beschrieben werden.The invention will be described in more detail below without limitation based on the embodiments and the drawings.

Es zeigen:Show it:

1a1d Nyquist-Diagramme eines Elektrolyten mit mehrlagigem Aufbau, wobei als Feststoffelektrolyt eine Lithium-Aluminium-Germanium-Phosphat-Glaskeramik verwandt wird. Als Flüssigelektrolyte werden Propylen-Carbonat (PC) oder 1,2-Di-Methoxyethan (DME) bei unterschiedlichen Temperaturen von –40°C (1a), –20°C (1b), 0°C (1c) sowie 20°C (1d) eingesetzt. 1a - 1d Nyquist diagrams of an electrolyte with multilayer structure, wherein a lithium-aluminum-germanium-phosphate glass-ceramic is used as a solid electrolyte. The liquid electrolytes used are propylene carbonate (PC) or 1,2-di-methoxyethane (DME) at different temperatures of -40.degree. 1a ), -20 ° C ( 1b ), 0 ° C ( 1c ) as well as 20 ° C ( 1d ) used.

In den 1a bis 1d sind als Ausführungsbeispiel zwei Kombinationen aus einer Lithium-Aluminium-Germanium-Phosphat-Glaskeramik (LAGP) und einem Flüssigelektrolyten (einmal PC und einmal DME) dargestellt. Dabei handelt es sich um einen Dreischichtaufbau, wobei der Feststoffelektrolyt LAGP zwischen zwei gleichen Flüssigelektrolyten – einmal PC, im anderen Fall DME angeordnet ist. Das Leitsalz ist in beiden Fällen LiTFSI (1 Mol pro kg Lösungsmittel). Mit einer Messung der komplexen Impedanz (Vierpunktmessung mit je zwei Messelektroden in den beiden Flüssigelektrolytzonen auf der einen und auf der anderen Seite des Feststoffelektrolyts) mit einem Alpha-Analysator der Firma Novocontrol (Frequenzbereich 0,01 Hz bis 20 MHz) werden die Elektrolyte mit mehrlagigem Aufbau auf den Volumenwiderstand des Feststoffelektrolyten sowie auf das Auftreten und die Größe von Grenzflächenwiderständen untersucht. Zum Prinzip der Vierpunktmessung siehe Mirko Hofmann, Integrierte Impedanzspektroskopie aerober Zellkulturen in biotechnologischen Hochdurchsatzscreenings, Dissertation, RWTH Aachen, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, 2009.In the 1a to 1d As an exemplary embodiment, two combinations of a lithium-aluminum-germanium-phosphate glass-ceramic (LAGP) and a liquid electrolyte (once PC and once DME) are shown. It is a three-layer structure, wherein the solid electrolyte LAGP between two identical liquid electrolyte - once PC, arranged in the other case DME. The conductive salt in both cases is LiTFSI (1 mole per kg of solvent). With a measurement of the complex impedance (four-point measurement with two measuring electrodes in the two liquid electrolyte zones on one side and on the other side of the solid electrolyte) with an alpha analyzer from Novocontrol (frequency range 0.01 Hz to 20 MHz), the electrolytes with multilayer Construction on the volume resistivity of the solid electrolyte and on the occurrence and size of interface resistances studied. For the principle of four-point measurement, see Mirko Hofmann, Integrated impedance spectroscopy of aerobic cell cultures in biotechnological high-throughput screenings, Dissertation, RWTH Aachen University, Faculty of Electrical Engineering and Information Technology, 2009.

Die relative Permittivität von Propylenecarbonat (PC) beträgt 64,4. Diesbezüglich wird auf Fujinaga, K. Izutsu, ”Propylene Carbonate purification and tests for purity Pure and Applied Chemistry 27 Nr. 1 (1971), S. 273–280” verwiesen, deren Offenbarungsgehalt voll umfänglich in vorliegende Anmeldung mit eingeschlossen wird. Die relative Permittivität von 1,2-Dimethoxymethan (DME) beträgt 7,2. Diesbezüglich wird auf R. Montadi, M. Matsu, I. S. Arthur, S.-J. Hwang, „Magnesium Boronydride: From Hydrogen Storage to Magnesium Battery”, Angewandte Chemie International Edition 51, Nr. 39 (2012), S. 9780–9783 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt wiederum voll umfänglich in vorliegende Anmeldung mit eingeschlossen wird.The relative permittivity of propylene carbonate (PC) is 64.4. This will be on Fujinaga, K. Izutsu, "Propylene Carbonate Purification and Tests for Purity Pure and Applied Chemistry 27 No. 1 (1971), pp. 273-280" whose disclosure content is fully included in the present application. The relative permittivity of 1,2-dimethoxymethane (DME) is 7.2. This will be on R. Montadi, M. Matsu, IS Arthur, S.-J. Hwang, "Magnesium Boron Hydride: From Hydrogen Storage to Magnesium Battery", Angewandte Chemie International Edition 51, No. 39 (2012), pp. 9780-9783 in turn, the disclosure content of which is in its entirety included in the present application.

Im Hinblick auf die Temperaturabhängigkeit des Grenzflächenwiderstandes, der exponentiell mit der Temperatur zurückgeht, werden die frequenzabhängigen Messungen, die zu den Nyquist-Diagrammen führen bei verschiedenen Temperaturen ausgeführt (40°C, –20°C, 0°C, 20°C, siehe –d). Die unterste Temperatur von –40°C ist die Untergrenze der für Anwendungen im Automobilbereich wichtigen Temperaturskala von –40°C bis 85°C. Die Probendimensionen des Elektrolyten mit einer Lage Flüssigelektrolyt/einer Lage Feststoffelektrolyt/einer Lage Flüssigelektrolyt betragen 2 mm in der Höhe und 7,65 mm im Durchmesser. With respect to the temperature dependence of the interfacial resistance, which decreases exponentially with temperature, the frequency-dependent measurements leading to the Nyquist plots are carried out at different temperatures (40 ° C, -20 ° C, 0 ° C, 20 ° C, see d). The lowest temperature of -40 ° C is the lower limit of the temperature scale of -40 ° C to 85 ° C, which is important for automotive applications. The sample dimensions of the electrolyte with one layer of liquid electrolyte / one layer of solid electrolyte / one layer of liquid electrolyte are 2 mm in height and 7.65 mm in diameter.

Die bei –40°C gemessenen Ortskurven 1 (Nyquist-Diagramme) zeigen zwei stark überlappende Halbkreise 10, 12 bei hohen Frequenzen sowie weitere, von den anderen beiden stärker separierte Halbkreise 14.1 (für den Flüssigelektrolyt DME), 14.2 (für den Flüssigelektrolyt PC) bei niedrigen Frequenzen. Die Messspannung ist 0,1 V.The loci 1 (Nyquist plots) measured at -40 ° C show two strongly overlapping semicircles 10, 12 at high frequencies as well as further semicircles 14.1 (for the liquid electrolyte DME), which are more strongly separated from the other two, 14.2 (for the liquid electrolyte PC) at low frequencies. The measuring voltage is 0.1 V.

Die Nyquistauswertung ergibt für diese drei Halbkreise folgende Widerstands- bzw. Kapazitätswerte:

Figure DE102015005805A1_0009
The Nyquist evaluation gives the following resistance or capacitance values for these three semicircles:
Figure DE102015005805A1_0009

Der dritte Halbkreis 14.1, 14.2 ist Ausdruck des Grenzflächenwiderstands. Wie aus den unterschiedlichen Ortskurven in den Nyquist-Diagrammen in den 1a1d für die Kombination Flüssigelektrolyt DME/Feststoffelektrolyt LAGP/Flüssigelektrolyt DME (Ortskurve 100) und Flüssigelektrolyt PC/Feststoffelektrolyt LAGP/Flüssigelektrolyt PC (Ortskurve 200) hervorgeht, weist Ortskurve 200 einen stärker separierten Halbkreis 14.2 auf und somit einen hohen Grenzflächenwiderstand, der stärker strommindernd wirkt als die Ortskurve 100. Dies drückt sich erfindungsgemäß auch im Parameter α aus. So ergibt sich für das Elektrolytpaar DME/LAGP ein α = 0,395. Für das Elektrolytpaar PC/LAGP ergibt sich α = 0,145. Im ersten Fall liegt α nahe 0,5 und damit im linearen Bereich, im zweiten Fall weit darunter. Der Grenzflächenwiderstand ist besonders im fehlangepassten Fall PC/LAGP stark erhöht.The third semicircle 14.1, 14.2 is an expression of the interfacial resistance. As from the different loci in the Nyquist diagrams in the 1a - 1d for the combination of liquid electrolyte DME / solid electrolyte LAGP / liquid electrolyte DME (locus 100) and liquid electrolyte PC / solid electrolyte LAGP / liquid electrolyte PC (locus 200), locus 200 has a more strongly separated semicircle 14.2 and thus a high interfacial resistance, which has a stronger flow-reducing effect the locus 100. According to the invention, this is also expressed in the parameter α. This results in an α = 0.395 for the electrolyte pair DME / LAGP. For the electrolyte pair PC / LAGP α = 0.145. In the first case α is close to 0.5 and thus in the linear range, in the second case far below. The interfacial resistance is greatly increased especially in the mismatched PC / LAGP case.

Sind erfindungsgemäß die relativen Permittivitäten angepasst, was im vorliegenden Fall durch Anpassung des Flüssigelektrolyten an den Feststoffelektrolyten und Wahl eines geeigneten Lösemittels, nämlich DME für den Feststoffelektrolyten LAGP, geschehen ist, so ergibt sich ein geringer Grenzflächenwiderstand. Ausgedrückt wird dies durch einen α-Wert, der nahe bei 0,5 liegt.According to the invention, the relative permittivities are adapted, which in the present case has been achieved by adaptation of the liquid electrolyte to the solid electrolyte and selection of a suitable solvent, namely DME for the solid electrolyte LAGP, results in a low interfacial resistance. This is expressed by an α value which is close to 0.5.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel, für das allerdings keine Nyquist-Diagramme aufgenommen wurden, ist der Feststoffelektrolyt LLZO (Lithium-Lanthan-Zirkonat). Der Wert der relativen Permittivität des Feststoffelektrolyten LLZO beträgt 22,4. Um α im erfindungsgemäßen Bereich einzustellen, wird als Flüssigelektrolyt eine Mischung aus PC und DME als Lösemittel gewählt und die relative Permittivität auf 22,4 eingestellt. Die relative Permittivität der Mischung ist ein mit den molaren Anteilen gewichtetes Mittel der einzelnen Permittivitäten.In a further exemplary embodiment, for which, however, no Nyquist diagrams were recorded, the solid electrolyte is LLZO (lithium lanthanum zirconate). The value of the relative permittivity of the solid electrolyte LLZO is 22.4. In order to set α in the range according to the invention, a mixture of PC and DME as solvent is selected as liquid electrolyte and the relative permittivity is set to 22.4. The relative permittivity of the mixture is a weighted average of the individual permittivities.

Damit besteht die Mischung aus PC und DME aus 0,266 Anteilen bzw. 26,6 Mol% PC und 0,734 Anteilen bzw. 73,4 Mol% DME, da 0,266·64,4 + 0,734·7,2 = 22,4 ist. Mischt man statt dessen zum Beispiel 28 Mol% PC und 72 Mol% DME, erhält man eine relative Permittivität des Flüssigelektrolyten von 23,216. Der α-Wert beträgt dann 0,491. Mischt man als weiteres Beispiel 35 Mol% PC und 65 Mol% DME, erhält man eine relative Permittivität des Flüssigelektrolyten von 27,22. Der α-Wert beträgt dann 0,451.Thus, the mixture of PC and DME consists of 0.266 parts or 26.6 mole% PC and 0.734 parts and 73.4 mole% DME, respectively, because 0.266 x 64.4 + 0.734 * 7.2 = 22.4. If, for example, 28 mol% PC and 72 mol% DME are mixed instead, a relative permittivity of the liquid electrolyte of 23.216 is obtained. The α value is then 0.491. If, as a further example, 35 mol% PC and 65 mol% DME are mixed, the relative permittivity of the liquid electrolyte is 27.22. The α value is then 0.451.

Ist umgekehrt die relative Permittivität des Feststoffelektrolyten an den Flüssigelektrolyten anzupassen, geschieht dies durch Auswahl eines geeigneten Feststoffelektrolyten.Conversely, if the relative permittivity of the solid electrolyte to the liquid electrolyte is to be adjusted, this is done by selecting a suitable solid electrolyte.

Mit der Erfindung wird das überraschende, am Ausführungsbeispiel zu erkennende Ergebnis zur Verfügung gestellt, dass sich auch für einen teilkristallinen Feststoffelektrolyten der Grenzflächenwiderstand zu einem Flüssigelektrolyten durch einfaches Anpassen der relativen Permittivitäten minimieren lässt. The invention provides the surprising result to be recognized in the exemplary embodiment that the interface resistance to a liquid electrolyte can also be minimized by simply adapting the relative permittivities for a semicrystalline solid electrolyte.

Mit der Erfindung werden erstmals die Grenzen für die Permittivitäten angegeben, innerhalb derer bei einem mehrlagigen Elektrolyten der Grenzflächenwiderstand minimiert ist und für die bei Anlegen einer Spannung über einen großen Temperaturbereich von insbesondere –40°C bis +85°C ein lineares Verhalten des Stromverlaufes durch die Grenzflächen in Abhängigkeit von der Spannung erwartet werden kann.With the invention, the limits for the permittivities are specified for the first time within which the interfacial resistance is minimized in a multilayer electrolyte and a linear behavior of the current flow through when applying a voltage over a wide temperature range of, in particular -40 ° C to + 85 ° C. the interfaces depending on the voltage can be expected.

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Claims (10)

Elektrolyt mit mehrlagigem Aufbau umfassend – wenigstens eine erste Elektrolytlage, die durch eine erste relative Permittivität ε1 gekennzeichnet ist; – wenigstens eine zweite Elektrolytlage, die durch eine zweite relative Permittivität ε2 gekennzeichnet ist, – eine Grenzfläche zwischen erster Elektrolytlage und zweiter Elektrolytlage, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste relative Permittivität ε1 und die zweite relative Permittivität ε2 eine Maßzahl α
Figure DE102015005805A1_0010
definieren und – der Elektrolyt der ersten Elektrolytlage und der Elektrolyt der zweiten Elektrolytlage derart gewählt sind, dass an der Grenzfläche die Maßzahl α im Bereich 0,244 < α ≤ 0,5, bevorzugt 0,371 < α ≤ 0,5, insbesondere bevorzugt 0,436 < α ≤ 0,5, des Weiteren bevorzugt 0,475 < α ≤ 0,5, insbesondere bevorzugt 0,488 < α ≤ 0,5, noch weiter bevorzugt 0,494 < α ≤ 0,5 ist, wobei stets ε1 die niedrigere der relativen Permittivitäten der angrenzenden Medien und ε2 die höhere der relativen Permittivitäten der angrenzenden Medien ist.
Electrolyte with multilayer structure comprising - at least a first electrolyte layer, which is characterized by a first relative permittivity ε 1 ; - At least a second electrolyte layer, which is characterized by a second relative permittivity ε 2 , - an interface between the first electrolyte layer and the second electrolyte layer, characterized in that - the first relative permittivity ε 1 and the second relative permittivity ε 2 a measure α
Figure DE102015005805A1_0010
and - the electrolyte of the first electrolyte layer and the electrolyte of the second electrolyte layer are selected such that at the interface the coefficient α in the range 0.244 <α ≤ 0.5, preferably 0.371 <α ≤ 0.5, particularly preferably 0.436 <α ≤ 0.5, more preferably 0.475 <α ≤ 0.5, particularly preferably 0.488 <α ≤ 0.5, even more preferably 0.494 <α ≤ 0.5, where ε 1 is always the lower of the relative permittivities of the adjacent media and ε 2 is the higher of the relative permittivities of the adjacent media.
Elektrolyt gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt eine Vielzahl von Elektrolytlagen mit einer Vielzahl von Grenzflächen umfasst, wobei für die an jeder der Vielzahl n von Grenzflächen definierte Maßzahl αn = ε1n/(ε1n + ε2n) gilt, dass an den Grenzflächen die Maßzahl αn im Bereich 0,244 < αn ≤ 0,5, bevorzugt 0,371 < αn ≤ 0,5, insbesondere bevorzugt 0,436 < αn ≤ 0,5, noch weiter bevorzugt 0,475 < αn ≤ 0,5, insbesondere bevorzugt 0,488 < αn ≤ 0,5, noch weiter bevorzugt 0,494 < αn ≤ 0,5 ist, wobei stets ε1n die niedrigere der relative Permittivität der angrenzenden Medien und ε2n die höhere der relativen Permittivitäten der angrenzenden Medien ist.An electrolyte according to claim 1, characterized in that the electrolyte comprises a plurality of electrolyte layers having a plurality of interfaces, wherein for the defined at each of the plurality n of interfaces measure α n = ε 1n / (ε 1n + ε 2n ) is true that at the interfaces the measure α n in the range 0.244 <α n ≤ 0.5, preferably 0.371 <α n ≤ 0.5, particularly preferably 0.436 <α n ≤ 0.5, even more preferably 0.475 <α n ≤ 0.5, more preferably 0.488 <α n ≤ 0.5, even more preferably 0.494 <α n ≤ 0.5, where ε 1n is always the lower of the relative permittivity of the adjacent media and ε 2n is the higher of the relative permittivities of the adjacent ones Media is. Elektrolyt gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für alle Grenzflächen n im Wesentlichen die Maßzahl αn dieselbe ist.Electrolyte according to claim 2, characterized in that for all interfaces n substantially the measure α n is the same. Elektrolyt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt der ersten Elektrolytlage ein Feststoffelektrolyt und der Elektrolyt der zweiten Elektrolytlage ein Flüssigelektrolyt ist.Electrolyte according to one of claims 1 to 3, characterized in that the electrolyte of the first electrolyte layer is a solid electrolyte and the electrolyte of the second electrolyte layer is a liquid electrolyte. Elektrolyt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzahl α oder die Maßzahlen αn für alle Temperaturen T im Temperaturbereich –258 K bis +383 K, bevorzugt 228 K C bis 398 K im Bereich 0,5 – 0,256·T/298 K < α ≤ 0,5, bevorzugt 0,5 – 0,128·T/298 K < α ≤ 0,5, besonders bevorzugt 0,5 – 0,064·T/298 K < α ≤ 0,5, ganz besonders bevorzugt 0,5 – 0,025·T/298 K < α ≤ 0,5, weiter bevorzugt 0,5 – 0,012·T/298 K < α ≤ 0,5, noch weiter bevorzugt 0,5 – 0,006·T/298 K < α ≤ 0,5 liegt bzw. liegen.Electrolyte according to one of claims 1 to 4, characterized in that the measured value α or the dimensional numbers α n for all temperatures T in the temperature range -258 K to +383 K, preferably 228 KC to 398 K in the range 0.5 - 0.256 · T / 298 K <α ≦ 0.5, preferably 0.5-0.128 × T / 298 K <α ≦ 0.5, more preferably 0.5-0.064 × T / 298 K <α ≦ 0.5, very particularly preferably 0.5-0.025 × T / 298 K <α ≦ 0.5, more preferably 0.5-0.012 × T / 298 K <α ≦ 0.5, even more preferably 0.5-0.006 × T / 298 K < α ≤ 0.5 is or lie. Elektrolyt nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffelektrolyt eines der nachfolgenden Materialien umfasst: – ein anorganisches Material, insbesondere – ein Glasmaterial oder – ein Glaskeramikmaterial oder – ein Keramikmaterial – sowie ein organisches Material, insbesondere ein mit einem leitenden Füllstoff versehenes Polymer.Electrolyte according to one of claims 4 to 5, characterized in that the solid electrolyte comprises one of the following materials: - an inorganic material, in particular - a glass material or - a glass ceramic material or - a ceramic material - and an organic material, in particular one with a conductive filler provided polymer. Elektrolyt nach Anspruch 6, der Feststoffelektrolyt Li umfasst, insbesondere ein Lithium-Aluminium-Germanium-Phosphat, ein Lithium-Lanthan-Zirkonat oder ein System mit Lisuper ionic conductor(LiSICon)-Kristallphasen ist.An electrolyte according to claim 6, which comprises solid electrolyte Li, in particular a lithium aluminum germanium phosphate, a lithium lanthanum zirconate or a system with Lisuper ionic conductor (LiSICon) crystal phases. Elektrolyt nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigelektrolyt eine Mischung eines oder mehrerer nicht-wässriger Lösungsmittel, insbesondere ein carbonatischen Lösungsmittels mit mindestens einem fluoridischen Leitsalz, bevorzugt LiPF6, ist.An electrolyte according to any one of claims 4 to 7, characterized in that the liquid electrolyte is a mixture of one or more non-aqueous solvents, in particular a carbonic solvent with at least one fluoride conducting salt, preferably LiPF 6 . Elektrochemischer Energiespeicher, insbesondere Batteriezelle umfassend einen Elektrolyten mit mehrlagigem Aufbau gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8. Electrochemical energy store, in particular battery cell comprising an electrolyte with multilayer structure according to one of claims 1 to 8. Elektrochemischer Energiespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle wenigstens drei Elektrolytlagen umfasst, zwei Flüssigelektrolytlagen sowie eine zwischen den zwei Flüssigelektrolytlagen angeordnete Feststoffelektrolytlage.Electrochemical energy store according to claim 9, characterized in that the battery cell comprises at least three electrolyte layers, two liquid electrolyte layers and a disposed between the two liquid electrolyte layers solid electrolyte layer.
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