DE102011054119A1 - Electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle umfassend eine Kationen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrode, eine Anionen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrode und einen Elektrolyten umfassend ein Leitsalz und ein Lösungsmittel, wobei das Lösungsmittel eine ionische Flüssigkeit oder ein Gemisch einer ionischen Flüssigkeit und eines organischen Lösungsmittels umfasst.The invention relates to an electrochemical cell comprising a cation reversibly receiving and donating electrode, an anion reversibly receiving and donating electrode and an electrolyte comprising a conducting salt and a solvent, wherein the solvent comprises an ionic liquid or a mixture of an ionic liquid and an organic solvent.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine sekundäre elektrochemische Zelle, die auf dem Dual-Ionen Insertions Prinzip beruht.The invention relates to an electrochemical cell, in particular a secondary electrochemical cell, which is based on the dual-ion insertion principle.
Sekundäre elektrochemische Zellen werden gängig auch als Akkumulatoren bezeichnet und unterscheiden sich von primären elektrochemischen Zellen durch ihre Wiederaufladbarkeit. Die Lithium-Ionen-Technologie ist derzeit die führende Technologie auf dem Gebiet der wiederaufladbaren Batteriespeichersysteme, insbesondere für Anwendungen in der portablen Elektronik. Lithium-Ionen-Batterien umfassen zwei Elektroden, die durch einen Separator voneinander getrennt sind. Der Ladungstransport erfolgt über einen Elektrolyten, der ein Lithiumsalz enthält, das in einem nicht-wässrigen, organischen Lösungsmittel gelöst ist. Der Elektrolyt gewährleistet den Ionentransport zwischen den beiden Elektroden und vervollständigt den elektrischen Stromkreis. In Lithium-Ionen-Batterien werden Lithiumionen reversibel in die Elektrodenaktivmaterialien eingelagert bzw. ausgelagert. Beim Ladevorgang einer Lithium-Ionen-Batterie werden Li+-Ionen hierbei von der Kathode zur Anode transportiert und beim Entladevorgang wechseln die Li+-Ionen wieder von der Anode zur Kathode zurück. Secondary electrochemical cells are commonly referred to as rechargeable batteries and are distinguished from primary electrochemical cells by their rechargeability. Lithium-ion technology is currently the leading technology in the field of rechargeable battery storage systems, especially for applications in portable electronics. Lithium-ion batteries include two electrodes separated by a separator. The charge transport is via an electrolyte containing a lithium salt dissolved in a nonaqueous organic solvent. The electrolyte ensures ion transport between the two electrodes and completes the electrical circuit. In lithium-ion batteries, lithium ions are reversibly stored or removed from the electrode active materials. When charging a lithium-ion battery Li + ions are transported from the cathode to the anode and during the discharge process change the Li + ions back from the anode to the cathode.
Gängige Lithium-Ionen-Batterien weisen jedoch diverse Nachteile auf. So können die Kathoden Sauerstoff freisetzen, wodurch in Kombination mit der Brennbarkeit der organischen Elektrolyte Sicherheitsbedenken bestehen. Weiterhin werden in Lithium-Ionen-Batterien als Elektrodenmaterial häufig Metalloxide aus Mischungen von Nickel und Cobalt verwendet, wobei durch die Verwendung von Nickel und vor allem durch Cobalt die Herstellungskosten stark erhöht werden. Zudem weisen die Schwermetalle Nickel und Cobalt eine hohe Toxizität auf. However, common lithium-ion batteries have various disadvantages. Thus, the cathodes can release oxygen, which in combination with the flammability of organic electrolytes safety concerns exist. Furthermore, metal oxides of mixtures of nickel and cobalt are frequently used in lithium-ion batteries as the electrode material, the production costs being greatly increased by the use of nickel and, in particular, cobalt. In addition, the heavy metals nickel and cobalt have a high toxicity.
Eine Alternative zu gängigen Lithium-Ionen-Batterien bilden die sogenannten Dual Graphit-Systeme, die auf einer Einlagerung von Lithium in eine Graphit-Anode und einer Einlagerung von Anionen in eine Graphit-Kathode beruhen. Die Graphit-Elektroden sind auch in Dual Graphit-Systemen durch einen Separator voneinander getrennt und der Ladungstransport erfolgt über einen organischen Elektrolyten, der ein Lithiumsalz enthält. Beim Ladevorgang eines Dual Graphit-Systems wird jedoch das Lithiumion aus dem Elektrolyten in die Anode und parallel ein Anion, meist das Gegenion des Lithiumsalzes, in die Kathode eingelagert. Daher wird dieser Vorgang auch als duale Einlagerung oder Dual-Ionen Insertions Prinzip bezeichnet. Im geladenen Zustand ist der Elektrolyt des Dual Graphit-Systems somit an Li+ und Anion verarmt, da sich diese als Ladungsträger in den beiden Elektroden befinden. Beim Entladen werden die Ionen gleichzeitig wieder an den Elektrolyten abgegeben und somit die Ionenkonzentration wieder erhöht. An alternative to conventional lithium-ion batteries form the so-called dual graphite systems, which are based on an incorporation of lithium into a graphite anode and an incorporation of anions in a graphite cathode. The graphite electrodes are also separated in dual graphite systems by a separator and the charge transport via an organic electrolyte containing a lithium salt. When charging a dual graphite system, however, the lithium ion from the electrolyte into the anode and parallel an anion, usually the counterion of the lithium salt, stored in the cathode. Therefore, this process is also referred to as dual insertion or dual-ion insertion principle. In the charged state, the electrolyte of the dual graphite system is thus depleted of Li + and anion, since these are as charge carriers in the two electrodes. During discharge, the ions are simultaneously released back to the electrolyte and thus the ion concentration is increased again.
Nachteilig bei Dual Graphit-Systemen ist jedoch, dass diese sehr hohe Lithiumsalz-Konzentrationen verwenden. Diese hohen Konzentrationen verringern bei niedrigen Temperaturen die Leitfähigkeit und damit die Kapazität der Zellen. Aufgrund der dualen Einlagerung von Li+ und Anion ist die Funktion einer Dual Graphit-Zelle besonders stark von dem Zusammenspiel der einzelnen Komponenten abhängig. Weiter ist nachteilig, dass auch bei diesen Systemen insbesondere bei höheren Temperaturen aufgrund einer möglichen exothermen Zersetzung der Zelle Sicherheitsbedenken bestehen. Weiterhin nachteilig bei Dual Graphit-Systemen ist, dass diese einen hohen Kapazitätsverlust im ersten Zyklus aufweisen. Ferner ist nachteilig, dass Dual Graphit-Systeme während der gesamten Lebensdauer nur geringe Lade- und Entladeeffizienzen erreichen.A disadvantage of dual graphite systems, however, is that they use very high lithium salt concentrations. These high concentrations reduce the conductivity and thus the capacity of the cells at low temperatures. Due to the dual incorporation of Li + and anion, the function of a dual graphite cell is particularly dependent on the interaction of the individual components. Another disadvantage is that even with these systems, especially at higher temperatures due to a possible exothermic decomposition of the cell safety concerns. Another disadvantage of dual graphite systems is that they have a high capacity loss in the first cycle. Another disadvantage is that dual graphite systems achieve only low charge and discharge efficiency throughout the lifetime.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, eine elektrochemische Zelle zur Verfügung zu stellen, die mindestens einen der vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine elektrochemische Zelle zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte Temperaturbeständigkeit aufweist.The present invention was therefore based on the object to provide an electrochemical cell which overcomes at least one of the aforementioned disadvantages of the prior art. In particular, the present invention was based on the object to provide an electrochemical cell having improved temperature resistance.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine sekundäre elektrochemische Zelle, umfassend eine Kationen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrode, eine Anionen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrode und einen Elektrolyten umfassend ein Leitsalz und ein Lösungsmittel, wobei das Lösungsmittel eine ionische Flüssigkeit oder ein Gemisch einer ionischen Flüssigkeit und eines organischen Lösungsmittels umfasst.This object is achieved by an electrochemical cell, in particular a secondary electrochemical cell, comprising a cation reversibly receiving and donating electrode, an anion reversible receiving and donating electrode and an electrolyte comprising a conductive salt and a solvent, wherein the solvent is an ionic liquid or a mixture an ionic liquid and an organic solvent.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung einer ionischen Flüssigkeit als Lösungsmittel in einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer sekundären elektrochemischen Zelle, umfassend eine Kationen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrode, eine Anionen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrode und einen Elektrolyten umfassend ein Leitsalz und ein Lösungsmittel. Another object of the invention relates to the use of an ionic liquid as a solvent in an electrochemical cell, in particular a secondary electrochemical cell comprising a cation reversibly receiving and donating electrodes, anions reversibly receiving and donating an electrode and an electrolyte comprising a conducting salt and a solvent.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Überraschend wurde gefunden, dass eine elektrochemische Zelle beruhend auf dem Dual-Ionen Insertions Prinzip umfassend als Lösungsmittel eine ionische Flüssigkeit eine sehr hohe Kapazität aufweisen kann. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass bei Verwendung einer ionischen Flüssigkeit in einer Dual-Ionen Insertions-Zelle wesentlich höhere Lade- und Entladeströme realisiert werden konnten, als bei Verwendung organischer Elektrolyte. Von Vorteil ist weiterhin, dass die erfindungsgemäße insbesondere sekundäre elektrochemische Zelle eine hohe Zyklenstabilität und eine hohe Effizienz zur Verfügung stellen kann.Surprisingly, it has been found that an electrochemical cell based on the dual-ion insertion principle comprising as solvent an ionic liquid can have a very high capacity. Furthermore, it was found that when using an ionic liquid in a dual-ion insertion cell significantly higher charging and discharging could be realized than with the use of organic electrolytes. A further advantage is that the inventive particular secondary electrochemical cell can provide a high cycle stability and high efficiency.
Insbesondere ist weiter von Vorteil, dass die elektrochemische Zelle durch die Verwendung ionischer Flüssigkeiten eine erhöhte Sicherheit insbesondere in Bezug auf die Brennbarkeit bzw. Entflammbarkeit der Zelle und eine Zersetzung des Elektrolyten bei hohen Temperaturen zur Verfügung stellen kann. Somit weist die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle eine höhere Betriebssicherheit auf. Von besonderem Vorteil ist, dass die elektrochemische Zelle im Niedertemperaturbereich, insbesondere aber auch im Hochtemperaturbereich betrieben werden zu kann. Weiterhin ist die elektrochemische Zelle weniger toxisch als Nickel- und Cobalthaltige Lithium-Ionensysteme und daher umweltfreundlicher. In particular, it is further advantageous that the use of ionic liquids allows the electrochemical cell to provide increased safety, in particular with regard to the flammability of the cell and a decomposition of the electrolyte at high temperatures. Thus, the electrochemical cell according to the invention has a higher reliability. It is of particular advantage that the electrochemical cell can be operated in the low-temperature range, but in particular also in the high-temperature range. Furthermore, the electrochemical cell is less toxic than nickel and cobalt-containing lithium ion systems and therefore more environmentally friendly.
Die Elektroden der insbesondere sekundären elektrochemischen Zelle können Kationen oder Anionen reversibel aufnehmen und abgeben. Unter dem Begriff "reversibel aufnehmen und abgeben" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die Aktivmaterialien der Elektroden Kationen oder Anionen jeweils reversibel einlagern und auslagern, interkalieren und deinterkalieren, oder durch Verbindungsbildung oder Legierungsbildung aufnehmen und abgeben können. Unter dem Begriff reversibel "interkalieren und deinterkalieren" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden, dass eine Graphit- oder eine kohlenstoffbasierte Elektrode Kationen oder Anionen aufnehmen und abgeben kann.The electrodes of the particular secondary electrochemical cell can absorb and release cations or anions reversibly. For the purposes of the present invention, the term "reversibly take up and release" is understood to mean that the active materials of the electrodes can reversibly store and disperse cations or anions, intercalate and deintercalate, or take up and release by compound formation or alloy formation. For the purposes of the present invention, the term reversibly intercalate and deintercalate means that a graphite or a carbon-based electrode can absorb and release cations or anions.
Die Kationen und Anionen werden aus dem Elektrolyten, der ein Leitsalz umfasst, zur Verfügung gestellt. Als Leitsalz wird das Salz des Elektrolyten, das den Ladungstransport besorgt, bezeichnet. Das Leitsalz weist ein Kation, bevorzugt Lithium und Natrium, insbesondere Lithium, und ein Gegenanion auf. Geeignete Anionen sind beispielsweise komplexe Halogenide von Bor oder Phosphor, beispielsweise Tetrafluoroborat oder Hexafluorophosphat, und insbesondere organische Anionen.The cations and anions are provided from the electrolyte comprising a conducting salt. As the conductive salt, the salt of the electrolyte, which provides the charge transport, called. The conducting salt has a cation, preferably lithium and sodium, in particular lithium, and a counter anion. Suitable anions are, for example, complex halides of boron or phosphorus, for example tetrafluoroborate or hexafluorophosphate, and in particular organic anions.
Unter dem Begriff "ionische Flüssigkeit" sind im Sinne dieser Erfindung Salze zu verstehen, die eine Klasse von Flüssigkeiten bilden, die ausschließlich Ionen enthalten und bei Temperaturen unter 180°C flüssig sind. For the purposes of this invention, the term "ionic liquid" means salts which form a class of liquids which contain exclusively ions and are liquid at temperatures below 180 ° C.
Eine verwendbare ionische Flüssigkeit kann lediglich ein Anion und ein Kation aufweisen, oder mehrere verschiedene Anionen und/oder Kationen aufweisen und/oder eine Mischung von ionischen Flüssigkeiten sein. A useful ionic liquid may have only one anion and one cation, or have several different anions and / or cations, and / or be a mixture of ionic liquids.
Ein Vorteil ionischer Flüssigkeiten liegt darin, dass diese verglichen mit organischen Lösungsmitteln eine geringere Toxizität und Gefährdungspotenzial aufweisen. Weiterhin weisen ionische Flüssigkeiten häufig nur einen geringen oder kaum messbaren Dampfdruck auf. Darüber hinaus sind die meisten ionischen Flüssigkeiten nicht entflammbar. Dies ist insbesondere für Anwendungen bei hohen Betriebstemperaturen vorteilhaft.An advantage of ionic liquids is that they have lower toxicity and hazard potential compared to organic solvents. Furthermore, ionic liquids often have only a small or hardly measurable vapor pressure. In addition, most ionic liquids are non-flammable. This is particularly advantageous for high operating temperature applications.
Ionische Flüssigkeiten umfassen wenigstens ein Kation und wenigstens ein Anion. Bevorzugt sind ionische Flüssigkeiten, die ein organisches und/oder anorganisches Anion und ein organisches und/oder anorganisches Kation umfassen. In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Anion ein organisches Anion. Als Gegenion kommen organische und/oder anorganische Kationen in Frage.Ionic liquids comprise at least one cation and at least one anion. Preferred are ionic liquids comprising an organic and / or inorganic anion and an organic and / or inorganic cation. In preferred embodiments of the present invention, the anion is an organic anion. Suitable counterions are organic and / or inorganic cations.
Geeignete ionische Verbindungen sind beispielsweise solche mit niedrigem Schmelzpunkt, vorzugsweise unterhalb der Umgebungstemperatur, deren Kation vom Onium-Typ ist und wenigstens ein Heteroatom wie N, O, S oder P aufweist, das die positive Ladung trägt, und deren Anion ganz oder teilweise wenigstens ein Imid-Ion vom Typ (FX1O)N–(OX2F) umfasst, in dem X1 und X2 identisch oder verschieden sind und SO oder PF umfassen.Suitable ionic compounds are, for example, those with a low melting point, preferably below ambient temperature, whose cation is of the onium type and has at least one heteroatom such as N, O, S or P, which carries the positive charge, and whose anion is wholly or partially at least one Imide ion of the type (FX 1 O) N - (OX 2 F) in which X 1 and X 2 are identical or different and comprise SO or PF.
Insbesondere kann das Kation vom Onium-Typ eine Verbindung der folgenden Formel umfassen: eine Verbindung der folgenden Formel eine Verbindung der folgenden Formel oder eine Verbindungen der folgenden Formeln in denen:
W O, S oder N ist, und in denen N wahlweise durch R1 substituiert ist, wenn es die Wertigkeit zulässt; R1, R3, R4 sind gleich oder verschieden voneinander und sind -H; -Alkyl-, Alkenyl-, Oxaalkyl, Oxaalkenyl, Azaalkenyl, Thioalkyl, Thioalkenyl, Dialkylazoradikale, wobei die Radikale linear, verzweigt oder cyclisch sein können und 1 bis 18 Kohlenstoffatome umfassen; -cyclische oder heterocyclische aliphatische Radikale mit 4 bis 26 Kohlenstoffatomen, die wahlweise wenigstens eine Seitenkette umfassen, die ein oder mehrere Heteroatome umfasst; -Gruppen, die mehrere aromatische oder heterocyclische Kerne umfassen, die kondensiert oder nicht kondensiert sind und die wahlweise ein oder mehrere Stickstoff-, Sauerstoff, Schwefel oder Phosphoratome enthalten, wobei zwei Gruppen R1, R3 oder R4 einen Ring oder einen Heterocyclus mit 4 bis 9 Atomen bilden können und ein oder mehrere Gruppen R1, R3 oder R4 auf demselben Kation Teil einer Polymerkette sein können; -R2 und R5 bis R9 sind gleich oder verschieden voneinander und stellen R1, R1O-(R1)2N-, R1S- dar, wobei R1 wie vorstehend definiert ist.In particular, the onium-type cation may comprise a compound of the following formula: a compound of the following formula a compound of the following formula or a compound of the following formulas in which:
WO, S or N, and wherein N is optionally substituted by R 1 , if the valency permits; R 1 , R 3 , R 4 are the same or different and are -H; Alkyl, alkenyl, oxaalkyl, oxaalkenyl, azaalkenyl, thioalkyl, thioalkenyl, dialkylazoradicals wherein the radicals may be linear, branched or cyclic and comprise from 1 to 18 carbon atoms; -cyclic or heterocyclic aliphatic radicals having from 4 to 26 carbon atoms which optionally comprise at least one side chain comprising one or more heteroatoms; Groups comprising a plurality of aromatic or heterocyclic nuclei which condenses or not are condensed and which optionally contain one or more nitrogen, oxygen, sulfur or phosphorus atoms, wherein two groups R 1 , R 3 or R 4 may form a ring or a heterocycle having 4 to 9 atoms and one or more groups R 1 , R 3 or R 4 on the same cation can be part of a polymer chain; R 2 and R 5 to R 9 are the same or different and represent R 1 , R 1 is O- (R 1 ) 2 N-, R 1 S-, wherein R 1 is as defined above.
Bevorzugte Kationen umfassen Verbindungen der Formel: die Imidazolium-, Triazolium-, Thiazolium und Oxazoliumderivate umfassen;
Verbindungen der Formel die Triazolium-, Oxadiazolium und Thiadiazoliumderivate umfassen;
Verbindungen der Formel vorzugsweise Pyridiniumderivate oder Verbindungen der Formeln in denen:
W O, S oder N ist und in denen N wahlweise durch R1 substituiert ist, wenn es die Wertigkeit erlaubt; R1, R3, R4 gleich oder verschieden voneinander sind und -H; -Alkyl-, Alkenyl-, Oxaalkyl, Oxaalkenyl, Azaalkyl-, Azaalkenyl, Thioalkyl, Thioalkenyl, Dialkylazoradikale, wobei die Radikale linear, verzweigt oder cyclisch sein können und 1 bis 18 Kohlenstoffatome umfassen; -cyclische oder heterocyclische aliphatische Radikale mit 4 bis 26 Kohlenstoffatomen, die wahlweise wenigstens eine Seitenkette umfassen, die ein oder mehrere Heteroatome wie Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel umfasst; -Aryle, Arylalkyle, Alkylaryle und Alkenylaryle mit 5 bis 26 Kohlenstoffatomen, die wahlweise ein oder mehrere Heteroatome in dem aromatischen Kern umfassen; -Gruppen, die mehrere aromatische oder heterocyclische Kerne umfassen, die kondensiert oder nicht kondensiert sind und die wahlweise ein oder mehrere Stickstoff-, Sauerstoff-, Schwefel- oder Phosphoratome enthalten, wobei zwei Gruppen R1, R3 oder R4 einen Ring oder einen Heterocyclus mit 4 bis 9 Atomen bilden können, und ein oder mehrere Gruppen R1, R3 oder R4 auf demselben Kation Teil einer Polymerkette sein können; und -R2 und R5 bis R9 gleich oder verschieden voneinander sind und R1, R1O-(R1)2N-, R1S- darstellen, wobei R1 wie vorstehend definiert ist.Preferred cations include compounds of the formula: the imidazolium, triazolium, thiazolium and oxazolium derivatives include;
Compounds of the formula the triazolium, oxadiazolium and thiadiazolium derivatives include;
Compounds of the formula preferably pyridinium derivatives or compounds of the formulas in which:
WO, S or N, and wherein N is optionally substituted by R 1 , if the valency permits; R 1 , R 3 , R 4 are the same or different from each other and -H; Alkyl, alkenyl, oxaalkyl, oxaalkenyl, azaalkyl, azaalkenyl, thioalkyl, thioalkenyl, dialkylazoradicals, wherein the radicals may be linear, branched or cyclic and comprise from 1 to 18 carbon atoms; -cyclic or heterocyclic aliphatic radicals having from 4 to 26 carbon atoms which optionally comprise at least one side chain comprising one or more heteroatoms such as nitrogen, oxygen or sulfur; -Aryle, arylalkyl, alkylaryl and alkenylaryl having from 5 to 26 carbon atoms optionally comprising one or more heteroatoms in the aromatic nucleus; Groups comprising a plurality of aromatic or heterocyclic nuclei which are condensed or uncondensed and which optionally contain one or more nitrogen, oxygen, sulfur or phosphorus atoms, wherein two R 1 , R 3 or R 4 groups form a ring or a group Can form a heterocycle of 4 to 9 atoms, and one or more groups R 1 , R 3 or R 4 on the same cation can be part of a polymer chain; and -R 2 and R 5 to R 9 are the same or different from each other and R 1 , R 1 is O- (R 1 ) 2 N-, R 1 S-, wherein R 1 is as defined above.
Die Gruppen R1, R3 und R4 können Gruppen tragen, die bei der Polymerisation aktiv sind, wie Doppelbindungen oder Epoxide, oder reaktive Funktionen, die bei Polykondensationen reaktiv sind, wie OH, NH2 und COOH. Für den Fall, dass die Kationen Doppelbindungen tragen, können sie zum Beispiel mit Vinylidenfluorid, einem Acrylat, einem Maleinimid, Acrylonitril, einem Vinylether, einem Styrol, usw. homopolymerisiert oder copolymerisiert werden. Die Epoxidgruppen können polykondensiert oder mit anderen Epoxiden copolymerisiert werden. The groups R 1 , R 3 and R 4 may carry groups which are active in the polymerization, such as double bonds or epoxides, or reactive functions which are reactive in polycondensations, such as OH, NH 2 and COOH. In the case where the cations carry double bonds, they may be homopolymerized or copolymerized with, for example, vinylidene fluoride, an acrylate, a maleimide, acrylonitrile, a vinyl ether, a styrene, etc. The epoxide groups can be polycondensed or copolymerized with other epoxides.
Die Ammonium-, Phosphonium- und Sulfoniumkationen können eine optische Isomerie aufweisen und die geschmolzenen Salze, die diese enthalten, sind chirale Lösungsmittel, die geeignet sind, die Bildung eines Enantiomerenüberschusses in den in diesen Milieus durchgeführten Reaktionen zu begünstigen. The ammonium, phosphonium and sulfonium cations may have optical isomerism and the molten salts containing them are chiral solvents capable of promoting the formation of an enantiomeric excess in the reactions carried out in these environments.
Die ionische Flüssigkeit kann zusätzlich zu dem vorgenannten Imidanion wenigstens ein anderes Anion umfassen, das ausgewählt ist aus Cl–; Br–; I–; NO3 –; (MR10)4 – A(R10)6 – ; R11O2 –; [R11ONZ1]–; [R11YOCZ2Z3]–; 4,5-Dicyano-1,2,3-triazol, 3,5-bis(RF)-1,2,4-Triazol, Tricyanomethan, Pentacyanocyclopentadien, Pentakis(trifluoromethyl)cyclopentadien, Derivate der Barbitursäure und der Meldrumsäure und ihren Substitutionsprodukten; wobei -M ist B, Al, Ga oder Bi; -A ist P, As und Sb; -R10 ist ein Halogen; -R11 ist H, F eine Alkyl-, Alkenyl-, Aryl-, Arylalkyl-, Alkylaryl-, Arylalkenyl-, Alkenylaryl-, Dialkylamino-, Alkoxy- oder eine Thioalkoxygruppe, wobei jede 1 bis 18 Kohlenstoffatome aufweist und gegebenenfalls durch ein oder mehrere Oxa-, Thio- oder Azasubstituienten substituiert sind, und in denen ein oder mehrere Wasserstoffatome gegebenenfalls durch ein Halogenatom in einem Verhältnis von 0 bis 100 % ersetzt sind, und die eventuell Teil einer Polymerkette sein können; -Y ist C, SO, S=NCN, S=C(CN)2, POR11, P(NCN)R11, P(C(CN)2R11, eine Alkyl-, Alkenyl-, Aryl-, Arylalkyl-, Alkylaryl-, Arylalkenyl-, Alkenylarylgruppe dar, die 1 bis 18 Kohlenstoffatome besitzen und gegebenenfalls durch ein oder mehrere Oxa, Thio- oder Azasubstituenten substituiert sind; und eine Dialkylaminogruppe N(R10)2; -Z1 bis Z3 sind unabhängig voneinander R11, R11YO oder CN, wobei diese Gruppe gegebenenfalls Teil einer Polymerkette sein kann.The ionic liquid may comprise, in addition to the aforementioned imide anion, at least one other anion selected from Cl - ; Br - ; I - ; NO 3 - ; (MR 10 ) 4 - A (R 10 ) 6 - ; R 11 O 2 - ; [R 11 ONZ 1 ] - ; [R 11 YOCZ 2 Z 3 ] - ; 4,5-dicyano-1,2,3-triazole, 3,5-bis (R F ) -1,2,4-triazole, tricyanomethane, pentacyanocyclopentadiene, pentakis (trifluoromethyl) cyclopentadiene, derivatives of barbituric acid and meldrumic acid and their derivatives substitution products; where -M is B, Al, Ga or Bi; -A is P, As and Sb; R 10 is a halogen; R 11 is H, F is an alkyl, alkenyl, aryl, arylalkyl, alkylaryl, arylalkenyl, alkenylaryl, dialkylamino, alkoxy or thioalkoxy group, each having 1 to 18 carbon atoms and optionally substituted by an or a plurality of oxa, thio or aza substituents are substituted, and in which one or more hydrogen atoms are optionally replaced by a halogen atom in a ratio of 0 to 100%, and which may possibly be part of a polymer chain; -Y is C, SO, S = NCN, S = C (CN) 2 , POR 11 , P (NCN) R 11 , P (C (CN) 2 R 11 , an alkyl, alkenyl, aryl, arylalkyl , Alkylaryl, arylalkenyl, alkenylaryl groups which have 1 to 18 carbon atoms and are optionally substituted by one or more oxa, thio or aza substituents, and a dialkylamino group N (R 10 ) 2 ; -Z 1 to Z 3 are independently each other R 11 , R 11 is YO or CN, which group may optionally be part of a polymer chain.
Die ionischen Flüssigkeiten sind in vorteilhafter Weise leicht durch Ionenaustausch in Wasser herstellbar. Weiterhin weisen diese Salze in vorteilhafter Weise eine gute Stabilität gegenüber Oxidation auf. Ein weiterer Vorteil der ionischen Verbindungen sind die geringeren Kosten der Ausgangsanionen. Die geringe Flüchtigkeit der ionischen Flüssigkeiten, die thermische und elektrochemische Stabilität, und die erhöhte Leitfähigkeit sind besonders vorteilhaft für die Verwendung als Lösungsmittel in elektrochemischen Zellen, die bei niedriger wie insbesondere auch höherer Temperatur betrieben werden. Insbesondere kann hierdurch das Entflammbarkeitsrisiko üblicher organischer Lösungsmittel reduziert werden.The ionic liquids can advantageously be easily prepared by ion exchange in water. Furthermore, these salts advantageously have a good stability to oxidation. Another advantage of the ionic compounds is the lower cost of the starting anions. The low Volatility of the ionic liquids, thermal and electrochemical stability, and increased conductivity are particularly advantageous for use as solvents in electrochemical cells operating at lower, and especially higher, temperatures. In particular, this can reduce the flammability risk of conventional organic solvents.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das Kation der ionischen Flüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe umfassend Alkylammonium-, Pyridinium-, Pyrazolium-, Pyrrolium-, Pyrrolinium-, Phosphonium-, Piperidinium-, Pyrrolidinium-, Imidazolium- und/oder Sulfoniumverbindungen.In preferred embodiments, the cation of the ionic liquid is selected from the group comprising alkylammonium, pyridinium, pyrazolium, pyrrolium, pyrrolinium, phosphonium, piperidinium, pyrrolidinium, imidazolium and / or sulfonium compounds.
Vorzugsweise ist das Kation der ionischen Flüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe umfassend 1-Ethyl-3-methylimidazolium (EMI+), 1,2-Dimethyl-3-propylimidazolium (DMPI+), 1,2-Diethyl-3,5-dimethylimidazolium (DEDMI+), Trimethyl-n-hexylammonium (TMHA+), N-alkyl-N-methylpiperidinium (PIPR`R +), N-alkyl-N-methylmorpholinium (MORPR`R +) und/oder N-alkyl-N-methylpyrrolidinium (PYRR`R +). Bevorzugt ist das Kation der ionischen Flüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe umfassend Pyrrolidinium- und/oder Pyrrolidiniumverbindungen. Besonders bevorzugt ist das Kation der ionischen Flüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe umfassend N-alkyl-N-alkylpyrrolidinium (PYRR`R +), insbesondere N-butyl-N-methylpyrrolidinium (PYR14 +) und/oder N-methyl-N-propylpyrrolidinium (PYR13 +). N-alkyl-N-alkylpyrrolidinium-Kationen haben den Vorteil, dass diese Kationen bei Raumtemperatur flüssig sind. Insbesondere können N-alkyl-N-alkylpyrrolidinium-Kationen gute Ergebnisse in Bezug auf die Funktion einer Zelle zeigen.Preferably, the cation of the ionic liquid is selected from the group comprising 1-ethyl-3-methylimidazolium (EMI + ), 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium (DMPI + ), 1,2-diethyl-3,5-dimethylimidazolium ( DEDMI + ), trimethyl-n-hexylammonium (TMHA + ), N-alkyl-N-methylpiperidinium (PIP R`R + ), N-alkyl-N-methylmorpholinium (MORP R`R + ) and / or N-alkyl N-methylpyrrolidinium (PYR R`R + ). The cation of the ionic liquid is preferably selected from the group comprising pyrrolidinium and / or pyrrolidinium compounds. The cation of the ionic liquid is particularly preferably selected from the group comprising N-alkyl-N-alkylpyrrolidinium (PYR R`R + ), in particular N-butyl-N-methylpyrrolidinium (PYR 14 + ) and / or N-methyl-N- propylpyrrolidinium (PYR 13 + ). N-alkyl-N-alkylpyrrolidinium cations have the advantage that these cations are liquid at room temperature. In particular, N-alkyl-N-alkylpyrrolidinium cations can show good results in terms of the function of a cell.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das Anion der ionischen Flüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe umfassend Halogenide, Cyanide, Borate insbesondere Tetrafluorborate, Perfluoralkylborate, Nitrate, Sulfate, Alkylsulfate, Arylsulfate, Perfluoralkylsulfate, Sulfonate, Alkyl- und Arylsulfonate, perfluorierte Alkylsulfonate, Arylsulfonate, Phosphate insbesondere Hexafluorophosphate, Perfluoralyklphosphate, Bis(perfluoralkylsulfonyl)amide, Bis(fluorsulfonyl)imide, Bis(perfluoralkylsulfonyl)imide wie Bis(trifluormethylylsulfonyl)imid und/oder Fluoralkylsulfonylacetamide.In preferred embodiments, the anion of the ionic liquid is selected from the group consisting of halides, cyanides, borates, in particular tetrafluoroborates, perfluoroalkylborates, nitrates, sulfates, alkylsulfates, arylsulfates, perfluoroalkylsulfates, sulfonates, alkyl and arylsulfonates, perfluorinated alkylsulfonates, arylsulfonates, phosphates, in particular hexafluorophosphates, Perfluoralyklphosphate, bis (perfluoroalkylsulfonyl) amides, bis (fluorosulfonyl) imides, bis (perfluoroalkylsulfonyl) imides such as bis (trifluoromethylylsulfonyl) imide and / or Fluoroalkylsulfonylacetamide.
Vorzugsweise ist das Anion der ionischen Flüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe umfassend Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI–), Bis(pentafluorethansulfonyl)imid (BETI–), Bis(fluorsulfonyl)imid (FSI–), 2,2,2-Trifluor-N-(trifluormethansulfonyl)acetamid (TSAC–), Tetrafluorborat (BF4 –), Pentafluorethanetrifluoroborat (C2F5BF3 –), Hexafluorphosphat (PF6 –), Bisoxolatoborat (BOB–), Difluoro(oxalato)borat (DFOB–) und/oder Tri(pentafluorethan)trifluorphosphat ((C2F5)3PF3 –). Besonders bevorzugt ist das Anion der ionischen Flüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe umfassend Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI–), Bis(fluorsulfonyl)imid (FSI–), Bisoxolatoborat (BOB–) und/oder Hexafluorphosphat (PF6 –). Diese Anionen haben den Vorteil, dass diese auf der Kathode stabil sind und gute Ergebnisse in Bezug auf die Funktion einer Zelle zeigen können.Preferably the anion of the ionic liquid is selected from the group consisting of bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (TFSI -), bis (pentafluorethansulfonyl) imide (BETI -), bis (fluorosulfonyl) imide (
Insbesondere ist es von großem Vorteil, wenn das Anion der ionischen Flüssigkeit dem Anion des Leitsalzes entspricht. Dies erhöht die Verfügbarkeit des Anions für die Einlagerung in die Elektrode. In particular, it is of great advantage if the anion of the ionic liquid corresponds to the anion of the conductive salt. This increases the availability of the anion for incorporation into the electrode.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das Lösungsmittel eine ionische Flüssigkeit umfassend ein Kation ausgewählt aus der Gruppe umfassend Pyrrolidinium- und/oder Pyrrolidiniumverbindungen, bevorzugt ein N-alkyl-N-alkylpyrrolidinium (PYRR`R +), insbesondere N-butyl-N-methylpyrrolidinium (PYR14 +) und/oder N-methyl-N-propylpyrrolidinium (PYR13 +) und ein Anion ausgewählt aus der Gruppe umfassend Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI–), Bis(pentafluorethansulfonyl)imid (BETI–), Bis(fluorsulfonyl)imid (FSI–), 2,2,2-Trifluor-N-(trifluormethansulfonyl)acetamid (TSAC–), Tetrafluorborat (BF4 –), Pentafluorethanetrifluoroborat (C2F5BF3 –), Hexafluorphosphat (PF6 –), Bisoxalatoborat (BOB–), Difluoro(oxalato)borat (DFOB–) und/oder Tri(pentafluorethan)trifluorphosphat ((C2F5)3PF3 –), bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI–), Bis(fluorsulfonyl)imid (FSI–), Bisoxalatoborat (BOB–) und/oder Hexafluorphosphat (PF6 –).In preferred embodiments, the solvent is an ionic liquid comprising a cation selected from the group comprising pyrrolidinium and / or pyrrolidinium compounds, preferably an N-alkyl-N-alkylpyrrolidinium (PYR R`R + ), in particular N-butyl-N-methylpyrrolidinium ( PYR 14 + ) and / or N-methyl-N-propylpyrrolidinium (PYR 13 + ) and an anion selected from the group comprising bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (TFSI - ), bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide (BETI - ), bis (fluorosulfonyl ) imide (FSI - ), 2,2,2-trifluoro-N- (trifluoromethanesulfonyl) acetamide (TSAC - ), tetrafluoroborate (BF 4 - ), pentafluoroethane trifluoroborate (C 2 F 5 BF 3 - ), hexafluorophosphate (PF 6 - ) , Bisoxalatoborate (BOB - ), difluoro (oxalato) borate (DFOB - ) and / or tri (pentafluoroethane) trifluorophosphate ((C 2 F 5 ) 3 PF 3 - ), preferably selected from the group comprising bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (TFSI - ), bis (fluorosulfonyl) imide (FSI - ), bisoxalatoborate (BOB - ) and d / or hexafluorophosphate (PF 6 - ).
Es ist besonders vorteilhaft, dass diese ionischen Flüssigkeiten metallische Salze, besonders Lithiumsalze, gut lösen und sehr leitfähige Lösungen ergeben können. Weiterhin sind diese ionischen Flüssigkeiten oder ihre Mischungen mit anderen metallischen Salzen ausgezeichnete Lösungsmittel für eine große Zahl von Polymere. It is particularly advantageous that these ionic liquids dissolve metal salts, especially lithium salts, well and can give very conductive solutions. Furthermore, these ionic liquids or their mixtures with other metallic salts are excellent solvents for a large number of polymers.
Der Elektrolyt kann neben dem Leitsalz und dem Lösungsmittel weiterhin Polymere enthalten. Insbesondere Mischungen aus einer ionischen Flüssigkeit und einem organischen Lösungsmittel sowie eines Polymeres können gute Gelpolymerelektrolyte ausbilden.The electrolyte may further contain polymers in addition to the conductive salt and the solvent. In particular, mixtures of an ionic liquid and an organic solvent as well as a polymer can form good gel polymer electrolytes.
Bevorzugte Polymere sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Homo- oder Copolymere von Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid (PPO), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyvinylidenfluorid-hexafluorpropylen (PVdF-HFP), Polyacrylnitril (PAN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyethylmethacrylat (PEMA), Polyvinylacetat (PVAc), Polyvinylchlorid (PVC), Polyphophazene, Polysiloxane, Polyvinylalkohol (PVA) und/oder Homo- und (Block-)Copolymere umfassend funktionelle Seitenketten ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ethylenoxid, Propylenoxid, Acrylnitril und/oder Siloxane.Preferred polymers are selected from the group comprising homo- or copolymers of polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene (PVdF-HFP), polyacrylonitrile (PAN), polymethylmethacrylate (PMMA), polyethylmethacrylate (PEMA), polyvinylacetate (PVAc), polyvinylchloride (PVC), polyphosphazenes, polysiloxanes, polyvinylalcohol (PVA) and / or homo- and (block-) Copolymers comprising functional side chains selected from the group comprising ethylene oxide, propylene oxide, acrylonitrile and / or siloxanes.
In einer sehr bevorzugten Ausführungsform ist das Lösungsmittel eine ionische Flüssigkeit ausgewählt aus der Gruppe umfassend Bis(trifluoromethansulfonyl)imid (EMI-TFSI), N-butyl-N-methylpyrrolidiniumbis (trifluoromethansulfonyl)imid (PYR14TFSI), N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis(fluorosulfonyl)imid (PYR13FSI) und/oder N-methyl-N-propylpyrrolidiniumbis(trifluoromethansulfonyl imid (PYR13TFSI).In a very preferred embodiment, the solvent is an ionic liquid selected from the group comprising bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (EMI-TFSI), N-butyl-N-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (PYR 14 TFSI), N-methyl-N- propylpyrrolidinium bis (fluorosulfonyl) imide (PYR 13 FSI) and / or N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl imide (PYR 13 TFSI).
Der Elektrolyt kann eine ionische Flüssigkeit oder ein Gemisch einer ionischen Flüssigkeit und eines organischen Lösungsmittels enthalten. The electrolyte may contain an ionic liquid or a mixture of an ionic liquid and an organic solvent.
Gemische ionischer Flüssigkeiten und organischer Lösungsmittels können höhere Leitfähigkeiten und niedrigere Schmelzpunkte aufweisen als reine ionische Flüssigkeiten. Weiter sind durch Mischung mit einem organischen Lösungsmittel Eigenschaften wie Viskosität oder der Schmelzpunkt gezielt beeinflussbar.Mixtures of ionic liquids and organic solvents may have higher conductivities and lower melting points than pure ionic liquids. Furthermore, properties such as viscosity or the melting point can be influenced in a targeted manner by mixing with an organic solvent.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das organische Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe umfassend aliphatische Kohlenwasserstoffe insbesondere Pentan, aromatische Kohlenwasserstoffe insbesondere Toluol, Alkene insbesondere Hexen, Alkine insbesondere Heptin, halogenierte Kohlenwasserstoffe insbesondere Chloroform oder Fluormethan, Alkohole insbesondere Ethanol, Glycole insbesondere Ethylenglycol und Diethylenglykol, Ether insbesondere Diethylether und Tetrahydrofuran, Ester insbesondere Ethylacetat, Carbonate insbesondere Diethylcarbonat, Lactone insbesondere gamma-Butyrolacton und gamma-Valerolacton, Acetate insbesondere Natriumacetat, Sulfone insbesondere Sulfolan, Sulfoxide insbesondere Dimethylsulfoxid, Amide insbesondere Essigsäure(trimethylsilyl)amid, Nitrile insbesondere Acetonitril, Amine insbesondere Dimethylamin, Ketone insbesondere Aceton, Aldehyde insbesondere Hexanal, Sulfide insbesondere Kohlenstoffdisulfid, Kohlensäureester insbesondere Dimethylcarbonat und Ethylencarbonat, Carbonsäuren insbesondere Ameisensäure, und/oder Harnstoffderivate insbesondere Dimethylpropylenharnstoff.In preferred embodiments, the organic solvent is selected from the group comprising aliphatic hydrocarbons, in particular pentane, aromatic hydrocarbons, in particular toluene, alkenes, in particular hexene, alkynes, in particular heptin, halogenated hydrocarbons, in particular chloroform or fluoromethane, alcohols, in particular ethanol, glycols, in particular ethylene glycol and diethylene glycol, ethers, in particular diethyl ether and tetrahydrofuran, esters, in particular ethyl acetate, carbonates, in particular diethyl carbonate, lactones, in particular gamma-butyrolactone and gamma-valerolactone, acetates, in particular sodium acetate, sulphones, in particular sulpholane, sulphoxides, in particular dimethyl sulphoxide, amides, in particular acetic acid (trimethylsilyl) amide, nitriles, in particular acetonitrile, amines, in particular dimethylamine, ketones in particular acetone, aldehydes, in particular hexanal, sulfides, in particular carbon disulfide, carbonic acid esters, in particular dimethyl carbonate and ethyl encarbonate, carboxylic acids, in particular formic acid, and / or urea derivatives, in particular dimethylpropyleneurea.
Die organischen Lösungsmittel können in vorteilhafter Weise einen guten Dissoziationsgrad des Leitsalzes im Elektrolyten unterstützen. Es ist vorteilhaft, dass im Elektrolyten das Leitsalz, beispielsweise LiTFSI, möglichst vollständig gelöst wird. Hierdurch kann eine Elektrolytlösung mit hoher Leitfähigkeit und hoher Ionenkonzentration zur Verfügung gestellt werden.The organic solvents can advantageously support a good degree of dissociation of the conductive salt in the electrolyte. It is advantageous that the conductive salt, for example LiTFSI, is dissolved as completely as possible in the electrolyte. As a result, an electrolytic solution having high conductivity and high ion concentration can be provided.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das organische Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ethylencarbonat, Fluorethylencarbonat, Propylencarbonat, Diethylcarbonat, Dimethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat, Acetonitril, Glutaronitril, Adiponitril, Pimelonitril, Fluoroethylencarbonat, gamma-Butyrolacton, gamma-Valerolacton, Dimethoxyethan, Dimethylsulfoxid, Vinylencarbonat, Vinylenethylencarbonat, 1,3-Dioxalan, Methylacetat und/oder Mischungen davon. Bevorzugte organische Lösungsmittel sind organische Carbonate und Mischungen aus organischen Carbonaten. Besonders bevorzugt ist das organische Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ethylencarbonat, Diethylcarbonat, Dimethylcarbonat, Vinylencarbonat und/oder deren Mischungen. Ethylencarbonat wird gemäß der IUPAC-Nomenklatur auch 1,3-Dioxolan-2-on benannt. Vorteilhaft ist, dass Ethylencarbonat eine hohe Leitfähigkeit und eine gute Salzdissoziation ermöglicht.In preferred embodiments, the organic solvent is selected from the group comprising ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, acetonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, pimelonitrile, fluoroethylene carbonate, gamma-butyrolactone, gamma-valerolactone, dimethoxyethane, dimethylsulfoxide, vinylene carbonate, vinyleneethylene carbonate, 1,3-dioxalane, methyl acetate and / or mixtures thereof. Preferred organic solvents are organic carbonates and mixtures of organic carbonates. The organic solvent is particularly preferably selected from the group comprising ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, vinylene carbonate and / or mixtures thereof. Ethylene carbonate is also named 1,3-dioxolan-2-one according to the IUPAC nomenclature. It is advantageous that ethylene carbonate enables high conductivity and good salt dissociation.
Organische Carbonate und Mischungen aus organischen Carbonaten als Lösungsmittel können in vorteilhafter Weise eine sehr hohe Leitfähigkeit der Elektrolytlösung zur Verfügung stellen.Organic carbonates and mixtures of organic carbonates as solvents can advantageously provide a very high conductivity of the electrolyte solution.
Die jeweils Kationen oder Anionen reversibel aufnehmenden und abgebenden Elektroden können Kompositelektroden sein, die neben dem jeweils Kationen oder Anionen reversibel aufnehmenden und abgebenden Material Binder und Additive enthalten können. Diese Elektrodenmaterialien werden meist auf eine Metallfolie oder eine kohlenstoffbasierte Stromsammlerfolie, die als Stromableiter fungiert, aufgebracht. Das Kationen oder Anionen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrodenmaterial wird üblicher Weise als Aktivmaterial bezeichnet. The respective cations or anions reversibly receiving and donating electrodes may be composite electrodes, which may contain binders and additives in addition to the respective cation or anion reversible receiving and donating material. These electrode materials are usually applied to a metal foil or a carbon-based current collector foil, which acts as a current conductor. The cation or anion reversible receiving and donating electrode material is commonly referred to as active material.
Die positive Elektrode, die Kathode, der insbesondere sekundären elektrochemischen Zelle kann Anionen reversibel aufnehmen und abgeben. The positive electrode, the cathode, in particular the secondary electrochemical cell can absorb and release anions reversibly.
Bei den erfindungsgemäßen Zellen umfasst die positive Elektrode bevorzugt eine Interkalationsverbindung, in die das Anion eingelagert werden kann. Insbesondere eignen sich Kohlenstoff- oder Metallverbindungen insbesondere Alkali-, Erdalkali- oder Übergangsmetallverbindungen wie Oxide, Halogenide, Phosphate, Chalkogenide wie Sulfide und Selenide, Silikate, Aluminate oder Hydroxide. Diese Verbindungen insbesondere auch Aluminate und Hydroxide sind häufig schichtförmige Verbindungen, die Anionen zwischen die Schichten einlagern können.In the cells according to the invention, the positive electrode preferably comprises an intercalation compound into which the anion can be incorporated. In particular, are carbon or Metal compounds in particular alkali, alkaline earth or transition metal compounds such as oxides, halides, phosphates, chalcogenides such as sulfides and selenides, silicates, aluminates or hydroxides. These compounds, in particular aluminates and hydroxides, are often layered compounds which can incorporate anions between the layers.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das Anionen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrodenmaterial ausgewählt aus der Gruppe umfassend In preferred embodiments, the anion is a reversibly accepting and donating electrode material selected from the group comprising
- – Kohlenstoff, Graphit, Graphen, oder Kohlenstoffnanoröhrchen,Carbon, graphite, graphene, or carbon nanotubes,
- – fluorierte Kohlenstoffe der Formel (CFx)n wobei x im Bereich von 0,01 bis 1,24 liegt und n im Bereich von 1 bis 1000 liegt, Fluorinated carbons of the formula (CF x ) n where x is in the range of 0.01 to 1.24 and n is in the range of 1 to 1000,
- – Kohlenstoffoxide der Formel (COy)m, die bei Raumtemperatur fest sind und wobei y im Bereich von 0,01 bis 1 liegt und m im Bereich von 1 bis 100 liegt,Carbon oxides of the formula (CO y ) m , which are solid at room temperature and where y is in the range of 0.01 to 1 and m is in the range of 1 to 100,
- – Sulfide MzSy von Übergangsmetallen M ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cd, Ta, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Sn und/oder Al, wobei y im Bereich von 1 bis 10 liegt und z im Bereich von 1 bis 3 liegt,Sulfides M z S y of transition metals M selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cd, Ta, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Sn and / or Al, where y is in the range of 1 to 10 and z is in the range of 1 to 3,
- – Selenide MzSey von Übergangsmetallen M ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cd, Ta, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Sn und/oder Al, wobei y im Bereich von 1 bis 10 liegt und z im Bereich von 1 bis 3 liegt,- Selenide M z Se y of transition metals M selected from the group comprising Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cd, Ta, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Sn and / or Al, where y is in the range of 1 to 10 and z is in the range of 1 to 3,
- – Telluride MzTey von Übergangsmetallen M ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cd, Ta, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Sn und/oder Al, wobei y im Bereich von 1 bis 10 liegt und z im Bereich von 1 bis 3 liegt,- Telluride M z Te y of transition metals M selected from the group comprising Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cd, Ta, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Sn and / or Al, where y is in the range of 1 to 10 and z is in the range of 1 to 3,
- – komplexe Halogenide von Metallen ausgewählt aus der Gruppe umfassend Na, Mg, Al, Si, P, S, K, Ca, Ti, Zn, Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, V, Zr, Nb, Mo und/oder Sn,Complex halides of metals selected from the group consisting of Na, Mg, Al, Si, P, S, K, Ca, Ti, Zn, Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, V, Zr, Nb, Mo and / or Sn,
- – anioneninsertierende Metall-Oxide der Übergangsmetalle, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend W, Mo, Cr, V und/oder Ti, Anion-imparting metal oxides of the transition metals, preferably selected from the group comprising W, Mo, Cr, V and / or Ti,
- – Metall-Silikate der Formel Men[(SixOy)4x-2y], wobei Me ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Fe, Li, Ni, Ti, Na, K, Ba, Ca, Mg, Mn, Co, Al, Sn, Ag, Au, Cu und/oder Sb, und 1 ≤ x ≤ 65, 1 ≤ y ≤ 130 und 1 ≤ n ≤ 12, wobei Si bis zu einem Verhältnis von 1:1 durch Al ersetzt werden kann, Metal silicates of the formula Me n [(Si x O y ) 4x-2y ], where Me is selected from the group consisting of Fe, Li, Ni, Ti, Na, K, Ba, Ca, Mg, Mn, Co, Al, Sn, Ag, Au, Cu and / or Sb, and 1 ≦ x ≦ 65, 1 ≦ y ≦ 130 and 1 ≦ n ≦ 12, where Si can be replaced by Al up to a ratio of 1: 1,
- – Metall-Aluminate der Formel (MeAl(OH)x), wobei Me ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Fe, Li, Ni, Ti, Na, K, Ba, Ca, Mg, Mn, Co, Al, Sn, Ag, Au, Cu und/oder Sb und 2 ≤ x ≤ 7, und/oderMetal aluminates of the formula (MeAl (OH) x ) where Me is selected from the group consisting of Fe, Li, Ni, Ti, Na, K, Ba, Ca, Mg, Mn, Co, Al, Sn, Ag, Au, Cu and / or Sb and 2 ≤ x ≤ 7, and / or
- – schichtförmige, gemischte Metallhydroxide entsprechend im Wesentlichen der allgemeinen Formel: MmDdT(OH)(3+m+d), worin M ist ein Metallkation ausgewählt aus der Gruppe der Erdalkali- und Alkalimetalle, bevorzugt Li, Na, Mg, Ca, und/oder K, besonders bevorzugt Li und Ca und insbesondere bevorzugt Ca, und m liegt im Bereich von 0 bis 8, D ist wenigstens ein zweiwertiges Metallkation aus der Gruppe umfassend Mg, Ca, Mn, Fe, Co, Ni, Cu und/oder Zn, und d im Bereich von 0 bis 8 liegt, T ist eine Einheitsmenge von wenigstens einem dreiwertigen Metallkation ausgewählt aus der Gruppe umfassend Al, Ga, Fe und/oder Cr, und (3 + m + d) entspricht der Anzahl von OH-Gruppen, die im Wesentlichen die Wertigkeitserfordernisse von M, D und T erfüllt, wobei m + d nicht gleich null ist. - layered, mixed metal hydroxides corresponding essentially to the general formula: M m D d T (OH) (3 + m + d) , where M is a metal cation selected from the group of alkaline earth and alkali metals, preferably Li, Na, Mg, Ca, and / or K, particularly preferably Li and Ca and particularly preferably Ca, and m is in the range of 0 to 8, D is at least one bivalent metal cation from the group comprising Mg, Ca, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and / or Zn, and d is in the range of 0 to 8, T is a unit amount of at least one trivalent metal cation selected from the group comprising Al, Ga, Fe and / or Cr, and (3 + m + d) corresponds to the number of OH groups that substantially satisfy the valency requirements of M, D, and T, where m + d is not equal to zero.
Bevorzugt ist das Anionen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrodenmaterial kohlenstoffbasiert. Unter dem Begriff "kohlenstoffbasiert" sind im Sinne der vorliegenden Erfindung kohlenstoffhaltige bzw. -reiche Materialien wie Graphit, Pech bzw. Teer, Pechkohle, Koks, synthetischer Graphit, Russ, lamellarer Graphit, oder Mischungen davon zu verstehen. Preferably, the anions are carbon-based reversibly receiving and donating electrode material. For the purposes of the present invention, the term "carbon-based" is to be understood as meaning carbonaceous or rich materials such as graphite, pitch or tar, pitch coal, coke, synthetic graphite, carbon black, lamellar graphite, or mixtures thereof.
Bevorzugt ist das Anionen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrodenmaterial ausgebildet aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Kohlenstoff, Graphit, Graphen oder Kohlenstoffnanoröhrchen. Kohlenstoff und Graphit weisen besonders gute interkalierende und deinterkalierende Eigenschaften für Anionen auf.Preferably, the anions are reversibly receiving and donating electrode material formed of a material selected from the group comprising carbon, graphite, graphene or carbon nanotubes. Carbon and graphite have particularly good intercalating and deintercalating properties for anions.
Die Anionen aus dem Elektrolyt können zwischen die Schichtgitterebenen des Graphits interkalieren und/oder an Graphitschichten von ungeordneten Kohlenstoffen an- oder einlagern. Kohlenstoffmaterialien sind besonders gut geeignet, wenn sie eine teilweise graphitische Struktur aufweisen. Aber auch poröses kohlenstoffhaltiges bzw. -reiches Material kann innerhalb seines Kristallgitters reversibel Anionen interkalieren. Die interkalierenden Kohlenstoffe oder Graphite interkalieren die Anionen vorzugsweise ohne ihre Solvathülle.The anions from the electrolyte may intercalate between the layer lattice planes of the graphite and / or deposit or intercalate with graphite layers of disordered carbons. Carbon materials are particularly well suited if they have a partial graphitic structure. But even porous carbon-rich material can intercalate reversible anions within its crystal lattice. The intercalating carbons or graphites preferably intercalate the anions without their solvation sheath.
Verwendbar sind insbesondere bei der technischen Verarbeitung anfallende Kohlenstoffe wie Ruß, Aktivkohle, amorpher Kohlenstoff, Kohlenstofffasern, Graphite, Graphene, Graphitoxide, sowie Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanoschaum, amorpher Kohlenstoff oder Mischungen davon. In particular, in the technical processing occurring carbons such as carbon black, activated carbon, amorphous carbon, carbon fibers, graphites, graphenes, graphite oxides, as well as carbon nanotubes, carbon nanofoam, amorphous carbon or mixtures thereof can be used.
Kohlenstoffpartikel können amorph, kristallin, oder teilkristallin sein. Insbesondere amorpher oder teilkristalliner Kohlenstoff sogenannte soft oder hard carbons sind bevorzugt verwendbar. Beispiele für amorphen Kohlenstoff sind beispielsweise Ketjenblack, Acetylenschwarz oder Ruß. Bevorzugt verwendbar sind kristalline Kohlenstoffmodifikationen, beispielesweise Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, sogenannte Kohlenstoffnanotubes, sowie Fullerene oder Mischungen davon. Ebenso bevorzugt verwendbar wie kristalline Kohlenstoffmodifikationen ist sogenannter VGCF Kohlenstoff (vapour grown carbon fibers).Carbon particles may be amorphous, crystalline or partially crystalline. In particular, amorphous or partially crystalline carbon so-called soft or hard carbons are preferably used. Examples of amorphous carbon are, for example, Ketjenblack, acetylene black or carbon black. Preference is given to using crystalline carbon modifications, for example graphite, carbon nanotubes, so-called carbon nanotubes, as well as fullerenes or mixtures thereof. Also preferably usable as crystalline carbon modifications is so-called VGCF carbon (vapor grown carbon fibers).
Weiter bevorzugt verwendbar sind temperaturbehandelte Kohlenstoffe wie Graphenoxide. Eine Wärmebehandlung kohlenstoffhaltiger bzw. -reicher Materialien erhöht deren Kristallinität und kann die Fähigkeit Anionen einzulagern erhöhen. Temperaturbehandelte Kohlenstoffe sind vorzugsweise bei Raumtemperatur fest. Bevorzugt sind auch Graphen, Graphit und/oder teilweise graphitierte Kohlenstoffe. Graphit und teilweise graphitierte Kohlenstoffe können besonders gut Anionen zwischen die Schichtgitterebenen des Graphits interkalieren. Further preferably usable are temperature-treated carbons such as graphene oxides. Heat treatment of carbonaceous materials increases their crystallinity and may increase the ability to incorporate anions. Temperature treated carbons are preferably solid at room temperature. Also preferred are graphene, graphite and / or partially graphitized carbons. Graphite and partially graphitized carbons are particularly good at intercalating anions between the layer lattice planes of the graphite.
Verwendbare Graphit- oder Kohlenstoffpartikel weisen vorzugsweise einen mittleren Durchmesser im Bereich von ≥ 2 nm bis ≤ 50 µm, bevorzugt im Bereich von ≥ 10 nm bis ≤ 30 µm, besonders bevorzugt im Bereich von ≥ 30 nm bis ≤ 30 µm, auf. Useful graphite or carbon particles preferably have an average diameter in the range of ≥ 2 nm to ≦ 50 μm, preferably in the range of ≥ 10 nm to ≦ 30 μm, particularly preferably in the range of ≥ 30 nm to ≦ 30 μm.
Verwendbar sind diskrete Partikel, beispielsweise in Form von Kugeln, wie Kugelgraphit, Flocken, Körnern oder Stäbchen, sogenannten Nanotubes. Das Graphit- oder Kohlenstoffmaterial ist insbesondere in Pulverform verwendbar. Insbesondere pulverförmiger Kohlenstoff und Graphit kann mit einem Binder gut zu einer Kompositelektrode verarbeitet werden.Useful are discrete particles, for example in the form of spheres, such as spheroidal graphite, flakes, grains or rods, so-called nanotubes. The graphite or carbon material is particularly useful in powder form. In particular, powdered carbon and graphite can be well processed with a binder into a composite electrode.
Die Elektroden sind üblicher Weise Kompositelektroden, die neben den die jeweiligen Ionen reversibel aufnehmenden und abgebenden bzw. interkalierenden und deinterkalierenden Materialien Binder und Additive enthalten können. Diese Elektrodenmaterialien werden meist auf eine Metallfolie oder eine kohlenstoffbasierte Stromsammlerfolie, die als Stromableiter fungiert, aufgebracht.The electrodes are usually composite electrodes, which may contain binders and additives in addition to the materials reversibly receiving and donating or intercalating and deintercalating the respective ions. These electrode materials are usually applied to a metal foil or a carbon-based current collector foil, which acts as a current conductor.
Typische weitere Bestandteile einer Elektrode sind neben dem Anionen oder Kationen reversibel aufnehmenden und abgebenden Elektroden- oder Aktivmaterial Additive und Binder. Das Gesamtgewicht der Elektrode umfasst daher das Anionen oder Kationen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrodenmaterial und weiterhin Additiv und/oder Binder. Typical further constituents of an electrode are, in addition to the anions or cations, reversible receiving and donating electrode or active material additives and binders. The total weight of the electrode therefore includes the anion or cation reversibly receiving and donating electrode material and further additive and / or binder.
Geeignete Binder sind beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidendifluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer (PVDF-HFP), Styrol-Butadien Elastomer (SBR), Carboxymethylcellulosen (CMC) insbesondere Natrium-Carboxymethylcellulose (Na-CMC), oder Polyvinylidendifluorid (PVDF). Geeignete Additive sind insbesondere Leitfähigkeitszusätze wie Metallpartikel, beispielsweise Kupferpartikel, insbesondere Metallpartikel mit einer Größe im Nanometerbereich, sowie leitfähige Kohlenstoffmaterialien insbesondere Ruße, Kohlenstofffasern, Graphite, Kohlenstoffnanoröhrchen oder deren Mischungen. Geeignete Ruße sind beispielsweise die unter der englischen Bezeichnung Carbon Black bekannten feinteiligen Industrie-Ruße. Suitable binders are, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene difluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-HFP), styrene-butadiene elastomer (SBR), carboxymethylcelluloses (CMC), in particular sodium carboxymethylcellulose (Na-CMC), or polyvinylidene difluoride (PVDF). Suitable additives are in particular conductivity additives such as metal particles, for example copper particles, in particular metal particles with a size in the nanometer range, and conductive carbon materials, in particular carbon blacks, carbon fibers, graphites, carbon nanotubes or mixtures thereof. Suitable carbon blacks are, for example, the finely divided industrial carbon blacks known by the name carbon black.
Vorzugsweise umfasst die Anionen reversibel interkalierende und deinterkalierende Elektrode Kohlenstoff und/oder Graphit im Bereich von ≥ 70 Gew.-% bis ≤ 100 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von ≥ 80 Gew.-% bis ≤ 98 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von ≥ 90 Gew.-% bis ≤ 97 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode. Der Anteil von ≥ 70 Gew.-% der Elektrode, der in einer dualen Einlagerungszelle aus der aus Kohlenstoff und/oder Graphit ausgebildeten Anioneninterkalationsverbindung ausgebildet wird, macht einen wesentlichen Unterschied zu üblichen Lithium-Ionen Batterie-Kathoden aus, die Kohlenstoff und Graphit als Additiv lediglich in geringen Mengen von ca. 10 Gew.-% enthalten.Preferably, the anions comprise reversibly intercalating and deintercalating electrode carbon and / or graphite in the range of ≥ 70 wt .-% to ≤ 100 wt .-%, preferably in the range of ≥ 80 wt .-% to ≤ 98 wt .-%, preferably in the range of ≥ 90 wt .-% to ≤ 97 wt .-%, based on the total weight of the electrode. The proportion of ≥70% by weight of the electrode formed in a dual interstitial cell of the anion intercalation compound formed of carbon and / or graphite makes a significant difference to conventional lithium ion battery cathodes containing carbon and graphite as an additive contained only in small amounts of about 10 wt .-%.
Weitere verwendbare Kohlenstoffverbindungen sind fluorierte Kohlenstoffe der Formel (CFx)n wobei x im Bereich von 0,01 bis 1,24 liegt und n im Bereich von 1 bis 1000 liegt, sowie Kohlenstoffoxide der Formel (COy)m, die bei Raumtemperatur fest sind, und wobei y im Bereich von 0,01 bis 1 liegt und m im Bereich von 1 bis 100 liegt. Ein Beispiel fluorierte Kohlenstoffe ist LiCFx. Ein Beispiel für geeignete Kohlenstoffoxide sind temperatur- und sauerstoffbehandelte Graphite.Other useful carbon compounds are fluorinated carbons of the formula (CF x ) n where x is in the range of 0.01 to 1.24 and n is in the range of 1 to 1000 and carbon oxides of the formula (CO y ) m which are solid at room temperature and y is in the range of 0.01 to 1 and m is in the range of 1 to 100. An example of fluorinated carbons is LiCF x . An example of suitable carbon oxides are temperature- and oxygen-treated graphites.
Eine weitere Gruppe von vorteilhaft verwendbaren Anionen reversibel aufnehmenden und abgebenden Verbindungen sind Übergangsmetall-Chalkogenide. Bevorzugt sind Sulfide, Selenide und Telluride der Formeln MzSy, MzSey und MzTey von Übergangsmetallen M ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cd, Ta, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Sn und/oder Al, wobei y im Bereich von 1 bis 10 liegt und z im Bereich von 1 bis 3 liegt. Bevorzugte Übergangsmetalle M sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ti, V, Cr, Ni und/oder Mo. Besonders vorteilhaft verwendbar sind Sulfide wie TiS2 und NiS. Auch verwendbar sind Selenide wie TiSe2. Another group of advantageously usable anions reversibly accepting and donating compounds are transition metal chalcogenides. Preference is given to sulfides, selenides and tellurides of the formulas M z S y , M z Se y and M z Te y of transition metals M selected from the group comprising Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cd, Ta, Ni, Cu , Zn, Zr, Nb, Mo, Sn and / or Al, where y is in the range of 1 to 10 and z is in the range of 1 to 3. Preferred transition metals M are selected from the group comprising Ti, V, Cr, Ni and / or Mo. Sulfides such as TiS 2 and NiS are particularly advantageous. Also useful are selenides such as TiSe 2 .
Auch bevorzugt verwendbar sind komplexe Halogenide von Metallen ausgewählt aus der Gruppe umfassend Na, Mg, Al, Si, P, S, K, Ca, Ti, Zn, Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, V, Zr, Nb, Mo und/oder Sn. Unter dem Begriff „komplexe Halogenide“ sind im Sinne der vorliegenden Erfindung Verbindungen zu verstehen, bei denen die Halogenide als Komplexliganden vorliegen. Insbesondere sind die komplexen Halogenide im Elektrolyten nicht löslich und liegen bei Raumtemperatur (20 ± 2°C) festförmig vor. Beispiele für bevorzugt verwendbare komplexe Halogenide sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Chiolith (Na5Al3F14), Usovit (Ba2CaMgAl2F14) und/oder Kryptophalit ((NH4)2SiF6).Also preferably usable are complex halides of metals selected from the group consisting of Na, Mg, Al, Si, P, S, K, Ca, Ti, Zn, Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, V, Zr, Nb , Mo and / or Sn. For the purposes of the present invention, the term "complex halides" is to be understood as meaning compounds in which the halides are present as complex ligands. In particular, the complex halides are insoluble in the electrolyte and are solid at room temperature (20 ± 2 ° C). Examples of preferably usable complex halides are selected from the group comprising chiolith (Na 5 Al 3 F 14 ), usovite (Ba 2 CaMgAl 2 F 14 ) and / or cryptophalite ((NH 4 ) 2 SiF 6 ).
Weiter besonders gut verwendbare Verbindungen sind anioneninsertierende Metall-Oxide der Übergangsmetalle, bevorzugt von Übergangsmetallen ausgewählt aus der Gruppe umfassend W, Mo, Cr, V und/oder Ti. Insbesondere bevorzugt verwendbar sind Metall-Oxide ausgewählt aus der Gruppe umfassend MoO, MoO2, TiO2 und/oder WO2.Further particularly useful compounds are anion-donating metal oxides of the transition metals, preferably of transition metals selected from the group comprising W, Mo, Cr, V and / or Ti. Particular preference is given to using metal oxides selected from the group comprising MoO, MoO 2 , TiO 2 and / or WO 2 .
Auch gut verwendbare Verbindungen sind insbesondere schichtförmige Metall-Silikate der Formel Men[(SixOy)4x-2y], wobei Me ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Fe, Li, Ni, Ti, Na, K, Ba, Ca, Mg, Mn, Co, Al, Sn, Ag, Au, Cu und/oder Sb, 1 ≤ n ≤ 12 und 1 ≤x ≤ 65 und 1 ≤ y ≤ 130. Bei den Metall-Silikaten der Formel Men[(SixOy)4x-2y] kann Si bis zu einem Verhältnis von 1:1 durch Al ersetzt sein. Bevorzugte Metalle Me sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Li, Na, Ca, Ba und/oder Fe, insbesondere Li, Na und Fe. Besonders vorteilhaft verwendbar sind Metall-Silikate ausgewählt aus der Gruppe umfassend Li2FeSiO4, Li2CoSiO4, Li2MnSiO4 und/oder NaFeSiO4.Also useful compounds are in particular layered metal silicates of the formula Me n [(Si x O y ) 4x-2y ], wherein Me is selected from the group consisting of Fe, Li, Ni, Ti, Na, K, Ba, Ca, Mg, Mn, Co, Al, Sn, Ag, Au, Cu and / or Sb, 1 ≤ n ≤ 12 and 1 ≤x ≤ 65 and 1 ≤ y ≤ 130. In the metal silicates of the formula Me n [(Si x O y ) 4x-2y ], Si may be replaced by Al up to a ratio of 1: 1. Preferred metals Me are selected from the group comprising Li, Na, Ca, Ba and / or Fe, in particular Li, Na and Fe. Metal silicates selected from the group comprising Li 2 FeSiO 4 , Li 2 CoSiO 4 , Li 2 MnSiO 4 and / or NaFeSiO 4 are particularly advantageously usable.
Weiter verwendbare Verbindungen sind insbesondere schichtförmige Metall-Aluminate der Formel (MeAl(OH)x) wobei Me ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Fe, Li, Ni, Ti, Na, K, Ba, Ca, Mg, Mn, Co, Al, Sn, Ag, Au, Cu und/oder Sb und 2 ≤ x ≤ 7. Bevorzugt sind NaAl(OH)4 und KAl(OH)4. Further usable compounds are, in particular, layered metal aluminates of the formula (MeAl (OH) x ) where Me is selected from the group consisting of Fe, Li, Ni, Ti, Na, K, Ba, Ca, Mg, Mn, Co, Al, Sn, Ag, Au, Cu and / or Sb and 2 ≤ x ≤ 7. Preference is given to NaAl (OH) 4 and KAl (OH) 4 .
Weiter verwendbare Verbindungen sind insbesondere schichtförmige Metallhydroxide entsprechend im Wesentlichen der allgemeinen Formel MmDdT(OH)(3+m+d), worin M ist ein Metallkation ausgewählt aus der Gruppe der Erdalkali- und Alkalimetalle, und m liegt im Bereich von 0 bis 8, D ist wenigstens ein zweiwertiges Metallkation aus der Gruppe umfassend Mg, Ca, Mn, Fe, Co, Ni, Cu und/oder Zn, und d im Bereich von 0 bis 8 liegt, T ist eine Einheitsmenge von wenigstens einem dreiwertigen Metallkation ausgewählt aus der Gruppe umfassend Al, Ga, Fe und/oder Cr, und (3 + m + d) entspricht der Anzahl von OH-Gruppen, die im Wesentlichen die Wertigkeitserfordernisse von M, D und T erfüllt, wobei m + d nicht gleich null ist.Further usable compounds are in particular layered metal hydroxides corresponding essentially to the general formula M m D d T (OH) (3 + m + d) , where M is a metal cation selected from the group of alkaline earth and alkali metals, and m is in the range of 0 to 8, D is at least one divalent metal cation selected from the group consisting of Mg, Ca, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and / or Zn, and d is in the range of 0 to 8, T is a unit amount of at least one trivalent one Metal cation selected from the group comprising Al, Ga, Fe and / or Cr, and (3 + m + d) corresponds to the number of OH groups that substantially satisfies the valence requirements of M, D and T, where m + d does not is equal to zero.
Diese Metallhydroxide werden aufgrund der verschiedenen Metallkationen M, D und T auch als „gemischte“ Metallhydroxide bezeichnet. Der Begriff entsprechend „im Wesentlichen“ hat im Sinne der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die allgemeine Formel MmDdT(OH)(3+m+d) die Bedeutung, dass sich die Summe der Valenzen der elektropositiven und elektronegativen Elemente ausgleichen.These metal hydroxides are also referred to as "mixed" metal hydroxides because of the different metal cations M, D and T. The term "substantially" in the sense of the present invention has the meaning, with respect to the general formula M m D d T (OH) (3 + m + d) , that the sum of the valences of the electropositive and electronegative elements is balanced out.
Bevorzugt sind Metallhydroxide von Erdalkali- und Alkalimetallen ausgewählt aus der Gruppe umfassend Li, Na, Mg, Ca und/oder K, besonders bevorzugt von Lithium und/oder Calcium und insbesondere bevorzugt von Calcium. Ein weiter bevorzugtes Metallhydroxid ist [MgdAl(OH)3+d] wobei d zwischen 0,5 und 4 liegt.Preference is given to metal hydroxides of alkaline earth metals and alkali metals selected from the group comprising Li, Na, Mg, Ca and / or K, more preferably of lithium and / or calcium and particularly preferably of calcium. A further preferred metal hydroxide is [Mg d Al (OH) 3 + d ] where d is between 0.5 and 4.
Die negative Elektrode, die Anode, der insbesondere sekundären elektrochemischen Zelle kann Kationen reversibel aufnehmen und abgeben. Die Kationen sind insbesondere die Kationen des Leitsalzes des Elektrolyten. Bevorzugte Kationen sind Lithium und Natrium, insbesondere Lithium.The negative electrode, the anode, in particular the secondary electrochemical cell can absorb and release cations reversibly. The cations are in particular the cations of the conductive salt of the electrolyte. Preferred cations are lithium and sodium, in particular lithium.
Bei den erfindungsgemäßen Zellen ist die negative Elektrode bevorzugt eine Interkalationsverbindung, in die das Kation eingelagert werden kann. Insbesondere eignen sich Kohlenstoffverbindungen, Metalle und Metalllegierungen, oder Metallverbindungen insbesondere Alkali-, Erdalkali- oder Übergangsmetallverbindungen wie Alkali- und Erdalkalimetalli-Titanate.In the case of the cells according to the invention, the negative electrode is preferably an intercalation compound into which the cation can be incorporated. In particular, carbon compounds, metals and metal alloys, or metal compounds, in particular alkali, alkaline earth or transition metal compounds such as alkali metal and Erdalkalimetalli-titanates are.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das Kationen, bevorzugt Lithium und Natrium, insbesondere Lithium, reversibel aufnehmende und abgebende Elektrodenmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend
- – Kohlenstoff insbesondere amorphe oder teilkristalline Kohlenstoffpartikel, Graphite, Graphene,
- – fluorierte Kohlenstoffe der Formel (CFx)n wobei x
im Bereich von 0,01bis 1,24 liegt und nim Bereich von 1 bis 1000 liegt, - – Metalle und Metalllegierungen von Metallen ausgewählt aus der Gruppe umfassend Li, Ni, Ti, Na, K, Ba, Ca, Mg, Ga, Ge, In, V, Si, Al, Sn, Ag, Au, Cu und/oder Sb,
- – Phosphide der Formel MkPx mit Px k- oder Px (x+2)-,
wobei 1 ≤ x ≤ 8 und 1 ≤ k ≤ 7, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe der Alkali-, Erdalkali- und Übergangsmetalle, - – Metall-Oxide der Übergangsmetalle, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend W, Mo, Cr, V und/oder Ti,
- – Sulfide MzSy von Übergangsmetallen M ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cd, Ta, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Sn und/oder Al wobei y
im Bereich von 1bis 10 liegt und zim Bereich von 1 bis 3 liegt, - – Metallfluoride mit einem oder mehreren Metallen ausgewählt aus der Gruppe umfassend Fe, Cr, Nb, Rh, Ag, Au, Se, Co, Te, Ni, Cu, V, Mo, Pb, Sb, Bi und/oder Si,
- – Alkali- und Erdalkalimetall-Titanate mit der Formel AxTiyO4 oder EA0,5x TiyO4,
0,8 ≤ x ≤ 1,4wobei 1,6 ≤ y ≤ 2,2 ist, und/oderund - – Alkali- und Erdalkalimetall-Cuprate der Formeln AxCuyO2 oder EAx/2CuyO2,
0,8 ≤ x ≤ 1,2wobei und 0,7 ≤ y ≤ 1,25.
- Carbon, in particular amorphous or semi-crystalline carbon particles, graphites, graphenes,
- Fluorinated carbons of the formula (CF x ) n where x is in the range of 0.01 to 1.24 and n is in the range of 1 to 1000,
- Metals and metal alloys of metals selected from the group consisting of Li, Ni, Ti, Na, K, Ba, Ca, Mg, Ga, Ge, In, V, Si, Al, Sn, Ag, Au, Cu and / or Sb .
- - Phosphide of the formula M k P x with P x k or P x (x + 2) - , wherein 1 ≤ x ≤ 8 and 1 ≤ k ≤ 7, wherein M is selected from the group of alkali, alkaline earth and transition metals
- Metal oxides of the transition metals, preferably selected from the group comprising W, Mo, Cr, V and / or Ti,
- Sulfides M z S y of transition metals M selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cd, Ta, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Sn and / or Al wherein y im Range is from 1 to 10 and z ranges from 1 to 3,
- Metal fluorides with one or more metals selected from the group consisting of Fe, Cr, Nb, Rh, Ag, Au, Se, Co, Te, Ni, Cu, V, Mo, Pb, Sb, Bi and / or Si,
- Alkali metal and alkaline earth metal titanates having the formula A x Ti y O 4 or EA 0.5 x Ti y O 4 , where 0.8 ≤ x ≤ 1.4 and 1.6 ≤ y ≤ 2.2, and / or
- - Alkali and alkaline earth metal cuprates of the formulas A x Cu y O 2 or EA x / 2 Cu y O 2 , wherein 0.8 ≤ x ≤ 1.2 and 0.7 ≤ y ≤ 1.25.
Bevorzugt ist das Kationen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrodenmaterial kohlenstoffbasiert, beispielsweise ein kohlenstoffhaltiges bzw. -reiches Material wie Graphit, Pech bzw. Teer, Pechkohle, Koks, synthetischer Graphit, Russ, lamellarer Graphit, oder Mischungen davon zu verstehen. Preferably, the cation reversibly receiving and donating electrode material is carbon-based, for example, a carbonaceous material such as graphite, pitch or tar, pitch coal, coke, synthetic graphite, soot, lamellar graphite, or mixtures thereof to understand.
Bevorzugt ist das Kationen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrodenmaterial ausgebildet aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Kohlenstoff, insbesondere amorphe, kristalline oder teilkristalline Kohlenstoffpartikel, Graphite und Graphene. Preferably, the cation is reversibly receiving and donating electrode material formed of a material selected from the group comprising carbon, in particular amorphous, crystalline or partially crystalline carbon particles, graphites and graphenes.
Kohlenstoffmaterialien sind besonders gut geeignet, wenn sie eine teilweise graphitische Struktur aufweisen, aber auch poröses kohlenstoffhaltiges bzw. -reiches Material ist geeignet. Verwendbar sind insbesondere bei der technischen Verarbeitung anfallende Kohlenstoffe wie Ruß, Aktivkohle, amorpher Kohlenstoff, Kohlenstofffasern, Graphite, Graphene, Graphitoxide, sowie Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanoschaum, amorpher Kohlenstoff oder Mischungen davon. Carbon materials are particularly well suited if they have a partial graphitic structure, but also porous carbonaceous material is suitable. In particular, in the technical processing occurring carbons such as carbon black, activated carbon, amorphous carbon, carbon fibers, graphites, graphenes, graphite oxides, as well as carbon nanotubes, carbon nanofoam, amorphous carbon or mixtures thereof can be used.
Kohlenstoffpartikel können amorph, kristallin, oder teilkristallin sein. Insbesondere amorpher oder teilkristalliner Kohlenstoff sogenannte soft oder hard carbons sind bevorzugt verwendbar. Beispiele für amorphen Kohlenstoff sind beispielsweise Ketjenblack, Acetylenschwarz oder Ruß. Bevorzugt verwendbar sind kristalline Kohlenstoffmodifikationen, beispielesweise Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, sogenannte Kohlenstoffnanotubes, sowie Fullerene oder Mischungen davon. Ebenso bevorzugt verwendbar wie kristalline Kohlenstoffmodifikationen ist sogenannter VGCF Kohlenstoff (vapour grown carbon fibers).Carbon particles may be amorphous, crystalline or partially crystalline. In particular, amorphous or partially crystalline carbon so-called soft or hard carbons are preferably used. Examples of amorphous carbon are, for example, Ketjenblack, acetylene black or carbon black. Preference is given to using crystalline carbon modifications, for example graphite, carbon nanotubes, so-called carbon nanotubes, as well as fullerenes or mixtures thereof. Also preferably usable as crystalline carbon modifications is so-called VGCF carbon (vapor grown carbon fibers).
Weiter bevorzugt verwendbar sind temperaturbehandelte Kohlenstoffe wie Graphenoxide. Eine Wärmebehandlung kohlenstoffhaltiger bzw. -reicher Materialien erhöht deren Kristallinität und kann die Fähigkeit Kationen einzulagern erhöhen. Temperaturbehandelte Kohlenstoffe sind vorzugsweise bei Raumtemperatur fest. Bevorzugt sind auch Graphen, Graphit und/oder teilweise graphitierte Kohlenstoffe. Graphit und teilweise graphitierte Kohlenstoffe können besonders gut Kationen zwischen die Schichtgitterebenen des Graphits interkalieren. Further preferably usable are temperature-treated carbons such as graphene oxides. Heat treatment of carbonaceous materials increases their crystallinity and may increase the ability to incorporate cations. Temperature treated carbons are preferably solid at room temperature. Also preferred are graphene, graphite and / or partially graphitized carbons. Graphite and partially graphitized carbons are particularly good at intercalating cations between the lattice planes of the graphite.
Verwendbare Graphit- oder Kohlenstoffpartikel weisen vorzugsweise einen mittleren Durchmesser im Bereich von ≥ 2 nm bis ≤ 50 µm, bevorzugt im Bereich von ≥ 10 nm bis ≤ 30 µm, besonders bevorzugt im Bereich von ≥ 30 nm bis ≤ 30 µm, auf. Useful graphite or carbon particles preferably have an average diameter in the range of ≥ 2 nm to ≦ 50 μm, preferably in the range of ≥ 10 nm to ≦ 30 μm, particularly preferably in the range of ≥ 30 nm to ≦ 30 μm.
Verwendbar sind diskrete Partikel, beispielsweise in Form von Kugeln, wie Kugelgraphit, Flocken, Körnern oder Stäbchen, sogenannten Nanotubes. Das Graphit- oder Kohlenstoffmaterial ist insbesondere in Pulverform verwendbar. Insbesondere pulverförmiger Kohlenstoff und Graphit kann mit einem Binder gut zu einer Kompositelektrode verarbeitet werden.Useful are discrete particles, for example in the form of spheres, such as spheroidal graphite, flakes, grains or rods, so-called nanotubes. The graphite or carbon material is particularly useful in powder form. In particular, powdered carbon and graphite can be well processed with a binder into a composite electrode.
Vorzugsweise ist das Kationen, insbesondere Lithium, reversibel aufnehmende und abgebende Elektrodenmaterial kohlenstoffbasiert. Vorzugsweise umfasst die Kationen reversibel interkalierende und deinterkalierende Elektrode Kohlenstoff und/oder Graphit im Bereich von ≥ 70 Gew.-% bis ≤ 100 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von ≥ 80 Gew.-% bis ≤ 98 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von ≥ 90 Gew.-% bis ≤ 97 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode. Preferably, the cation, in particular lithium, reversible receiving and donating electrode material is carbon-based. Preferably, the cations comprise reversibly intercalating and deintercalating electrode carbon and / or graphite in the range of ≥ 70 wt .-% to ≤ 100 wt .-%, preferably in the range of ≥ 80 wt .-% to ≤ 98 wt .-%, preferably in the range of ≥ 90 wt. -% to ≤ 97 wt .-%, based on the total weight of the electrode.
Weitere verwendbare Kohlenstoffverbindungen sind fluorierte Kohlenstoffe der Formel (CFx)n wobei x im Bereich von 0,01 bis 1,24 liegt und n im Bereich von 1 bis 1000 liegt.Other useful carbon compounds are fluorinated carbons of the formula (CF x ) n where x is in the range of 0.01 to 1.24 and n is in the range of 1 to 1000.
Weiterhin besonders vorteilhaft verwendbar sind Metalle und Metalllegierungen von Metallen ausgewählt aus der Gruppe umfassend Li, Ni, Ti, Na, K, Ba, Ca, Mg, Ga, Ge, In, V, Si, Al, Sn, Ag, Au, Cu und/oder Sb. Insbesondere Metalle und Metalllegierungen von Metallen ausgewählt aus der Gruppe umfassend Li, Si und/oder Sn sind bevorzugt. Besonders bevorzugt sind Lithium und Silizium und deren Metalllegierungen. Also particularly advantageous metals and metal alloys of metals selected from the group consisting of Li, Ni, Ti, Na, K, Ba, Ca, Mg, Ga, Ge, In, V, Si, Al, Sn, Ag, Au, Cu and / or Sb. In particular, metals and metal alloys of metals selected from the group consisting of Li, Si and / or Sn are preferred. Particularly preferred are lithium and silicon and their metal alloys.
In vorteilhafter Weise sind insbesondere Elektroden ausgebildet aus Li, Si oder Sn, insbesondere Lithium oder Silizium gut geeignet Kationen wie Lithium oder Kalium ein- und auszulagern. Insbesondere Lithiummetall oder Lithiummetalllegierungen sind gut geeignet in Verbindung mit einem Lithium-Leitsalz.In particular, electrodes are preferably formed of Li, Si or Sn, in particular lithium or silicon well suited cations such as lithium or potassium and outsource. In particular, lithium metal or lithium metal alloys are well suited in combination with a lithium conducting salt.
Weiter verwendbar sind Phosphide der Formel MkPx mit Px k- oder Px (x+2)-, wobei 1 ≤ x ≤ 8 und 1 ≤ k ≤ 7, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe der Alkali-, Erdalkali- und Übergangsmetalle. Bevorzugte Alkali-, Erdalkali- und Übergangsmetalle sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Li, Na, Mg, Ca, K, Cu und/oder Zn. Besonders bevorzugt sind Kupfer und Zinn.Also usable are phosphides of the formula M k P x with P x k or P x (x + 2) - , where 1 ≤ x ≤ 8 and 1 ≤ k ≤ 7, where M is selected from the group of alkali, alkaline earth and transition metals. Preferred alkali metals, alkaline earth metals and transition metals are selected from the group comprising Li, Na, Mg, Ca, K, Cu and / or Zn. Particular preference is given to copper and tin.
Weiter besonders gut verwendbare Verbindungen sind Metall-Oxide der Übergangsmetalle, bevorzugt von Übergangsmetallen ausgewählt aus der Gruppe umfassend W, Mo, Cr, V und/oder Ti. Insbesondere bevorzugt verwendbar sind Metall-Oxide ausgewählt aus der Gruppe umfassend MoO, MoO2, TiO2 und/oder WO2.Further particularly useful compounds are metal oxides of the transition metals, preferably of transition metals selected from the group comprising W, Mo, Cr, V and / or Ti. Particular preference is given to using metal oxides selected from the group comprising MoO, MoO 2 , TiO 2 and / or WO 2 .
Eine weitere Gruppe von vorteilhaft verwendbaren Verbindungen sind Sulfide der Formel MzSy von Übergangsmetallen M ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cd, Ta, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Sn und/oder Al wobei y im Bereich von 1 bis 10 liegt und z im Bereich von 1 bis 3 liegt. Bevorzugte Übergangsmetalle M sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ti, V, Ni, Cr, Mn und/oder Mo, insbesondere bevorzugt Ti und Mo.Another group of compounds which can be used advantageously are sulfides of the formula M z S y of transition metals M selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cd, Ta, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo , Sn and / or Al wherein y is in the range of 1 to 10 and z is in the range of 1 to 3. Preferred transition metals M are selected from the group comprising Ti, V, Ni, Cr, Mn and / or Mo, particularly preferably Ti and Mo.
Auch bevorzugt verwendbar sind Metallfluoride und komplexe Metallfluoride mit einem oder mehreren Metallen ausgewählt aus der Gruppe umfassend Fe, Cr, Nb, Rh, Ag, Au, Se, Co, Te, Ni, Cu, V, Mo, Pb, Sb, Bi und/oder Si. Unter dem Begriff „komplexe Metallfluoride“ sind im Sinne der vorliegenden Erfindung Verbindungen zu verstehen, bei denen die Fluoride als Komplexliganden vorliegen. Insbesondere sind die komplexen Fluoide im Elektrolyten nicht löslich und liegen bei Raumtemperatur (20±2°C) festförmig vor. Bevorzugt sind Metallfluoride von Metallen ausgewählt aus der Gruppe umfassend Cu, Bi und/oder Fe, besonders bevorzugt sind CuF2 und BiF3.Also preferably usable are metal fluorides and complex metal fluorides with one or more metals selected from the group consisting of Fe, Cr, Nb, Rh, Ag, Au, Se, Co, Te, Ni, Cu, V, Mo, Pb, Sb, Bi and / or Si. For the purposes of the present invention, the term "complex metal fluorides" is to be understood as meaning compounds in which the fluorides are present as complexing ligands. In particular, the complex fluoids are insoluble in the electrolyte and are solid at room temperature (20 ± 2 ° C). Preference is given to metal fluorides of metals selected from the group comprising Cu, Bi and / or Fe, particularly preferred are CuF 2 and BiF 3 .
Weiter bevorzugte Kationen, bevorzugt Lithium und Natrium, insbesondere Lithium, reversibel aufnehmende und abgebende Elektrodenmaterialien sind Alkali-(A) und Erdalkalimetall-(EA)Titanate der Formel AxTiyO4 oder EA0,5xTiyO4, wobei 0,8 ≤ x ≤ 1,4 und 1,6 ≤ y ≤ 2,2 ist. Bevorzugt sind Titanate der Elemente Na und Li, besonders bevorzugt ist Lithiumtitanat Li4Ti5O12. Insbesondere Lithiumtitanat ist besonders gut zur Interkalation von Lithiumionen geeignet. Weiterhin kann Lithiumtitanat ein flaches Lade-/Entladepotentialniveau zur Verfügung stellen.Further preferred cations, preferably lithium and sodium, in particular lithium, reversibly absorbing and donating electrode materials are alkali metal (A) and alkaline earth metal (EA) titanates of the formula A x Ti y O 4 or EA 0.5x Ti y O 4 , where 0 , 8 ≤ x ≤ 1.4 and 1.6 ≤ y ≤ 2.2. Titaniumates of the elements Na and Li are preferred, and lithium titanate Li 4 Ti 5 O 12 is particularly preferred. In particular, lithium titanate is particularly suitable for the intercalation of lithium ions. Furthermore, lithium titanate can provide a shallow charge / discharge potential level.
Weiterhin bevorzugte Kationen, bevorzugt Lithium und Natrium, insbesondere Lithium, reversibel aufnehmende und abgebende Elektrodenmaterialien sind Alkali-(A) und Erdalkalimetall-(EA) Cuprate der Formeln AxCuyO2 oder EAx/2CuyO2, wobei 0,8 ≤ x ≤ 1,2 und 0,7 ≤ y ≤ 1,25.Further preferred cations, preferably lithium and sodium, in particular lithium, reversibly receiving and donating electrode materials are alkali (A) and alkaline earth metal (EA) cuprates of the formulas A x Cu y O 2 or EA x / 2 Cu y O 2 , where 0 , 8 ≤ x ≤ 1.2 and 0.7 ≤ y ≤ 1.25.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das Kationen, insbesondere Lithium, reversibel aufnehmende und abgebende Elektrodenmaterial bei einem Potential im Bereich von 0,7 V bis 2,2 V gegen Lithium verwendbar. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Leitsalz ein Lithiumsalz ist. Vorzugsweise ist das Kationen, insbesondere Lithium, reversibel aufnehmende und abgebende Elektrodenmaterial ausgewählt aus der Gruppe umfassend TiO2, WO2, MoO2 und/oder Li4Ti5O12. In vorteilhafter Weise liegt das Potential der Kationen-Ein- und Auslagerung oberhalb des thermodynamischen Stabilitätsfensters diverser organischer Lösungsmittel. Insbesondere kann eine elektrochemische Zelle unter Verwendung dieser Elektrodenmaterialien besonders sicher betrieben werden.In preferred embodiments, the cation, particularly lithium, reversibly accepting and donating electrode material is useful at a potential in the range of 0.7V to 2.2V versus lithium. This is particularly advantageous if the conductive salt is a lithium salt. Preferably, the cation, in particular lithium, reversibly receiving and donating electrode material is selected from the group comprising TiO 2 , WO 2 , MoO 2 and / or Li 4 Ti 5 O 12 . Advantageously, the potential of cation incorporation and removal is above the thermodynamic stability window of various organic solvents. In particular, an electrochemical cell can be operated particularly safely using these electrode materials.
Bevorzugt umfasst die Kationen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrode als Elektrodenmaterial ein Metalloxid ausgewählt aus der Gruppe umfassend TiO2, WO2, MoO2 und/oder Li4Ti5O12 im Bereich von ≥ 50 Gew.-% bis ≤ 98 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von ≥ 70 Gew.-% bis ≤ 95 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von ≥ 80 Gew.-% bis ≤ 95 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode. Preferably, the cation comprises reversibly receiving and donating electrode as the electrode material, a metal oxide selected from the group comprising TiO 2 , WO 2 , MoO 2 and / or Li 4 Ti 5 O 12 in the range of ≥ 50 wt .-% to ≤ 98 wt. %, preferably in the range of ≥ 70 wt .-% to ≤ 95 wt .-%, preferably in the range of ≥ 80 wt .-% to ≤ 95 wt .-%, based on the total weight of the electrode.
Bevorzugt ist eine insbesondere sekundäre elektrochemische Zelle umfassend eine Kationen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrode umfassend Kohlenstoff insbesondere Graphit im Bereich von ≥ 70 Gew.-% bis ≤ 100 Gew.-%, und eine Anionen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrode umfassend Kohlenstoff insbesondere Graphit im Bereich von ≥ 70 Gew.-% bis ≤ 100 Gew.-% oder Li4Ti5O12 im Bereich von ≥ 50 Gew.-% bis ≤ 98 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode. Insbesondere durch eine Verwendung von Graphit als Kathode und Anode ist in vorteilhafter Weise die Umweltfreundlichkeit der Zelle höher und die Kosten des Kathodenmaterials geringer als bei klassischen Systemen.Preferred is a particularly secondary electrochemical cell comprising a cation reversibly receiving and donating electrode comprising carbon in particular graphite in the range of ≥ 70 wt .-% to ≤ 100 wt .-%, and anions reversibly receiving and donating electrode comprising carbon in particular graphite in the range from ≥ 70 wt .-% to ≤ 100 wt .-% or Li 4 Ti 5 O 12 in the range of ≥ 50 wt .-% to ≤ 98 wt .-%, each based on the total weight of the electrode. In particular, by using graphite as the cathode and anode, the environmental friendliness of the cell is advantageously higher and the cost of the cathode material is lower than in classical systems.
Geeignete Leitsalze sind Salze von Metallen ausgewählt aus der Gruppe umfassend Li, Na, K, Ba, Mg, Ca, Al und/oder B, oder Verbindungen, in denen das Anion des Leitsalzes mit H+ als Gegenion vorliegt.Suitable conductive salts are salts of metals selected from the group consisting of Li, Na, K, Ba, Mg, Ca, Al and / or B, or compounds in which the anion of the conductive salt is present with H + as the counterion.
Geeignete Leitsalze sind beispielsweise Salze von Barium, Magnesium oder Calcium ausgewählt aus der Gruppe umfassend YF2, YCl2, YBr2, YI2, Y(PF6)2, Y(AsF6)2, Y(ClO4)2, Y(NO3)2, Y(SO4), Y(SbF6)2, Y(PtCl6)2, Y(CN)2, Y((CF3)SO3)2 (YTf2), Y(C(SO2CF3)3)2, Y(PF3(CF3)3)2 (YFAP2), Y/PF4(C2O4))2 (YTFOB2), Y(BF4)2, Y(B(C2O4)2)2 (YBOB2), Y(BF2(C2O4))2 (YDFOB2), Y(B(C2O4)(C3O4))2 (YMOB2), Y((C2F5BF3))2 (YFAB2), YB12F12 (YDFB), Y(N(SO2F)2)2 (YFSI2), Y(N(SO2CF3)2)2 (YTFSI2) und/oder Y(N(SO2C2F5)2)2 (YBETI2), wobei Y ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Ba, Mg und Ca.Suitable conductive salts are, for example, salts of barium, magnesium or calcium selected from the group comprising YF 2 , YCl 2 , YBr 2 , YI 2 , Y (PF 6 ) 2 , Y (AsF 6 ) 2 , Y (ClO 4 ) 2 , Y (NO 3 ) 2 , Y (SO 4 ), Y (SbF 6 ) 2 , Y (PtCl 6 ) 2 , Y (CN) 2 , Y ((CF 3 ) SO 3 ) 2 (YTf 2 ), Y (C (SO 2 CF 3 ) 3 ) 2 , Y (PF 3 (CF 3 ) 3 ) 2 (YFAP 2 ), Y / PF 4 (C 2 O 4 )) 2 (YTFOB 2 ), Y (BF 4 ) 2 , Y (B (C 2 O 4 ) 2 ) 2 (YBOB 2 ), Y (BF 2 (C 2 O 4 )) 2 (YDFOB 2 ), Y (B (C 2 O 4 ) (C 3 O 4 )) 2 (YMOB 2 ), Y ((C 2 F 5 BF 3 )) 2 (YFAB 2 ), YB 12 F 12 (YDFB), Y (N (SO 2 F) 2 ) 2 (YFSI 2 ), Y (N (SO 2 CF 3 ) 2 ) 2 (YTFSI 2 ) and / or Y (N (SO 2 C 2 F 5 ) 2 ) 2 (YBETI 2 ), wherein Y is selected from the group comprising Ba, Mg and Ca.
Weitere geeignete Leitsalze sind Salze von Aluminium oder Bor ausgewählt aus der Gruppe umfassend XF3, XCl3, XBr3, XI3, X(PF6)3, X(AsF6), X(ClO4)3, X(SbF6)3, X(NO3)3, X2(SO4)3, X(PtCl6)3, X(CN)3, X((CF3)SO3)3 (XTf3), X(C(SO2CF3)3)3, X(PF3(CF3)3)3 (XFAP3), X/PF4(C2O4))3 (XTFOB3), X(BF4)3, X(B(C2O4)2)3 (XBOB3), X(BF2(C2O4))3 (XDFOB3), X(B(C2O4)(C3O4))3 (XMOB3), X((C2F5BF3))3 (XFAB3), XB12F12 (XDFB), X(N(SO2F)2)3 (XFSI3), X(N(SO2CF3)2)3 (XTFSI3) und/oder X(N(SO2C2F5)2)3 (XBETI3), wobei X ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Al und/oder B.Further suitable conductive salts are salts of aluminum or boron selected from the group consisting of XF 3 , XCl 3 , XBr 3 , XI 3 , X (PF 6 ) 3 , X (AsF 6 ), X (ClO 4 ) 3 , X (SbF 6 ) 3 , X (NO 3 ) 3 , X 2 (SO 4 ) 3 , X (PtCl 6 ) 3 , X (CN) 3 , X ((CF 3 ) SO 3 ) 3 (XTf 3 ), X (C ( SO 2 CF 3 ) 3 ) 3 , X (PF 3 (CF 3 ) 3 ) 3 (XFAP 3 ), X / PF 4 (C 2 O 4 )) 3 (XTFOB 3 ), X (BF 4 ) 3 , X (B (C 2 O 4 ) 2 ) 3 (XBOB 3 ), X (BF 2 (C 2 O 4 )) 3 (XDFOB 3 ), X (B (C 2 O 4 ) (C 3 O 4 )) 3 (XMOB 3 ), X ((C 2 F 5 BF 3 )) 3 (XFAB 3 ), XB 12 F 12 (XDFB), X (N (SO 2 F) 2 ) 3 (XFSI 3 ), X (N ( SO 2 CF 3 ) 2 ) 3 (XTFSI 3 ) and / or X (N (SO 2 C 2 F 5 ) 2 ) 3 (XBETI 3 ), where X is selected from the group comprising Al and / or B.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das Leitsalz ausgewählt aus der Gruppe umfassend ZF, ZCl, ZBr, ZI, ZPF6, ZAsF6, ZClO4, ZNO3, Z2SO4, ZSbF6, ZPtCl6, ZCN, Z(CF3)SO3 (ZTf), ZC(SO2CF3)3, ZPF3(CF3)3 (ZFAP), ZPF4(C2O4) (ZTFOB), ZBF4, ZB(C2O4)2 (ZBOB), ZBF2(C2O4) (ZDFOB), ZB(C2O4)(C3O4) (ZMOB), Z(C2F5BF3) (ZFAB), Z2B12F12 (ZDFB), ZN(SO2F)2 (ZFSI), ZN(SO2CF3)2 (ZTFSI) und/oder ZN(SO2C2F5)2 (ZBETI), wobei Z ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Li, Na, K und/oder H. Bevorzugte Leitsalze sind Salze von Lithium, Natrium oder Kalium. Insbesondere Lithiumionen sind aufgrund ihrer geringen Größe gut geeignet, in Elektroden ein- und ausgelagert zu werden. Weiterhin sind für Lithium eine weite Variation von Elektrodenmaterialien in dem erfindungsgemäßen elektrochemischen System verwendbar.In preferred embodiments, the conducting salt is selected from the group comprising ZF, ZCl, ZBr, ZI, ZPF 6 , ZAsF 6 , ZClO 4 , ZNO 3 , Z 2 SO 4 , ZSbF 6 , ZPtCl 6 , ZCN, Z (CF 3 ) SO 3 (ZTf), ZC (SO 2 CF 3 ) 3 , ZPF 3 (CF 3 ) 3 (ZFAP), ZPF 4 (C 2 O 4 ) (ZTFOB), ZBF 4 , ZB (C 2 O 4 ) 2 (ZBOB ), ZBF 2 (C 2 O 4 ) (ZDFOB), ZB (C 2 O 4 ) (C 3 O 4 ) (ZMOB), Z (C 2 F 5 BF 3 ) (ZFAB), Z 2 B 12 F 12 (ZDFB), ZN (SO 2 F) 2 (ZFSI), ZN (SO 2 CF 3 ) 2 (ZTFSI) and / or ZN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 (ZBETI), where Z is selected from the group comprising Li, Na, K and / or H. Preferred conductive salts are salts of lithium, sodium or potassium. In particular, lithium ions are due to their small size well suited to be stored in electrodes and outsourced. Further, for lithium, a wide variety of electrode materials are usable in the electrochemical system of the present invention.
Bevorzugt ist das Leitsalz ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend ZPF6, ZN(SO2F)2 (ZFSI), ZB(C2O4)2 (ZBOB), und/oder ZN(SO2CF3)2 (ZTFSI), wobei Z ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Li, Na und/oder H, bevorzugt Li.Preferably, the conductive salt is selected from the group comprising ZPF 6 , ZN (SO 2 F) 2 (ZFSI), ZB (C 2 O 4 ) 2 (ZBOB), and / or ZN (SO 2 CF 3 ) 2 (ZTFSI) where Z is selected from the group comprising Li, Na and / or H, preferably Li.
Vorzugsweise ist das Leitsalz ein Lithiumsalz. Vorzugsweise ist das Lithiumsalz ausgewählt aus der Gruppe umfassend LiPF6, LiAsF6, LiClO4, LiSbF6, LiPtCl6, Li(CF3)SO3 (LiTf), LiC(SO2CF3)3, LiPF3(CF3)3 (LiFAP), LiPF4(C2O4) (LiTFOB), LiBF4, LiB(C2O4)2 (LiBOB), LiBF2(C2O4) (LiDFOB), LiB(C2O4)(C3O4) (LiMOB), Li(C2F5BF3) (LiFAB), Li2B12F12 (LiDFB), LiN(SO2F)2 (LiFSI), LiN(SO2CF3)2 (LiTFSI) und/oder LiN(SO2C2F5)2 (LiBETI), bevorzugt LiPF6. Preferably, the conductive salt is a lithium salt. Preferably, the lithium salt is selected from the group consisting of LiPF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiSbF 6 , LiPtCl 6 , Li (CF 3 ) SO 3 (LiTf), LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiPF 3 (CF 3 ) 3 (LiFAP), LiPF 4 (C 2 O 4 ) (LiTFOB), LiBF 4 , LiB (C 2 O 4 ) 2 (LiBOB), LiBF 2 (C 2 O 4 ) (LiDFOB), LiB (C 2 O 4 ) (C 3 O 4 ) (LiMOB), Li (C 2 F 5 BF 3 ) (LiFAB), Li 2 B 12 F 12 (LiDFB), LiN (SO 2 F) 2 (LiFSI), LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (LiTFSI) and / or LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 (LiBETI), preferably LiPF 6 .
In vorteilhafter Weise können insbesondere LiN(SO2F)2 (LiFSI), LiN(SO2CF3)2 (LiTFSI) und LiB(C2O4)2 (LiBOB) dazu führen, dass die elektrochemische Zelle eine gute Kapazität und Temperaturbeständigkeit aufweist. Insbesondere LiTFSI besitzt eine große thermische und elektrochemische Stabilität, ist nicht toxisch und unempfindlich gegenüber Hydrolyse.In particular, LiN (SO 2 F) 2 (LiFSI), LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (LiTFSI), and LiB (C 2 O 4 ) 2 (LiBOB) can lead to a good capacity of the electrochemical cell Temperature resistance has. In particular, LiTFSI has high thermal and electrochemical stability, is non-toxic and insensitive to hydrolysis.
Vorzugsweise zersetzt sich das Anion des Leitsalzes, insbesondere des Lithiumsalzes, bis zu einem Potential von wenigstens 3,5 V, vorzugsweise von wenigstens 4 V, bevorzugt von 5 V über dem Potential von Lithium nicht. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da duale Einlagerungszellen bei hohen Zellspannungen betrieben werden.The anion of the conducting salt, in particular of the lithium salt, preferably does not decompose to a potential of at least 3.5 V, preferably of at least 4 V, preferably of 5 V, above the potential of lithium. This is particularly advantageous because dual storage cells are operated at high cell voltages.
Vorzugsweise ist das Anion ausgewählt aus der Gruppe umfassend F–, Cl–, Br–, I–, PF6 –, BF4 –, B(C2O4)2 – (BOB), BF2(C2O4)–(DFOB), B(C2O4)(C3O4)–(MOB), (C2F5BF3)–(FAB), (CF3)SO3 –, B12F12 2– (DFB), N(SO2F)2 – (FSI), N(SO2CF3)2 – (TFSI) und/oder N(SO2C2F5)2 – (LiBETI). Bevorzugt ist das Anion ausgewählt aus der Gruppe umfassend PF6 –, N(SO2F)2 – (FSI), N(SO2CF3)2 – (TFSI) und/oder B(C2O4)2 – (BOB). Preferably, the anion is selected from the group comprising F - , Cl - , Br - , I - , PF 6 - , BF 4 - , B (C 2 O 4 ) 2 - (BOB), BF 2 (C 2 O 4 ) - (DFOB), B (C 2 O 4 ) (C 3 O 4 ) - (MOB), (C 2 F 5 BF 3 ) - (FAB), (CF 3 ) SO 3 - , B 12 F 12 2- (DFB), N (SO 2 F) 2 - (FSI), N (SO 2 CF 3 ) 2 - (TFSI) and / or N (SO 2 C 2 F 5 ) 2 - (LiBETI). The anion is preferably selected from the group consisting of PF 6 - , N (SO 2 F) 2 - (FSI), N (SO 2 CF 3 ) 2 - (TFSI) and / or B (C 2 O 4 ) 2 - ( BOB).
Relativ große Anionen weisen im Elektrolyten den Vorteil auf, dass sie aufgrund der geringeren Anziehungskraft den Weg der Ionen durch den Elektrolyten erleichtern. In vorteilhafter Weise konnte festgestellt werden, dass in dem erfindungsgemäßen dualen Einlagerungssystem auch große Anionen wie N(SO2F)2, N(SO2CF3)2 und B(C2O4)2 in die Elektrode eingelagert werden können. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da bislang angenommen wurde, dass lediglich sehr kleine oder kleinere Anionen wie Fluorid, PF6 – oder BF4 – reversibel in Graphit-Elektroden interkaliert werden. Hierdurch kann die elektrochemische Zelle eine weiter verbesserte Kapazität und Temperaturbeständigkeit aufweisen.Relatively large anions have the advantage in the electrolyte that they facilitate the path of the ions through the electrolyte due to the lower attractive force. In an advantageous manner, it has been found that large anions such as N (SO 2 F) 2 , N (SO 2 CF 3 ) 2 and B (C 2 O 4 ) 2 can also be incorporated into the electrode in the dual storage system according to the invention. This is particularly advantageous, since it was hitherto assumed that only very small or smaller anions such as fluoride, PF 6 - or BF 4 - be reversibly intercalated in graphite electrodes. This allows the electrochemical cell to have a further improved capacity and temperature resistance.
Vorzugsweise liegt das Leitsalz, beispielsweise ein Lithiumsalz, in dem Lösungsmittel gelöst vor. Vorzugsweise liegt die Konzentration des Lithiumsalzes im Elektrolyten im Bereich von ≥ 0,5 M bis ≤ 19 M, vorzugsweise im Bereich von ≥ 0,65 M bis ≤ 7 M, besonders bevorzugt im Bereich von ≥ 1 M bis ≤ 5 M. Vorzugsweise liegt die Konzentration des Leitsalzes, insbesondere des Lithiumsalzes, insbesondere eines Lithiumsalzes umfassend ein organisches Anion ausgewählt aus der Gruppe umfassend B(C2O4)2 – (BOB), BF2(C2O4)– (DFOB), B(C2O4)(C3O4)– (MOB), (C2F5BF3)– (FAB), (CF3)SO3 –, B12F12 2– (DFB), N(SO2F)2 – (FSI), N(SO2CF3)2 – (TFSI) und/oder N(SO2C2F5)2 – (LiBETI), im Elektrolyten im Bereich von ≥ 0,5 M bis ≤ 2,5 M, vorzugsweise im Bereich von ≥ 0,65 M bis ≤ 2 M, besonders bevorzugt im Bereich von ≥ 1 M bis ≤ 1,5 M.Preferably, the conductive salt, for example a lithium salt, is dissolved in the solvent. Preferably, the concentration of the lithium salt in the electrolyte is in the range of ≥ 0.5 M to ≤ 19 M, preferably in the range of ≥ 0.65 M to ≤ 7 M, more preferably in the range of ≥ 1 M to ≤ 5 M. Preferably the concentration of the conducting salt, in particular the lithium salt, in particular a lithium salt comprising an organic anion selected from the group comprising B (C 2 O 4 ) 2 - (BOB), BF 2 (C 2 O 4 ) - (DFOB), B (C 2 O 4 ) (C 3 O 4 ) - (MOB), (C 2 F 5 BF 3 ) - (FAB), (CF 3 ) SO 3 - , B 12 F 12 2- (DFB), N (SO 2 F) 2 - (FSI), N (SO 2 CF 3 ) 2 - (TFSI) and / or N (SO 2 C 2 F 5 ) 2 - (LiBETI), in the electrolyte in the range of ≥ 0.5 M to ≤ 2.5 M, preferably in the range of ≥ 0.65 M to ≤ 2 M, particularly preferably in the range of ≥ 1 M to ≤ 1.5 M.
Vorzugsweise umfasst die insbesondere sekundäre elektrochemische Zelle ein Leitsalz ausgewählt aus der Gruppe umfassend LiN(SO2F)2 (LiFSI), LiN(SO2CF3)2 (LiTFSI) und LiB(C2O4)2 (LiBOB) als Lösungsmittel eine ionische Flüssigkeit umfassend ein Kation ausgewählt aus der Gruppe umfassend ein N-alkyl-N-alkylpyrrolidinium (PYRR`R +), insbesondere N-butyl-N-methylpyrrolidinium (PYR14 +) und/oder N-methyl-N-propylpyrrolidinium (PYR13 +) und ein Anion ausgewählt aus der Gruppe umfassend Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI–), Bis(fluorsulfonyl)imid (FSI–), Bisoxolatoborat (BOB–) und/oder Hexafluorphosphat (PF6 –).Preferably, the particular secondary electrochemical cell comprises a conducting salt selected from the group consisting of LiN (SO 2 F) 2 (LiFSI), LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (LiTFSI) and LiB (C 2 O 4 ) 2 (LiBOB) as solvent an ionic liquid comprising a cation selected from the group comprising an N-alkyl-N-alkylpyrrolidinium (PYR R`R + ), in particular N-butyl-N-methylpyrrolidinium (PYR 14 + ) and / or N-methyl-N-propylpyrrolidinium (PYR 13 + ) and an anion selected from the group comprising bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (TFSI - ), bis (fluorosulfonyl) imide (FSI - ), bisoxolatoborate (BOB - ) and / or hexafluorophosphate (PF 6 - ).
Insbesondere ist bei einer auf anionischer Interkalation basierenden Zelle von Vorteil, dass der verwendete Elektrolyt als Aktivmaterial verwendbar ist. Weiter ist es von Vorteil, wenn das Anion der ionischen Flüssigkeit dem Anion des Leitsalzes entspricht. Dies erhöht die Verfügbarkeit des Anions für die Einlagerung in die Elektrode.In particular, in an anionic intercalation-based cell, it is advantageous that the electrolyte used is usable as an active material. Furthermore, it is advantageous if the anion of the ionic liquid corresponds to the anion of the conductive salt. This increases the availability of the anion for incorporation into the electrode.
Bevorzugt ist dem Elektrolyten ein üblicher Zuschlagstoff beigemengt. Bevorzugte Zuschlagstoffe sind beispielsweise Metalloxide wie TiO2, Al2O3 und SiO2, bevorzugt SiO2. Weitere bevorzugte Zuschlagstoffe sind modifizierte Nano-Partikel, beispielsweise kommerziell unter der Handelsbezeichnung Aerosil® bei der Firma Evonik-Degussa erhältlich. The electrolyte is preferably admixed with a customary additive. Preferred additives are, for example, metal oxides such as TiO 2 , Al 2 O 3 and SiO 2 , preferably SiO 2 . Further preferred additives are modified nano-particles, for example commercially available under the trade name Aerosil ® from Evonik-Degussa.
Die elektrochemische Zelle weist weiterhin insbesondere einen Separator auf. Der Separator dient zur elektrischen Isolation der beiden Elektroden. Vorzugsweise ist der Separator zwischen den Elektroden angeordnet. Die insbesondere sekundäre elektrochemische Zelle umfasst vorzugsweise eine Kationen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrode, eine Anionen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrode, einen Separator und einen Elektrolyten umfassend ein Lithiumsalz und ein Lösungsmittel. Der Separator ist für die Ionen des Elektrolyten durchlässig. Der Separator kann porös ausgebildet sein. Geeignete Materialien für den Separator sind beispielsweise mikroporöse Kunststoffe, beispielsweise Poly-Ethylen-Tetrafluorethylen, Vliese aus Glasfasern oder Polyethylen. Bevorzugt sind mikroporöse Folien beispielsweise poröse Ethylen-Tetrafluorethylen-Folie oder Vliesstoffe, Insbesondere geeignet sind Vliese aus Glasfasern, insbesondere nichtgewebtes Glasfaservlies. The electrochemical cell furthermore has in particular a separator. The separator is used for electrical insulation of the two electrodes. Preferably, the separator is disposed between the electrodes. The particularly secondary electrochemical cell preferably comprises a cation reversibly receiving and donating electrode, an anion reversibly receiving and donating electrode, a separator and an electrolyte comprising a lithium salt and a solvent. The separator is permeable to the ions of the electrolyte. The separator may be porous. Suitable materials for the separator are for example microporous plastics, for example poly-ethylene-tetrafluoroethylene, nonwovens made of glass fibers or polyethylene. Preference is given to microporous films, for example porous ethylene-tetrafluoroethylene film or nonwovens. Nonwovens of glass fibers, in particular nonwoven glass fiber nonwoven, are particularly suitable.
Der Separator kann weiterhin ein Gel-Polymerseparator sein. Ein Gel-Polymerseparator ist beispielsweise durch Beimengen eines Polymers, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend Polypropylen, Polytetrafluorethylen und/oder Polyvinylidendifluoride, bevorzugt Polyethyleneoxide, in den Elektrolyten herstellbar.The separator may further be a gel polymer separator. A gel polymer separator can be prepared, for example, by admixing a polymer, in particular selected from the group consisting of polypropylene, polytetrafluoroethylene and / or polyvinylidene difluorides, preferably polyethylene oxides, into the electrolyte.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung einer ionischen Flüssigkeit als Lösungsmittel in einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer sekundären elektrochemischen Zelle, umfassend eine Kationen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrode, eine Anionen reversibel aufnehmende und abgebende Elektrode und einen Elektrolyten umfassend ein Leitsalz und ein Lösungsmittel.Another object of the invention relates to the use of an ionic liquid as a solvent in an electrochemical cell, in particular a secondary electrochemical cell comprising a cation reversibly receiving and donating electrodes, anions reversibly receiving and donating an electrode and an electrolyte comprising a conducting salt and a solvent.
Die insbesondere sekundäre elektrochemische Zelle ist insbesondere geeignet für einen Lithium-basierten Energiespeicher. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung von einer ionischen Flüssigkeit als Lösungsmittel in einem auf dem Dual-Ionen Insertions Prinzip beruhenden Lithium-basierten Energiespeicher. Lithium-basierte Energiespeicher sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Lithium-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Lithium-Polymer-Batterien und/oder Lithium-Ionen-Kondensatoren, insbesondere Lithium-Ionen Batterien oder Lithium-Ionen Akkumulatoren. The particular secondary electrochemical cell is particularly suitable for a lithium-based energy storage. Another object of the invention relates to the use of an ionic liquid as a solvent in a based on the dual-ion insertion principle lithium-based energy storage. Lithium-based energy stores are preferably selected from the group comprising lithium batteries, lithium-ion batteries, lithium-ion secondary batteries, lithium-polymer batteries and / or lithium-ion capacitors, in particular lithium-ion batteries or lithium-ion accumulators.
Beispiele und Figuren, die der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung dienen, sind nachstehend angegeben.Examples and figures which serve to illustrate the present invention are given below.
Hierbei zeigen die Figuren: Here are the figures:
Beispiel 1example 1
Herstellung einer elektrochemischen Zelle Production of an electrochemical cell
Hergestellt wurde eine elektrochemische Zelle mit zwei Kompositelektroden. Zur Herstellung der Graphit-Elektrode wurden, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode, 90 Gew.-% Graphit (Graphit KS6, TIMCAL®, Bodio, Schweiz), 5 Gew.-% Kohlenstoff (Super-P Li, TIMCAL®, Bodio, Schweiz) und als Binder 5 Gew.-% Natrium-Carboxymethycellulose (Walocel® CRT 2000 PPA 12, Dow Wolff Cellulosics, The Dow Chemical Company, Midland, MI, USA) in deionisiertem Wasser als Lösungsmittel gemischt. Das Gemisch wurde mit Hilfe eines T25 digital Ultra-Turrax-Rührers und eines S 25 N – 18 G Dispergierwerkzeuges (beides IKA, Staufen, Deutschland) bei 5000 rpm für 1 Stunde homogenisiert. Die Mischung wurde anschließend unter Verwendung eines Rakels auf eine Aluminiumfolie einer Dicke von 20 µm (99,88% rein, Evonik-Degussa®) als Stromableiter mit einer Schichtdicke von 200 μm aufgebracht. Die Elektrode wurde für 12 Stunden bei 80 °C getrocknet. Anschließend wurde eine runde Elektrode mit einem Durchmesser von 12 mm, respektive einer Fläche von 1,13 cm2, ausgestanzt und für 24 Stunden bei 120°C unter Vakuum getrocknet. Die Flächenbeladung betrug > 2 mg/cm2. Die Ermittlung der Flächenbeladung erfolgte durch Wiegen der reinen Aluminiumfolie und der ausgestanzten Elektroden.An electrochemical cell with two composite electrodes was produced. Were used to prepare the graphite electrode based on the total weight of the electrode, 90 wt .-% of graphite (graphite KS6, TIMCAL ®, Bodio, Switzerland), 5 wt .-% carbon (Super-P Li, TIMCAL ®, Bodio, Switzerland) and as a binder 5 wt .-% sodium carboxymethylcellulose (Walocel® ® CRT 2000 PPA 12, Dow Wolff Cellulosics, The Dow Chemical Company, Midland, MI, USA) as the solvent in deionized water. The mixture was homogenized using a T25 digital Ultra-Turrax stirrer and a S 25 N-18 G dispersing tool (both IKA, Staufen, Germany) at 5000 rpm for 1 hour. The mixture was then (in 99.88%, Evonik-Degussa ®) using a doctor blade onto an aluminum foil having a thickness of 20 .mu.m is applied as a current conductor with a layer thickness of 200 microns. The electrode was dried at 80 ° C for 12 hours. Subsequently, a round electrode with a diameter of 12 mm, or an area of 1.13 cm 2 , punched out and dried for 24 hours at 120 ° C under vacuum. The surface loading was> 2 mg / cm 2 . The surface load was determined by weighing the pure aluminum foil and the punched electrodes.
Zur Herstellung der Lithiumtitanat-Elektrode wurden, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode, 85 Gew.-% Lithiumtitanat Li4Ti5O12 (Batteriegrad/battery grade Reinheit, Südchemie, München, Deutschland), 10 Gew.-% Kohlenstoff (Super-P Li, TIMCAL®, Bodio, Schweiz) und als Binder 5 Gew.-% Polyvinylidendifluorid (Kynar® Flex 761, Arkema, Frankreich) gelöst in N-methyl-2-pyrrolidon (Acros Organics, 99,5%, Extra Dry) als Lösungsmittel gemischt. Das Gemisch wurde mit Hilfe eines T25 digital Ultra-Turrax-Rühres und eines S 25 N – 18 G Dispergierwerkzeuges (beides IKA, Staufen, Deutschland) bei 8000 rpm für 1,5 Stunden homogenisiert. Die Mischung wurde anschließend unter Verwendung eines Rakels auf eine Aluminiumfolie einer Dicke von 20 µm (Reinheit 99,88%, Evonik-Degussa) als Stromableiter mit einer Schichtdicke von 175 μm aufgebracht. Die Elektrode wurde für 12 Stunden bei 80°C getrocknet. Anschließend wurde eine Elektrode eines Durchmessers von 12 mm ausgestanzt und für 24 Stunden bei 150°C unter Vakuum getrocknet. Die Flächenbeladung betrug > 3 mg/cm2. Die Ermittlung der Flächenbeladung erfolgte durch Wiegen der reinen Aluminiumfolie und der ausgestanzten Elektroden. For the preparation of the lithium titanate electrode, based on the total weight of the electrode, 85% by weight of lithium titanate Li 4 Ti 5 O 12 (battery grade / battery grade purity, Südchemie, Munich, Germany), 10% by weight of carbon (superoxide) P Li, TIMCAL ®, Bodio, Switzerland) and as a binder, 5 wt .-% polyvinylidene fluoride (Kynar Flex ® 761, Arkema, France) dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone (Acros Organics, 99.5%, extra Dry) mixed as a solvent. The mixture was homogenized at 8000 rpm for 1.5 hours using a T25 digital Ultra-Turrax stirrer and a S 25 N-18 G dispersing tool (both IKA, Staufen, Germany). The mixture was then applied using a doctor blade to an aluminum foil having a thickness of 20 μm (purity 99.88%, Evonik-Degussa) as a current conductor with a layer thickness of 175 μm. The electrode was dried at 80 ° C for 12 hours. Subsequently, an electrode having a diameter of 12 mm was punched out and dried for 24 hours at 150 ° C under vacuum. The surface loading was> 3 mg / cm 2 . The surface load was determined by weighing the pure aluminum foil and the punched electrodes.
Als Separator wurde ein Glasfaserseparator der Firma Whatman (Whatman GF/D, GE Healthcare, Großbritannien) verwendet. The separator used was a glass fiber separator from Whatman (Whatman GF / D, GE Healthcare, Great Britain).
Als Elektrolyt wurde die ionische Flüssigkeit 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium-bis(trifluoromethansulfonyl)-imid (Pyr14TFSI) (Reinheit von 99,9 %, Wassergehalt < 50 ppm, Solvionic, Toulouse, France) verwendet, wobei als Lithiumquelle 0,3 mol/l Lithium-bis(trifluoromethansulfonyl)imid (LiTFSI) („battery grade“ Reinheit, 3M, St. Paul, USA) in der ionischen Flüssigkeit gelöst wurden.The electrolyte used was the ionic liquid 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (Pyr 14 TFSI) (purity of 99.9%, water content <50 ppm, Solvionic, Toulouse, France), the lithium source being 0 3 mol / l lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI) ("battery grade" grade, 3M, St. Paul, USA) were dissolved in the ionic liquid.
Beispiel 2 Example 2
Elektrochemische Untersuchung der elektrochemischen Zelle Electrochemical investigation of the electrochemical cell
Die elektrochemische Untersuchung der gemäß Beispiel 1 hergestellten elektrochemischen Zelle erfolgte in einer Zelle, hergestellt aus einem modifizierten Gasventil der Firma Swagelok® unter Ausschluss von Sauerstoff und Wasser. Als Potentiostat/Galvanostat wurde ein Gerät der Maccor 4000 Serie oder ein BaSyTec MDS Batterie Testsystem verwendet. Die verwendeten Elektroden in der Messzelle waren rund mit einem Durchmesser von 12 mm, respektive einer Fläche von 1,13 cm2. Electrochemical investigation of the electrochemical cell prepared according to Example 1 was carried out in a cell made of a modified gas valve Swagelok ® under exclusion of oxygen and water. The potentiostat / galvanostat used was a Maccor 4000 series instrument or a BaSyTec MDS battery test system. The electrodes used in the measuring cell were round with a diameter of 12 mm, respectively an area of 1.13 cm 2 .
Die Assemblierung der Zelle erfolgte in einer Glovebox gefüllt mit einer Inertgasatmosphäre an Argon und einem Sauerstoff- und Wassergehalt kleiner als 1 ppm. Nach dem Zusammenbau wurde die Zelle 24 Stunden bei Raumtemperatur (20 ± 2°C) äquilibriert. The assembly of the cell was carried out in a glove box filled with an inert gas atmosphere of argon and an oxygen and water content of less than 1 ppm. After assembly, the cell was equilibrated for 24 hours at room temperature (20 ± 2 ° C).
Zum Laden der Zelle wurde ein galvanostatischer Strom angelegt, der einer spezifischen Stromdichte bezogen auf das Aktivmaterial der Graphit-Elektrode von 50 mA/g entsprach. Die Zelle wurde bis zu einer Ladeschlussspannung von 3,65 V geladen und anschließend bis 1,8 V mit demselben galvanostatischen Strom entladen, wobei die Angaben in Volt jeweils bezogen sind auf die Zellspannung zwischen der Graphit- und der Lithiumtitanat-Elektrode. Dieser Lade/Entlade-Vorgang entspricht einem Zyklus und wurde 50 Mal bei 20 ± 2°C wiederholt. To charge the cell, a galvanostatic current was applied, which corresponded to a specific current density based on the active material of the graphite electrode of 50 mA / g. The cell was charged to a final charge voltage of 3.65 V and then discharged to 1.8 V with the same galvanostatic current, the data in volts being based on the cell voltage between the graphite and lithium titanate electrodes. This charge / discharge process corresponds to one cycle and was repeated 50 times at 20 ± 2 ° C.
Beim Ladevorgang wird korrespondierend das Lithiumion aus dem Elektrolyten in die Lithiumtitanat-Elektrode und das TFSI-Anion in die Graphit-Elektrode eingelagert. Im geladenen Zustand ist der Elektrolyt an Li+ und TFSI– verarmt, da sich als Ladungsträger in den beiden Elektroden befinden. Beim Entladen werden diese Ionen wieder an den Elektrolyten abgegeben und somit die Ionenkonzentration wieder erhöht.During the charging process, the lithium ion from the electrolyte is correspondingly incorporated into the lithium titanate electrode and the TFSI anion into the graphite electrode. In the charged state, the electrolyte is depleted of Li + and TFSI - because they are in the two electrodes as charge carriers. When discharging these ions are released back to the electrolyte and thus increases the ion concentration again.
Die
Es konnte festgestellt werden, dass der Lade/Entladevorgang nach dem ersten Zyklus zu mehr als 99 %, bezogen auf eine maximale Effizienz von 100 %, reversibel war und dies über den weiteren Verlauf konstant über 98% blieb. Weiterhin konnte bezogen auf die Graphit-Elektrode eine Entladekapazität von bis zu 50 mAh/g erzielt werden.It was found that the charge / discharge process after the first cycle to more than 99%, based on a maximum efficiency of 100%, was reversible and remained constant over the course of more than 98%. Furthermore, based on the graphite electrode, a discharge capacity of up to 50 mAh / g could be achieved.
Das zeigt, dass unter Verwendung einer ionischen Flüssigkeit eine sehr hohe Effizienz der Zelle erreicht werden kann. Weiterhin konnten unter der Verwendung einer ionischen Flüssigkeit wesentlich höhere Lade- und Entladeströme realisiert werden, als unter Verwendung organischer Elektrolyte erzielt werden können.This shows that using an ionic liquid a very high efficiency of the cell can be achieved. Furthermore, significantly higher charge and discharge currents could be realized using an ionic liquid than can be achieved using organic electrolytes.
Die
Es konnte festgestellt werden, dass im Vergleich zu klassischen organischen Elektrolyten keine Elektrolytzersetzung stattfand, obwohl sich das Potential der Graphitkathode bei über 5 V vs. Li/Li+ befand. Auch war ca. ab dem 3. Zyklus die Form der Lade- und Entladekurven fast identisch, was auf eine hohe Reversibilität der Ein- bzw. Auslagerung schließen lässt.It was found that there was no electrolyte decomposition compared to classical organic electrolytes, although the potential of the graphite cathode was higher than 5V vs. 5V. Li / Li + was. Also, from about the 3rd cycle, the shape of the charge and discharge curves was almost identical, which suggests a high reversibility of storage and retrieval.
Beispiel 3Example 3
Herstellung einer elektrochemischen Zelle mit Lithium-ElektrodeProduction of an Electrochemical Cell with Lithium Electrode
Hergestellt wurde eine elektrochemische Zelle mit einer Kompositelektrode und einer Elektrode aus metallischem Lithium. An electrochemical cell was fabricated with a composite electrode and a metallic lithium electrode.
Die Herstellung der Graphit-Elektrode erfolgte wie unter Beispiel 1 beschrieben. Zur Herstellung der Elektrode aus metallischem Lithium wurde eine runde Elektrode eines Durchmessers von 12 mm und einer Dicke von 100µm aus einer Folie aus metallischem Lithium (Batteriegrad/battery grade Reinheit, Chemetall) ausgestanzt in einer Glovebox und als Gegenelektrode verwendet.The graphite electrode was produced as described in Example 1. To produce the metallic lithium electrode, a round electrode of 12 mm diameter and 100 μm thick was punched out of a sheet of metallic lithium (battery grade / battery grade purity, Chemetall) punched out in a glovebox and used as a counter electrode.
Als Separator wurde ein Glasfaserseparator der Firma Whatman (Whatman GF/D, GE Healthcare, Großbritannien) verwendet. The separator used was a glass fiber separator from Whatman (Whatman GF / D, GE Healthcare, Great Britain).
Als Elektrolyt wurde die ionische Flüssigkeit 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium-bis(trifluoromethansulfonyl)-imid (Pyr14TFSI) (Reinheit von 99,9 %, Wassergehalt < 50 ppm, Solvionic, Toulouse, Frankreich) verwendet, wobei als Lithiumquelle 0,3 mol/l Lithium-bis(trifluoromethansulfonyl)imid (LiTFSI) („battery grade“ Reinheit, 3M, St. Paul, USA) in der ionischen Flüssigkeit gelöst wurden.The electrolyte used was the ionic liquid 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (Pyr 14 TFSI) (purity of 99.9%, water content <50 ppm, Solvionic, Toulouse, France), the lithium source being 0 3 mol / l lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI) ("battery grade" grade, 3M, St. Paul, USA) were dissolved in the ionic liquid.
Beispiel 4Example 4
Elektrochemische Untersuchung der elektrochemischen Zelle mit Lithium-ElektrodeElectrochemical investigation of the electrochemical cell with lithium electrode
Die elektrochemische Untersuchung der gemäß Beispiel 3 hergestellten elektrochemischen Zelle erfolgte in einer Zelle, hergestellt aus einem modifizierten Gasventil der Firma Swagelok® unter Ausschluss von Sauerstoff und Wasser. Als Potentiostat/Galvanostat wurde ein Gerät der Maccor 4000 Serie oder ein BaSyTec MDS Batterie Testsystem verwendet. Die verwendeten Elektroden in der Messzelle waren rund mit einem Durchmesser von 12 mm, respektive einer Fläche von 1,13 cm2. Electrochemical investigation of the electrochemical cell prepared according to Example 3 was carried out in a cell made of a modified gas valve Swagelok ® under exclusion of oxygen and water. The potentiostat / galvanostat used was a Maccor 4000 series instrument or a BaSyTec MDS battery test system. The electrodes used in the measuring cell were round with a diameter of 12 mm, respectively an area of 1.13 cm 2 .
Die Assemblierung der Zelle erfolgte in einer Glovebox gefüllt mit einer Inertgasatmosphäre an Argon und einem Sauerstoff- und Wassergehalt kleiner als 1 ppm. Nach dem Zusammenbau wurde die Zelle 24 Stunden bei Raumtemperatur (20 ± 2°C) equilibriert. The assembly of the cell was carried out in a glove box filled with an inert gas atmosphere of argon and an oxygen and water content of less than 1 ppm. After assembly, the cell was equilibrated for 24 hours at room temperature (20 ± 2 ° C).
Zum Laden der Zelle wurde ein galvanostatischer Strom angelegt, der einer spezifischen Stromdichte bezogen auf das Aktivmaterial der Graphit-Elektrode von 15 mA/g entsprach. Die Zelle wurde bis zu einer Ladeschlussspannung von 5,2 V geladen und anschließend bis 3 V mit demselben galvanostatischen Strom entladen, wobei die Angaben in Volt jeweils bezogen sind auf die Zellspannung zwischen der Graphit- und der Lithium-Elektrode. Dieser Lade/Entlade-Vorgang entspricht einem Zyklus und wurde 10 Mal bei 20 ± 2°C wiederholt. To charge the cell, a galvanostatic current was applied, which corresponded to a specific current density based on the active material of the graphite electrode of 15 mA / g. The cell was charged to a final charging voltage of 5.2 V and then discharged to 3 V with the same galvanostatic current, the data in volts being in each case based on the cell voltage between the graphite and the lithium electrode. This charge / discharge process corresponds to one cycle and was repeated 10 times at 20 ± 2 ° C.
Die
Es konnte festgestellt werden, dass der Lade/Entladevorgang bereits im zweiten Lade/Entladeschritt zu mehr als 95 %, bezogen auf eine maximale Effizienz von 100 %, reversibel war. Weiterhin konnte bezogen auf die Graphit-Elektrode eine Entladekapazität von größer als 100 mAh/g erzielt werden.It was found that the charge / discharge process was already more than 95% reversible in the second charge / discharge step, based on a maximum efficiency of 100%. Furthermore, based on the graphite electrode, a discharge capacity of greater than 100 mAh / g could be achieved.
Das zeigt, dass unter Verwendung einer ionischen Flüssigkeit eine sehr hohe Effizienz der Zelle erreicht werden kann. Weiterhin konnten unter der Verwendung einer ionischen Flüssigkeit wesentlich höhere Lade- und Entladeströme realisiert werden, als unter Verwendung organischer Elektrolyte erzielt werden können. Ferner konnten eine hohe Kapazität und Energiedichte erzielt werden.This shows that using an ionic liquid a very high efficiency of the cell can be achieved. Furthermore, significantly higher charge and discharge currents could be realized using an ionic liquid than can be achieved using organic electrolytes. Furthermore, a high capacity and energy density could be achieved.
Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Verwendung einer ionischen Flüssigkeit als Elektrolyt in einer Dual-Ionen Insertionszelle eine sehr hohe Reversibilität und eine hohe Kapazität des Vorganges erreicht werden konnte. Im Vergleich zu konventionellen Lithum-Ionen Batterie Systemen bietet dieses System den Vorteil der Hochtemperaturbetriebsmöglichkeit, sowie der Verwendung von verschieden umweltfreundlicheren Materialien, wie Graphiten als Kathodenmaterialien.The results show that the use of an ionic liquid as the electrolyte in a dual-ion insertion cell has enabled a very high reversibility and a high capacity of the process. Compared to conventional lithium ion battery systems, this system offers the advantage of high temperature operation as well as the use of more environmentally friendly materials such as graphites as cathode materials.
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