DE102015015405A1

DE102015015405A1 - Elektrochemischer Energiespeicher und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102015015405A1
Application number: DE102015015405.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hintennach
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2016-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher (1), umfassend zumindest eine als Anode ausgebildete Elektrode (2) und zumindest eine als Kathode ausgebildete Elektrode (3), wobei in einem zwischen den Elektroden (2, 3) ausgebildeten Elektrodenzwischenraum (4) ein Separator (7) und ein Elektrolyt (5) angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist der Elektrolyt (5) mit einem Additiv versetzt, welches 5-(1-Methylbutyl)-5-(2-propenyl)-(1H,3H,5H)-pyrimidin-2,4,6-trion umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrochemischen Energiespeichers (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Energiespeichers.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 10 2010 018 731 A1 beschrieben, eine Lithium-Schwefel-Batterie bekannt. Die Lithium-Schwefel-Batterie weist eine erste Elektrode, umfassend Lithium, eine zweite Elektrode, umfassend Schwefel und/oder ein Lithiumsulfid, einen Separator zwischen den Elektroden und einen Elektrolyten im Separator auf. Der Separator umfasst ein nicht-verwebtes Vlies aus Polymerfasern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten elektrochemischen Energiespeicher sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Energiespeichers anzugeben.
Hinsichtlich des elektrochemischen Energiespeichers wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein elektrochemischer Energiespeicher umfasst zumindest eine als Anode ausgebildete Elektrode und zumindest eine als Kathode ausgebildete Elektrode, wobei in einem zwischen den Elektroden ausgebildeten Elektrodenzwischenraum ein Separator und ein Elektrolyt angeordnet sind.
Erfindungsgemäß ist der Elektrolyt mit einem Additiv versetzt, welches 5-(1-Methylbutyl)-5-(2-propenyl)-(1H,3H,5H)-pyrimidin-2,4,6-trion umfasst.
Der elektrochemische Energiespeicher ist als eine Metall-Schwefel-Zelle ausgebildet, insbesondere als eine Lithium-Schwefel-Zelle. Bei derartigen elektrochemischen Energiespeichern wird elementarer Schwefel als Aktivmaterial für die Energiespeicherung eingesetzt. Typischerweise wird Schwefel hierbei in ein Kohlenstoffmaterial eingelagert und dort fixiert. Ein Herauslösen des Schwefels muss unterbunden werden, da sonst die Speicherkapazität der jeweiligen Elektroden sinkt. Zudem könnte gelöster Schwefel auch bis zur Gegenelektrode gelangen und diese „vergiften”, indem eine irreversible Reaktion auf der Oberfläche stattfinden würde.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine Funktionalisierung des Separators erreicht, um auch bei größeren Poren im Separator und einer dadurch ermöglichten besseren Ionenbeweglichkeit eine Rückhaltefunktion des Separators bezüglich Polysulfiden sicherzustellen. Durch die erfindungsgemäße Lösung werden somit Polysulfide auch bei einer vergleichsweise großen Porenstruktur des Separators signifikant besser zurückgehalten als bei einem herkömmlichen Elektrolyt ohne das Additiv. Eine Ionenmobilität wird durch die großen Poren des Separators verbessert und durch das Additiv nicht gestört. Dadurch ist eine sehr gute elektrochemische Leistungsfähigkeit ermöglicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 schematisch eine Schnittdarstellung eines elektrochemischen Energiespeichers.
In der einzigen 1 ist eine Schnittdarstellung eines elektrochemischen Energiespeichers 1 dargestellt.
Der Energiespeicher 1 umfasst ein Gehäuse 6, in welchem eine als Anode ausgebildete Elektrode 2 und eine als Kathode ausgebildete Elektrode 3 angeordnet sind. Zwischen den Elektroden 2, 3 ist ein Elektrodenzwischenraum 4 ausgebildet, in welchem ein Separator 7 und ein flüssiger Elektrolyt 5 angeordnet sind.
Der elektrochemische Energiespeicher 1 ist beispielsweise als eine Metall-Schwefel-Zelle ausgebildet, insbesondere als eine Lithium-Schwefel-Zelle. Bei einer derartigen Lithium-Schwefel-Zelle umfasst eine der Elektroden 2, 3 Lithium und die andere Elektrode 3, 2 umfasst Schwefel und/oder ein Lithiumsulfid, d. h. es wird zweckmäßigerweise elementarer Schwefel als Aktivmaterial für die Energiespeicherung eingesetzt. Typischerweise wird Schwefel hierbei in ein Kohlenstoffmaterial eingelagert und dort fixiert.
Ein Herauslösen des Schwefels muss unterbunden werden, da sonst die Speicherkapazität der den Schwefel umfassenden Elektrode 3, 2 sinkt. Zudem könnte gelöster Schwefel auch bis zur Gegenelektrode, beispielsweise der Lithium umfassenden Elektrode 2, 3, gelangen und diese „vergiften”, indem eine irreversible Reaktion auf deren Oberfläche stattfinden würde.
Bisher bekannte Separatoren 7 bieten eine gute separierende Funktion, behindern jedoch auch eine Ionenbeweglichkeit, zum Beispiel von Lithium-Ionen. Dies führt zu einer verschlechterten elektrochemischen Leistung entsprechender elektrochemischer Energiespeicher 1. Um dieser Behinderung der Ionenbeweglichkeit entgegenzuwirken, könnten Separatoren 7 mit größeren Poren verwendet werden. Sind die Poren bzw. ist eine poröse Struktur des Separators 7 jedoch zu groß, ist die separierende Funktion bezüglich Polysulfiden nicht mehr ausreichend.
Die Lösung dieses Problems besteht in einer Funktionalisierung des Separators 7, um auch bei größeren Poren und einer dadurch ermöglichten verbesserten Ionenbeweglichkeit die Rückhaltefunktion, d. h. die separierende Funktion des Separators 7 bezüglich Polysulfiden sicherzustellen. Dazu wird eine entsprechende Vorbehandlung des Separators 7 vor dem Einbau und/oder während einer Elektrolytbefüllung des elektrochemischen Energiespeichers 1 durch Zugabe eines Additivs durchgeführt. Vorteilhafterweise wird dieses Additiv dem Elektrolyt 5 zugegeben, so dass ein zusätzlicher Arbeitsschritt entfällt.
Das Additiv zur Funktionalisierung des Elektrolyten 5 umfasst, zweckmäßigerweise ausschließlich, 5-(1-Methylbutyl)-5-(2-propenyl)-(1H,3H,5H)-pyrimidin-2,4,6-trion. Zweckmäßigerweise wird dieses Additiv einer ersten Teilmenge des Elektrolyten 5 zugegeben und vollständig darin gelöst. Diese erste Teilmenge wird dann dem Separator 7 zugesetzt. Dies erfolgt zweckmäßigerweise in einem Temperaturbereich von 15°C bis 20°C.
Bevorzugt erfolgt dies während der Herstellung des elektrochemischen Energiespeichers 1, wobei zunächst die zumindest zwei Elektroden 2, 3 und der dazwischen angeordnete Separator 7 im Gehäuse 6 angeordnet werden. Anschließend wird die mit dem Additiv versetze erste Teilmenge des Elektrolyten 5 in den Elektrodenzwischenraum 4 eingefüllt, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 15°C bis 20°C, wie bereits erwähnt. Danach, vorzugsweise nach einer Wartezeit von ca. 20 Sekunden, erfolgt das Einfüllen der zweiten Teilmenge des Elektrolyten 5 in den Elektrodenzwischenraum 4, wobei dies, d. h. das Einfüllen der zweiten Teilmenge, als ein normaler Befüllvorgang des elektrochemischen Energiespeichers 1 durchgeführt werden kann, d. h. insbesondere unter Unterdruck und Fluten mit Stickstoff. Dabei erfolgt die vollständige Funktionalisierung einer Polymeroberfläche des Separators 7.
Eine Menge des Additivs bezogen auf die Gesamtmenge des Elektrolyten 5 beträgt 0,1 Gewichts-% bis 1,1 Gewichts-%, bevorzugt 0,6 Gewichts-%, der Menge des Elektrolyten 5, d. h. in der Elektrolyt-Additiv-Mischung sind 0,1 Gewichts-% bis 1,1 Gewichts-%, bevorzugt 0,6 Gewichts-%, des Additivs enthalten.
Durch diese Funktionalisierung des Separators 7 werden Polysulfide signifikant besser zurückgehalten, auch bei einer vergleichsweise großen Porenstruktur des Separators 7. Die Ionenmobilität wird nicht gestört. Dadurch ist eine sehr gute elektrochemische Leistung sichergestellt.
Der mittels des Verfahrens hergestellte elektrochemische Energiespeicher 1 umfasst dann die zumindest eine als Anode ausgebildete Elektrode 2 und die zumindest eine als Kathode ausgebildete Elektrode 3, wobei im zwischen den Elektroden 2, 3 ausgebildeten Elektrodenzwischenraum 4 der Separator 7 und der Elektrolyt 5 angeordnet sind. Der Elektrolyt 5 ist mit dem Additiv versetzt, welches, zweckmäßigerweise ausschließlich, 5-(1-Methylbutyl)-5-(2-propenyl)-(1H,3H,5H)-pyrimidin-2,4,6-trion umfasst. Wie bereits oben beschrieben, entspricht eine Menge des Additivs 0,1 Gewichts-% bis 1,1 Gewichts-%, bevorzugt 0,6 Gewichts-%, der Menge des Elektrolyten 5.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010018731 A1 [0003]

Claims

Elektrochemischer Energiespeicher (1), umfassend zumindest eine als Anode ausgebildete Elektrode (2) und zumindest eine als Kathode ausgebildete Elektrode (3), wobei in einem zwischen den Elektroden (2, 3) ausgebildeten Elektrodenzwischenraum (4) ein Separator (7) und ein Elektrolyt (5) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (5) mit einem Additiv versetzt ist, welches 5-(1-Methylbutyl)-5-(2-propenyl)-(1H,3H,5H)-pyrimidin-2,4,6-trion umfasst.
Elektrochemischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge des Additivs 0,6 Gewichts-% der Menge des Elektrolyten (5) entspricht.
Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Energiespeichers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen des Elektrolyten (5) und des Additivs, – Hinzufügen des Additivs zu einer ersten Teilmenge des Elektrolyten (5), – Einfüllen der mit dem Additiv versetzen ersten Teilmenge des Elektrolyten (5) in den Elektrodenzwischenraum (4) und – Einfüllen der zweiten Teilmenge des Elektrolyten (5) in den Elektrodenzwischenraum (4).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfüllen der mit dem Additiv versetzten ersten Teilmenge des Elektrolyten (5) in einem Temperaturbereich von 15°C bis 20°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfüllen der zweiten Teilmenge des Elektrolyten (5) nach einer Wartezeit von 20 Sekunden nach dem Einfüllen der mit dem Additiv versetzten ersten Teilmenge des Elektrolyten (5) erfolgt.