DE102015008362A1 - Elektrolyt und elektrochemischer Energiespeicher - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyten (1.3) für einen elektrochemischen Energiespeicher (1), welcher erfindungsgemäß ein Additiv aufweist, welches – (RS)-1-(Isopropylamino)-3-(naphthalen-1-yloxy)propan-2-ol und – (E)-5-methoxy-1-[4-(trifluoromethyl)phenyl]pentan-1-on-[O-(2-aminoethyl)oxim] umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin einen elektrochemischen Energiespeicher (1), umfassend einen solchen Elektrolyten (1.3).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Elektrolyten für einen elektrochemischen Energiespeicher. Weiterhin betrifft die Erfindung einen elektrochemischen Energiespeicher mit einem solchen Elektrolyten.
  • Ein wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher mit einem nicht-wässrigen magnesiumhaltigen Elektrolyt ist in der US 2014/0302403 A1 beschrieben. Der Elektrolyt enthält zumindest ein organisches Lösungsmittel und zumindest einen elektrolytisch aktiven, löslichen, anorganischen Magnesiumsalzkomplex, wobei der Magnesiumsalzkomplex über die chemische Formel MgaZbXc beschrieben ist. Dabei sind a, b und c dazu vorgesehen, eine elektrisch neutrale Ladung der Moleküle zu erhalten und Z und X sind dazu vorgesehen eine Lewis-Säure zu bilden. Weiterhin sind 1 ≤ a ≤ 10, 1 ≤ b ≤ 5 und 2 ≤ c ≤ 30.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Elektrolyten sowie einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten elektrochemischen Energiespeicher anzugeben.
  • Hinsichtlich des Elektrolyten wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hinsichtlich des elektrochemischen Energiespeichers wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein Elektrolyt für einen elektrochemischen Energiespeicher ist erfindungsgemäß mit einem Additiv versetzt, welches (RS)-1-(Isopropylamino)-3-(naphthalen-1-yloxy)propan-2-ol und (E)-5-methoxy-1-[4-(trifluoromethyl)phenyl]pentan-1-on-[O-(2-aminoethyl)oxim] umfasst.
  • Das Additiv erhöht eine Ionenmobilität des Elektrolyten, so dass freie Ionen im Elektrolyt eine hohe Beweglichkeit aufweisen. Daraus resultierend wird eine Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten gegenüber dem Stand der Technik verbessert. Eine Viskosität des Elektrolyten wird mittels des Additivs nicht oder nur vernachlässigbar wenig beeinflusst, so dass der Elektrolyt im Vergleich zu Elektrolyten für Lithium-Ionen-Akkumulatoren eine höhere Viskosität aufweisen kann.
  • Der Elektrolyt eignet sich somit besonders für einen als Magnesium-Ionen-Akkumulator ausgebildeten elektrochemischen Energiespeicher, welcher als chemisch aktives Material Magnesium aufweist. Magnesium ist ein zweiwertiges Metall und besitzt im Gegensatz zu einwertigen Metallen, wie beispielsweise Lithium, zwei Valenzelektronen. Damit kann mittels der Verwendung von Magnesium-Ionen mehr Energie gespeichert und freigesetzt werden als beispielsweise mit Lithium-Ionen. Da Magnesium-Ionen allerdings einen gegenüber Lithium-Ionen vergrößerten Ionenradius aufweisen, ist eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Ionenmobilität des Elektrolyten erforderlich, um einen raschen und gleichmäßigen inneren Ladungsausgleich des elektrochemischen Energiespeichers sicherzustellen. Mittels des Additivs wird somit der Einsatz von Magnesium-Ionen-Akkumulatoren als Energiequelle, z. B. in einem Fahrzeug, ermöglicht.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Dabei zeigt:
  • 1 schematisch eine Schnittdarstellung eines elektrochemischen Energiespeichers in einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
  • Die einzige 1 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung, insbesondere einen Längsschnitt eines elektrochemischen Energiespeichers 1.
  • Der elektrochemische Energiespeicher 1 umfasst eine negative Elektrode, im Folgenden als Anode 1.1 bezeichnet, und eine positive Elektrode, im Folgenden als Kathode 1.2 bezeichnet, die räumlich durch einen Elektrodenzwischenraum voneinander getrennt sind.
  • In dem Elektrodenzwischenraum sind ein Elektrolyt 1.3 und ein ionenleitender Separator 1.4 angeordnet.
  • Die Anode 1.1 und Kathode 1.2 sind jeweils als ein Festkörper ausgebildet, welcher aus einem Substrat gebildet ist, das mit einer elektrisch leitfähigen Matrix versehen ist. Die elektrisch leitfähige Matrix ist dabei als eine Beschichtung auf einer dem Elektrolyten 1.3 zugewandten Oberflächenseite des Substrats aufgebracht.
  • Die elektrisch leitfähige Matrix der Anode 1.1 ist beispielsweise aus einer elektrisch leitfähigen Kohlenstoffstruktur und einer Siliziumstruktur gebildet. Die elektrisch leitfähige Matrix der Kathode 1.2 umfasst beispielsweise Metall-Ionen, z. B. Mangan-, Bismut- oder Cobalt-Ionen, in Verbindung mit Sauerstoff.
  • In die elektrisch leitfähige Matrix der Anode 1.1 ist zudem ein chemisch aktives Material eingebunden, welches eine zwischen der Anode 1.1 und der Kathode 1.2 ablaufende chemische Reaktion ermöglicht, bei welcher der elektrochemische Energiespeicher 1 entweder geladen oder entladen wird. Als chemisch aktives Material der Anode 1.1 ist hierbei Magnesium oder eine Magnesiumverbindung in die elektrisch leitfähige Matrix der Anode 1.1 interkaliert. Damit ist der elektrochemische Energiespeicher 1 als Magnesium-Ionen-Akkumulator ausgebildet. Da Magnesium ein zweiwertiges Metall ist, kann im Vergleich zu einem Lithium-Ionen-Akkumulator, bei welchem das chemisch aktive Anodenmaterial einwertiges Lithium umfasst, mehr Energie gespeichert und freigesetzt werden.
  • Der Elektrolyt 1.3 dient als Übertragungsmedium der zwischen der Anode 1.1 und der Kathode 1.2 ablaufenden chemischen Reaktion während des Ladens und Entladens des elektrochemischen Energiespeichers 1. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Elektrolyt 1.3 als ein nichtwässriger Elektrolyt 1.3 im flüssigen Aggregatzustand mit einer definierten Viskosität ausgebildet, die gegenüber einer Viskosität eines für einen Lithium-Ionen-Akkumulator vorgesehen Elektrolyten 1.3 erhöht sein kann.
  • Die chemische Reaktion zwischen der Anode 1.1 und der Kathode 1.2 wird im Folgenden näher beschrieben.
  • Beim Entladen wird das in der in der Anode 1.1 eingebundene Magnesium in Magnesium-Ionen und Elektronen oxidiert. Die Magnesium-Ionen wandern über den Elektrolyten 1.3 durch den Separator 1.4 zur Kathode 1.2 während gleichzeitig die Elektronen über einen äußeren Stromkreis von der Anode 1.1 zur Kathode 1.2 übertragen werden, in den ein elektrischer Verbraucher 2 eingebunden ist. An der Kathode 1.2 werden die Elektronen von den Strukturen der elektrisch leitfähigen Matrix aufgenommen, wobei die Magnesium-Ionen an der Kathode 1.2 weiterhin in Ionenform verbleiben.
  • Beim Laden des elektrochemischen Energiespeichers 1 wandern positiv geladene Magnesium-Ionen über den Elektrolyten 1.3 durch den Separator 1.4 zur Anode 1.1, während die Elektronen vom Ladestrom über den äußeren Stromkreis zur Anode 1.1 wandern.
  • Magnesium-Ionen weisen gegenüber Lithium-Ionen einen größeren Ionenradius auf, so dass mittels der Verwendung von Magnesium als chemisch aktives Material der Anode 1.1 zwar mehr Energie gespeichert und freigesetzt werden kann, allerdings ist bedingt durch den größeren Ionenradius eine Ionenmobilität im Elektrolyten 1.3 gegenüber Lithium-Ionen oder anderen Metall-Ionen mit geringerem Ionenradius verringert. Die Ionenmobilität ist jedoch eine wichtige Eigenschaft des elektrochemischen Energiespeichers 1, insbesondere wenn dieser zur Belastung mit hohen Strömen vorgesehen ist. Hierbei ist ein rascher und gleichmäßiger innerer Ladungsausgleich zwischen der Anode 1.1 und der Kathode 1.2 erforderlich, um hohe Temperaturen und daraus mögliche Beschädigungen des elektrochemischen Energiespeichers 1 durch Überhitzung zu vermeiden.
  • Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung vor, den Elektrolyten 1.3 mit einem Additiv zu versetzen, welches eine Ionenmobilität des Elektrolyten 1.3 erhöht.
  • Das Additiv enthält als eine erste Komponente (RS)-1-(Isopropylamino)-3-(naphthalen-1-yloxy)propan-2-ol und als eine zweite Komponente (E)-5-methoxy-1-[4-(trifluoromethyl)phenyl]pentan-1-on-[O-(2-aminoethyl)oxim]. Die erste Komponente ist auch als Propanolol bekannt, welches als ein Arzneistoff aus der Substanzgruppe der Betablocker eingesetzt wird.
  • Vorzugsweise sind die erste Komponente mit einem Anteil von 0,3 Vol.-% und die zweite Komponente mit einem Anteil von 0,5 Vol.-% im Elektrolyten 1.3 enthalten. Eine Viskosität des Elektrolyten 1.3 wird mittels des Additivs nicht oder nur vernachlässigbar gering beeinflusst.
  • Das Additiv wird dem Elektrolyten 1.3 während der Herstellung des elektrochemischen Energiespeichers 1 hinzugefügt, wobei eine Umgebungstemperatur von 20°C bis 25°C für eine optimale Vermischung des Additivs mit dem Elektrolyten 1.3 erforderlich ist. Dabei wird das Additiv mit den zuvor angegebenen Anteilen der Komponenten dem Elektrolyten 1.3 hinzugefügt und dieser anschließend in den Elektrodenzwischenraum gefüllt.
  • Die Komponenten des Additivs erhöhen dabei eine Ionenmobilität des Elektrolyten 1.3, so dass als elektrochemischer Energiespeicher 1 ein Magnesium-Ionen-Akkumulator für Fahrzeuganwendungen einsetzbar ist. Zudem ist es mittels des Additivs auch möglich, höherviskose Elektrolyten 1.3 einzusetzen, welche für den Transport von zweiwertigen Metall-Ionen, insbesondere Magnesium-Ionen, geeignet sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2014/0302403 A1 [0002]

Claims (8)

  1. Elektrolyt (1.3) für einen elektrochemischen Energiespeicher (1), gekennzeichnet durch ein Additiv, welches – (RS)-1-(Isopropylamino)-3-(naphthalen-1-yloxy)propan-2-ol und – (E)-5-methoxy-1-[4-(trifluoromethyl)phenyl]pentan-1-on-[O-(2-aminoethyl)oxim] umfasst.
  2. Elektrolyt (1.3) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Anteil von 0,3 Vol.-% (RS)-1-(Isopropylamino)-3-(naphthalen-1-yloxy)propan-2-ol und 0,5 Vol.-% (E)-5-methoxy-1-[4-(trifluoromethylphenyl]pentan-1-on-[O-(2-aminoethyl)oxim].
  3. Elektrolyt (1.3) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein nicht-wässriges Lösungsmittel.
  4. Elektrolyt (1.3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht-wässrige Lösungsmittel Ethylencarbonat umfasst.
  5. Elektrochemischer Energiespeicher (1), umfassend eine Anode (1.1), eine Kathode (1.2) und einen Elektrolyten (1.3) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
  6. Elektrochemischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (1.1) als ein chemisch aktives Material Magnesium oder eine Magnesiumverbindung umfasst, welches in eine elektrisch leitfähige Matrix der Anode (1.1) interkaliert ist.
  7. Elektrochemischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – die elektrisch leitfähige Matrix der Anode (1.1) eine elektrisch leitfähige Kohlenstoffstruktur umfasst.
  8. Elektrochemischer Energiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kathode (1.2) eine elektrisch leitfähige Matrix umfasst, wobei die elektrisch leitfähige Matrix der Kathode (1.2) ein Metall oder eine Metallverbindung umfasst.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140302403A1 (en) 2011-12-22 2014-10-09 Pellion Technologies Inc. Non-aqueous electrolyte for rechargeable magnesium ion cell

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