DE102014008737A1

DE102014008737A1 - Verfahren zur Herstellung eines Elektrolyten und Elektrolyt für eine Batterie

Info

Publication number: DE102014008737A1
Application number: DE102014008737.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hintennach
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-06-12
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2015-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrolyten für eine Batterie, wobei ein Lösungsmittel mit zumindest einem Tensid und einem Leitsalz vermischt wird. Dabei ist vorgesehen, dass – dem Lösungsmittel ein erstes Tensid als ein Additiv zugegeben wird und mit dem Lösungsmittel mittels hochfrequenter Schwingungen vermischt wird, wobei – anschließend das Leitsalz in vorgelöster Form dem mit dem ersten Tensid versetzten Lösungsmittel zugegeben wird und wobei – anschließend dem mit dem ersten Tensid und dem Leitsalz versetzten Lösungsmittel ein zweites Tensid als ein Additiv zugegeben wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Elektrolyten, umfassend ein Lösungsmittel, ein erstes Tensid, ein zweites Tensid und ein Leitsalz, wobei der Elektrolyt ein thixotropes Verhalten aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrolyten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Elektrolyt für eine Batterie.
In der US 2013 0095378 A1 ist ein nichtwässriger Elektrolyt beschrieben, welcher ein nichtwässriges Lösungsmittel, ein Elektrolytsalz, ein Matrix-Harz, eine Füllmasse und einen oberflächenaktiven Stoff enthält.
Weiterhin ist in der US 6,358,643 B1 eine Hochleistungsbatterie, insbesondere eine Lithium-Schwefel-Batterie, offenbart, die eine negative Elektrode mit einem Metall, eine positive Elektrode mit einem elektrisch leitfähigen Material, einen flüssigen Katholyt mit einem lösbaren und nichtlösbaren elektrochemisch aktiven Material umfasst. Das elektrochemisch aktive Material umfasst Schwefel in Form eines Metallsulfids oder Polymetallsulfids.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Elektrolyten sowie einen verbesserten Elektrolyt anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und hinsichtlich des Elektrolyten mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Elektrolyten für eine Batterie wird ein Lösungsmittel mit zumindest einem Tensid und einem Leitsalz vermischt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass

– dem Lösungsmittel ein erstes Tensid als ein Additiv zugegeben wird und mit dem Lösungsmittel mittels hochfrequenter Schwingungen vermischt wird, wobei
– anschließend das Leitsalz in vorgelöster Form dem mit dem ersten Tensid versetzten Lösungsmittel zugegeben wird und wobei
– anschließend dem mit dem ersten Tensid und dem Leitsalz versetzten Lösungsmittel ein zweites Tensid als ein Additiv zugegeben wird.

Mittels des Verfahrens erhält der Elektrolyt eine thixotrope Eigenschaft, die es ihm erlaubt, seine Viskosität über die Zeit, insbesondere bei mechanischer Beanspruchung, zu ändern. Dabei weist der Elektrolyt zu Beginn, d. h. beim Befüllen eines Elektrodenzwischenraums mit dem Elektrolyten, eine niedrige Viskosität auf. Dies ist vorteilhaft, da das Eindringungsvermögen des Elektrolyten in Poren einer Oberfläche einer Elektrode bei niedriger Viskosität sehr hoch ist und somit eine Benetzung der Elektrodenoberfläche erfolgreich sichergestellt werden kann. Nach der Befüllung des Zwischenraums mit dem Elektrolyten erhöht sich die Viskosität des Elektrolyten, so dass dieser eine hohe inhärente Sicherheit und eine gute thermische Stabilität aufweist. Die elektrochemische Leitungsfähigkeit bleibt damit trotz Einbringung des Tensids sehr hoch und eine Lebensdauer der Batterie ist gegenüber dem Stand der Technik erhöht. Eine Batterie, welche für einen derartigen Elektrolyten geeignet ist, ist eine Metall-Schwefel-Batterie, z. B. eine Natrium-Schwefel-Batterie. Dabei bewirkt die hohe Viskosität des Elektrolyten im befüllten Zustand eine Immobilisierung von Schwefelverbindungen, welche einen Alterungsprozess der Metallelektrode begünstigen würden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 ein Blockschaltbild mit Verfahrensschritten zur Herstellung eines Elektrolyten für eine Batterie.
Die einzige 1 zeigt ein Blockschaltbild mit Verfahrensschritten S1 bis S3 zur Herstellung eines Elektrolyten für eine Batterie, insbesondere für eine Metall-Schwefel-Batterie, z. B. eine Lithium-Schwefel-Batterie.
In einem ersten Verfahrensschritt S1 werden ein Lösungsmittel, z. B. Polyethylenglycol-Dimethylether mit einer gemittelten Molekülmasse von 250, kurz PEGDME-250, und ein erstes Tensid, z. B. ein nichtionisches Tensid aus der Gruppe der Octylphenolethoxylate, bereitgestellt und miteinander vermischt, wobei das erste Tensid dem Lösungsmittel als Additiv zugegeben wird.
Die Vermischung des ersten Tensids und des Lösungsmittels erfolgt mittels hochfrequenter Schwingungen, z. B. mittels eines Ultraschallbads.
In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird dem mit dem ersten Tensid vermischten Lösungsmittel ein Leitsalz, z. B. Lithium Bistrifluoromethansulfonimidat, kurz LiTFSI, zugegeben. Das Leitsalz wird zunächst mit einem Hochgeschwindigkeitsrührer in einem volumenbezogenen Mengenverhältnis von 1:1 mittels eines weiteren Lösungsmittels vorgelöst. Diese Vorlösung des Leitsalzes wird anschließend dem mit dem ersten Tensid vermischten Lösungsmittel zugesetzt und hierbei bei einer niedrigen Temperatur mit einer geringen Geschwindigkeit vermischt.
In einem dritten Verfahrensschritt S3 wird dem mit dem Leitsalz und dem ersten Tensid vermischten Lösungsmittel ein zweites Tensid zugegeben, z. B. ein weiteres nichtionisches Tensid aus der Gruppe der Octylphenolethoxylate mit einem gegenüber dem ersten Tensid geringeren Gewichtsprozent in Bezug auf einen Masseanteil.
Bei der Zugabe des zweiten Tensids wird eine Betriebstemperatur des herzustellenden Elektrolyten gegenüber dem ersten Verfahrensschritt S1 und dem zweiten Verfahrensschritt S2 leicht erhöht, so dass eine optimale Viskosität des Elektrolyten realisierbar ist.
Anschließend ist die Herstellung des Elektrolyten beendet und dieser kann in einen Zwischenraum zwischen einer Metallelektrode, z. B. aus Lithium, und einer Schwefelelektrode, welche beispielsweise mit Kohlenstoff versetzt ist, eingefüllt werden.
Die Viskosität des Elektrolyten ist dabei während des Befüllens sehr niedrig, so dass sehr gute Benetzungseigenschaften des Elektrolyten für die Oberfläche der Metallelektrode erzielt werden. Durch die Zugabe der Tenside ist zudem eine sehr gute Einstellbarkeit einer Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten sichergestellt. Ein Durchtritt von Schwefel oder Schwefelverbindungen ausgehend von der Schwefelelektrode zur Metallelektrode werden mittels des Elektrolyten, welcher im befüllten Zustand eine erhöhte Viskosität aufweist, minimiert, so dass eine hohe Lebensdauer der Batterie möglich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20130095378 A1 [0002]
US 6358643 B1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Elektrolyten für eine Batterie, wobei ein Lösungsmittel mit zumindest einem Tensid und einem Leitsalz vermischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – dem Lösungsmittel ein erstes Tensid als ein Additiv zugegeben wird und mit dem Lösungsmittel mittels hochfrequenter Schwingungen vermischt wird, wobei – anschließend das Leitsalz in vorgelöster Form dem mit dem ersten Tensid versetzten Lösungsmittel zugegeben wird und wobei – anschließend dem mit dem ersten Tensid und dem Leitsalz versetzten Lösungsmittel ein zweites Tensid als ein Additiv zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermischung des Lösungsmittels und des ersten Tensids hochfrequente Schwingungen im Ultraschallbereich eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vorlösen des Leitsalzes das Leitsalz mit einem weiteren Lösungsmittel in einem Mengenverhältnis von 1:1 mittels eines Hochgeschwindigkeit-Rührgeräts vermischt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Zugabe des zweiten Tensids eine Temperatur des mit dem ersten Tensids und dem Leitsalz versetzten Lösungsmittels in einem vorgegebenen Zeitraum auf einen vorgegebenen Temperaturwert erhöht wird.
Elektrolyt, hergestellt nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Lösungsmittel, ein erstes Tensid, ein zweites Tensid und ein Leitsalz, wobei der Elektrolyt ein thixotropes Verhalten aufweist.