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Die Erfindung betrifft einen Elektrolyt für eine Batteriezelle, eine Batteriezelle mit dem Elektrolyt sowie eine Batterie mit wenigstens einer derartigen Batteriezelle. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle.
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Für wiederaufladbare Batteriezellen (Akkumulatoren), bspw. für solche in wiederaufladbaren Traktionsbatterien für Fahrzeuge mit einem (teil)elektrischen Antriebsstrang (etwa reine Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybrid-Fahrzeuge und serielle Hybrid-Fahrzeuge) kommen aufgrund der erreichbaren Energiedichten derzeit ganz überwiegend Batteriezellen bzw. Batterien auf Lithium-Basis zum Einsatz.
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Lithium ist das leichteste, bei Raumtemperatur feste Element im Periodensystem und ist von daher in Bezug auf das Gewicht einer Batteriezelle (oder allgemeiner ausgedrückt: eines elektrochemischen Energiespeichers) von großem Vorteil. Einige Forscher sind jedoch davon überzeugt, dass schwerere Elemente, wie etwa Magnesium, grundsätzlich einen größeren Nutzen bieten können. Magnesium-Ionen sind zweifach positiv geladen, Lithium-Ionen hingegen nur einfach positiv. Somit ließe sich mit Magnesium-Ionen grundsätzlich mehr Energie freisetzen als mit Lithium-Ionen und das bei praktisch unverändertem Volumen und Gewicht.
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Eine Anforderung an Batteriezellen ist jedoch, dass der innere Ladungsausgleich durch mobile Ionen rasch und gleichmäßig erfolgen muss. Magnesium weist diesbezüglich den Nachteil auf, dass es sich durch Elektroden und Elektrolyt relativ langsam bewegt. Grund hierfür ist die Ionengröße und die elektrische Ladung. Die sogenannte Ionenmobilität ist jedoch eine wesentliche Eigenschaft von Batteriezellen. Ist nur eine geringe Ionenmobilität gegeben, ist eine Belastung der Batteriezelle mit hohen Strömen nicht möglich, gegebenenfalls entstehen sogar zu hohe Temperaturen mit der Gefahr eines Brandes.
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Die
US 2014/0302403 A1 beschreibt einen Elektrolyt für den Transport von Magnesium-Ionen zwischen Elektroden, wobei der Elektrolyt eine hohe Leitfähigkeit und ein großes elektrochemisches Fenster von bis zu mehr als 3,0 V gegenüber Mg/Mg
2+ aufweist. Der Elektrolyt enthält zumindest ein organisches Lösungsmittel und zumindest einen elektrolytisch aktiven, löslichen, anorganischen Magnesiumsalzkomplex, wobei der Magnesiumsalzkomplex über die chemische Formel Mg
aZ
bX
c beschrieben ist. Dabei sind a, b und c dazu vorgesehen, eine elektrisch neutrale Ladung der Moleküle zu erhalten, Z und X sind dazu vorgesehen eine Lewis-Säure zu bilden, und es sind 1 ≤ a ≤ 10, 1 ≤ b ≤ 5 und 2 ≤ c ≤ 30. Z ist ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Aluminium, Bor, Phosphor, Titan, Eisen und Antimon, und X ist ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Iod, Brom, Chlor, Fluor und Mischungen davon.
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Aus der
DE 10 2015 008 362 A1 ist ein insbesondere für einen als Magnesium-Ionen-Akkumulator ausgebildeten elektrochemischen Energiespeicher geeigneter Elektrolyt bekannt, der als Additive (RS)-1-(Isopropylamino)-3-(naphthalen-1-yloxy)propan-2-ol und (E)-5-methoxy-l-[4-(trifluoromethyl)phenyl]pentan-1-on-[O-(2-aminoethyl)oxim] enthält.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen im Vergleich zum vorbekannten Stand der Technik verbesserten Elektrolyt für eine Batteriezelle, bevorzugt für eine wiederaufladbare Batteriezelle, besonders bevorzugt für eine wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batteriezelle, sowie eine wiederaufladbare Batteriezelle mit dem Elektrolyt bereitzustellen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterie mit wenigstens einer derartigen Batteriezelle und ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle bereitzustellen.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch den Elektrolyt gemäß Anspruch 1, die Batteriezelle gemäß Anspruch 5, die Batterie gemäß Anspruch 9 und das Verfahren gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Weiterbildungen des Elektrolyts und der Batteriezelle sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird ein Elektrolyt für eine Batteriezelle vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er als ein Additiv Benzyldiethyl(2,6-xylylcarbamoyl)-methylammoniumbenzoat aufweist.
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Das Additiv erhöht die Ionenmobilität von freien Ionen im Elektrolyt. Daraus resultierend wird die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyts gegenüber dem Stand der Technik verbessert. Die Viskosität des Elektrolyts wird mittels des Additivs nicht oder nur sehr gering beeinflusst. Somit können mittels des Additivs Elektrolyte erhalten werden, die eine übliche Viskosität aufweisen. Es können darüber hinaus in vorteilhafter Weise jedoch auch Elektrolyte mit einer höheren Viskosität verwendet werden, bzw. kann der erfindungsgemäße Elektrolyt eine höhere Viskosität aufweisen.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung weist der Elektrolyt 0,01 Gew.-% bis 0,05 Gew.-%, bevorzugt 0,025 Gew.-% Benzyldiethyl(2,6-xylylcarbamoyl)-methylammoniumbenzoat als ein Additiv auf.
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Der Elektrolyt kann in vorteilhafter Weise auch ein Thixotropiermittel enthalten, bspw. Orthokieselsäure.
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Die Batteriezelle gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Anode, eine Kathode und einen erfindungsgemäßen Elektrolyt oder einen seiner vorteilhaften Weiterbildungen.
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Bei der Batteriezelle umfasst in vorteilhafter Weise die Anode als ein chemisch aktives Material Magnesium oder eine Magnesiumverbindung, welches in eine elektrisch leitfähige Matrix der Anode interkaliert ist. Hierbei kann die elektrisch leitfähige Matrix der Anode in vorteilhafter Weise eine elektrisch leitfähige Kohlenstoffstruktur umfassen.
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Bei der Batteriezelle gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Kathode eine elektrisch leitfähige Matrix umfassen, wobei die elektrisch leitfähige Matrix der Kathode ein Metall oder eine Metallverbindung umfasst.
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Die Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine erfindungsgemäße Batteriezelle oder eine ihrer vorteilhaften Weiterbildungen aufweist.
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Von der vorliegenden Erfindung umfasst ist auch ein Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle, umfassend die Schritte:
- – Bereitstellen eines wasserfreien Elektrolyts für eine wiederaufladbare Batteriezelle,
- – Zugeben einer solchen Menge an getrocknetem Benzyldiethyl(2,6-xylylcarbamoyl)-methylammoniumbenzoat zu dem wasserfreien Elektrolyt, dass der Gehalt an Benzyldiethyl(2,6-xylylcarbamoyl)-methylammoniumbenzoat in dem fertigen Elektrolyt von 0,01 Gew.-% bis 0,05 Gew.-%, bevorzugt 0,025 Gew.-% beträgt, und
- – Befüllung einer Batteriezelle mit dem fertigen Elektrolyt bei einer Temperatur von kleiner 30°C.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die einzige Fig. ein schematisches und nicht maßstabsgerechtes Beispiel einer Schnittdarstellung einer Batteriezelle gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem daran angeschlossenen elektrischen Verbraucher.
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Die in der Fig. beispielhaft dargestellte Batteriezelle 1 umfasst eine Anode 2 und eine Kathode 3, die räumlich durch einen Elektrodenzwischenraum voneinander getrennt sind, wobei der Elektrodenzwischenraum einen Elektrolyt 4 und einen ionenleitenden Separator 5 aufweist.
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Die Anode 2 und Kathode 3 sind jeweils als Festkörper ausgebildet, welcher aus einem Substrat gebildet ist, das mit einer elektrisch leitfähigen Matrix versehen ist. Die elektrisch leitfähige Matrix zumindest auf einer dem Elektrolyt 4 zugewandten Oberflächenseite des Substrats angeordnet.
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Die elektrisch leitfähige Matrix der Anode 2 ist bspw. aus einer elektrisch leitfähigen Kohlenstoffstruktur und einer Siliziumstruktur gebildet. Die elektrisch leitfähige Matrix der Kathode 3 umfasst bspw. Metall-Ionen, z. B. Mangan-, Bismut- oder Cobalt-Ionen, in Verbindung mit Sauerstoff.
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In die elektrisch leitfähige Matrix der Anode 2 ist zudem ein chemisch aktives Material eingebunden, welches eine zwischen der Anode 2 und der Kathode 3 ablaufende chemische Reaktion ermöglicht, bei welcher die Batteriezelle 1 entweder geladen oder entladen wird. Als chemisch aktives Material der Anode 2 ist hierbei Magnesium oder eine Magnesiumverbindung in die elektrisch leitfähige Matrix der Anode 2 interkaliert. Damit ist die Batteriezelle 1 als Magnesium-Ionen-Akkumulator ausgebildet.
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Der Elektrolyt 4 dient als Übertragungsmedium der zwischen der Anode 2 und der Kathode 3 ablaufenden chemischen Reaktion während des Ladens und Entladens der Batteriezelle 1. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Elektrolyt 4 als ein nichtwässriger Elektrolyt 4 im flüssigen Aggregatzustand mit einer definierten Viskosität ausgebildet, die gegenüber einer Viskosität eines für einen Lithium-Ionen-Akkumulator vorgesehen Elektrolyt erhöht sein kann. Höherviskose Elektrolyte bieten Vorteile bzgl. der Sicherheit.
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Beim Entladen erfolgt eine Oxidation des in der Anode 2 eingebundenen Magnesiums unter Freisetzung von 2 Elektronen pro Magnesiumatom. Die so gebildeten Magnesium-Ionen wandern durch den Elektrolyt 4 und den Separator 5 zur Kathode 3 während die Elektronen über einen äußeren Stromkreis von der Anode 2 zur Kathode 3 übertragen werden, in den ein elektrischer Verbraucher 6 eingebunden ist.
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Beim Laden der Batteriezelle 1 erfolgt grundsätzlich der umgekehrte Vorgang wie beim Entladen, d. h. die positiv geladenen Magnesium-Ionen wandern von der Kathode 3 durch den Elektrolyt 4 und den Separator 5 zur Anode 2, während die Elektronen vom Ladestrom über den äußeren Stromkreis zur Anode 2 wandern. An der Anode 2 erfolgt eine Reduktion der Magnesium-Ionen zu metallischem Magnesium.
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Wie oben bereits erwähnt ist Magnesium als Erdalkalimetall zweiwertig und kann somit im Vergleich zu einwertigen Lithium-Ionen grundsätzlich pro Volumen- oder Gewichtseinheit mehr Energie speichern und freisetzen. Aufgrund des größeren Ionenradius und der zweifach positiven Ladung von Magnesium-Ionen ist die Ionenmobilität im Elektrolyt 4 gegenüber Lithium-Ionen oder anderen einwertigen Metall-Ionen mit geringerem Ionenradius jedoch verringert.
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Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung vor, den Elektrolyt 4 mit einem Additiv zu versetzen, welches die Mobilität von Magnesium-Ionen im Elektrolyt 4 erhöht, wobei der Elektrolyt 4 gemäß der vorliegenden Erfindung als ein Additiv Benzyldiethyl(2,6-xylylcarbamoyl)-methylammoniumbenzoat aufweist.
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Der Elektrolyt weist 0,01 Gew.-% bis 0,05 Gew.-%, bevorzugt 0,025 Gew.-% Benzyldiethyl(2,6-xylylcarbamoyl)-methylammoniumbenzoat als Additiv auf.
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Das getrocknete Additiv wird dem Elektrolyt 4 in einer solchen Menge hinzugefügt, dass das Additiv einen Gewichtsanteil im oben angegebenen Bereich im fertigen Elektrolyt aufweist. Anschließend wird der fertige Elektrolyt in den Elektrodenzwischenraum der Batteriezelle 1 gefüllt, wobei jedoch darauf zu achten ist, dass die Temperatur kleiner 30°C beträgt.
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Wie von dem Erfinder herausgefunden wurde, ist eine möglichst gute Trocknung des Additivs vor seinem Einsatz insoweit von Vorteil, als hierdurch die Solvathülle von Magnesium-Ionen signifikant positiv beeinflusst werden kann, d. h. es wird die „Abstreifung” der Solvathülle um die Magnesium-Ionen vereinfacht.
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Dem Elektrolyt kann in vorteilhafter Weise als weiteres Additiv auch ein Thixotropiermittel, bspw. Orthokieselsäure zugegeben werden. Hierdurch kann die Viskosität des Elektrolyts 4 eingestellt und die Benetzung bzw. der Benetzungsgrad der porösen Struktur der Elektroden 2, 3 gesteuert werden.
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Von der vorliegenden Erfindung umfasst sind auch alle Verfahren, die sich für einen Fachmann aus der Beschreibung des Elektrolyts, der Batteriezelle, der Batterie, der auf den Elektrolyt, die Batteriezelle und die Batterie gerichteten Ansprüche, der Figur, der Figurenbeschreibung sowie der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele ohne Weiteres ergeben.
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Eine Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sie wenigstens eine erfindungsgemäße Batteriezelle oder eine ihrer vorteilhaften Weiterbildungen oder Ausgestaltungen aufweist. Eine Batterie weist in der Regel eine Mehrzahl an Batteriezellen 1, die seriell und/oder parallel verschaltet sein können, weitere elektrischen Komponenten sowie ein Gehäuse auf.
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Soweit in der vorliegenden Anwendung davon gesprochen wird, dass bspw. der Elektrolyt, die Batteriezelle, etc. „ein” Element, „ein” Merkmal, etc. enthält, so ist darunter stets „wenigstens ein” zu verstehen, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht unzweifelhaft etwas anderes ergibt.
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Der erfindungsgemäße Einsatz des Additivs bzw. der Additive unterstützt die Ionenmobilität und ermöglicht den Einsatz von Magnesium-Ionen-Batteriezellen für automobile Anwendungen, da erstmals ausreichend große elektrische Ströme erzielbar sind.
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Mittels des Additivs bzw. der Additive können Elektrolyte erhalten werden, die eine Viskosität im bisher üblichen Rahmen aufweisen. Darüber hinaus ermöglicht das Additiv bzw. ermöglichen die Additive jedoch auch den Einsatz von höherviskosen Elektrolyten 4, welche für den Transport von zweiwertigen Metall-Ionen, insbesondere von Magnesium-Ionen, geeignet sind. Diese höherviskosen Elektrolyte 4 bieten im Vergleich zu Elektrolyten mit niedrigerer Viskosität eine erhöhte Sicherheit.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezelle
- 2
- Anode
- 3
- Kathode
- 4
- Elektrolyt
- 5
- ionenleitender Separator
- 6
- elektrischer Verbraucher
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0302403 A1 [0005]
- DE 102015008362 A1 [0006]
