DE102016122403B4

DE102016122403B4 - Lithium-ionen-batterie mit ionenfallen

Info

Publication number: DE102016122403B4
Application number: DE102016122403.0A
Authority: DE
Inventors: Ion C. Halalay; Timothy J. Fuller; Zicheng Li; Mark W. Verbrugge
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2024-05-08
Anticipated expiration: 2036-11-22
Also published as: CN106816626A; CN106816626B; DE102016122403A1; US10243241B2; US20170155175A1

Abstract

Eine Lithium-Ionen-Batterie, umfassend:eine positive Elektrode;eine negative Elektrode;einen mit einer Elektrolytlösung getränkten mikroporösen Polymerseparator, der sich zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode befindet; undeine Übergangsmetallkationenfalle die i) als Bindemittel an der positiven Elektrode oder der negativen Elektrode verbaut ist, ii) auf einer Oberfläche der positiven Elektrode oder der negativen Elektrode aufgebracht ist, iii) Bestandteil des mikroporösen Polymerseparators ist, iv) auf einer Oberfläche des mikroporösen Polymerseparators aufgebracht ist, oder v) als Additiv in der Elektrolytlösung vorliegt, wobei die Übergangsmetallkationenfalle Übergangsmetallkationen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mn4+, Mn3+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Cr2+, Cr3+, Co2+, Co3+, Ni2+, Ni3+, Ni4+, V3+, V5+und Kombinationen aus diesen, abfängt und ein Siderophor besitzt,worin:das Siderophor eine Ableitung von 2,3-Dihydroxybenzoesäure ist; oderdas Siderophor wird aus einer aus der Gruppe ausgewählt bestehend aus Enterobactin (Escheria Coli), Ferri (Ustilago Sphaerogena), Mycobactin (Mycobacterium), Bacillibactin (Bacillus Subtilis), Ferrioxamin B (Streptomyces Pilosus), Fusarinin C (Fusarium Roseum), Yersiniabactin (Yersinia Pestis), Vibriobactin (Vibrio Cholerae), Azotobactin (Azotobacter Vinelandii), Pseudobactin (Pseudomonas B 10), Ornibactin (Burkholderia Cepacia) und Erythrobactin (Saccharopolyspora Erythraea).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen eine Lithium-Ionen-Batterie mit Ionenfallen aus Übergangsmetall.
HINTERGRUND
Sekundäre oder wiederaufladbare Lithium-Batterien werden in vielen stationären und tragbaren Geräten verwendet, die man oft in den Bereichen Unterhaltungselektronik, der Automobil- sowie Luft- und Raumfahrtindustrie findet. Lithium-Ionen-Batterien sind aus verschiedenen Gründen populär geworden, dazu zählen eine relativ hohe Energiedichte, das generelle Fehlen von Memory-Effekten, wie sie bei anderen Arten von wiederaufladbaren Batterien vorkommen, ein relativ niedriger Innenwiderstand und eine geringe Selbstentladung bei Nichtverwendung. Die Fähigkeit von Lithium-Batterien, über ihre Lebensdauer wiederholte Power-Cycles durchführen zu können, macht sie zu einer attraktiven und zuverlässigen Energiequelle.
Bekannte Lithium-Ionen-Batterien sind zum Beispiel in DE 10 2010 054 778 A1 und DE 60 2006 000 279 T2 beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG
Erfindungsgemäß wird eine Lithium-Ionen-Batterie mit den folgenden Merkmalen zur Verfügung gestellt: eine positive Elektrode; eine negative Elektrode; ein mikroporöser, in einer Elektrolytlösung getränkter Polymerseparator, wobei sich der mikroporöse Polymerseparator zwischen der positiven und der negativen Elektrode befindet; und eine Übergangsmetallkationenfalle die i) als Binder in eine der positiven oder negativen Elektrode integriert ist, ii) auf einer Oberfläche der positiven oder negativen Elektrode angebracht ist, iii) Bestandteil des mikroporösen Polymerseparators ist, iv) auf einer Oberfläche des mikroporösen Polymerseparators angebracht ist, oder v) als Additiv in der Elektrolytlösung vorkommt. Die Übergangsmetallkationenfalle fängt Übergangsmetallkationen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mn⁴⁺, Mn³⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Cr²⁺, Cr³⁺, Co²⁺, Co³⁺, Ni²⁺, Ni³⁺, Ni⁴⁺, V³⁺, V⁵⁺ und Kombinationen aus diesen, ab und besitzt ein Siderophor, worin:

das Siderophor eine Ableitung von 2,3-Dihydroxybenzoesäure ist; oder
das Siderophor wird aus einer aus der Gruppe ausgewählt bestehend aus Enterobactin (Escheria Coli), Ferri (Ustilago Sphaerogena), Mycobactin (Mycobacterium), Bacillibactin (Bacillus Subtilis), Ferrioxamin B (Streptomyces Pilosus), Fusarinin C (Fusarium Roseum), Yersiniabactin (Yersinia Pestis), Vibriobactin (Vibrio Cholerae), Azotobactin (Azotobacter Vinelandii), Pseudobactin (Pseudomonas B 10), Ornibactin (Burkholderia Cepacia) und Erythrobactin (Saccharopolyspora Erythraea).

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale von Beispielen der vorliegenden Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen hervorgehen, in denen gleiche Bezugszeichen für ähnliche, obwohl vielleicht nicht identische Komponenten stehen. Der Kürze halber können Bezugszeichen oder Merkmale mit einer zuvor beschriebenen Funktion in Verbindung mit und bei ihrem Auftreten in anderen Zeichnungen beschrieben werden, oder auch nicht.

1 ist eine schematische Perspektivansicht eines Beispiels für eine Lithium-Ionen-Batterie während des Entladungszustands, bei der der Elektrolyt ein Additiv mit einem Material enthält, das als Ionenfalle Kationen von Übergangsmetall (TM) abfängt, die von der von der positiven Elektrode stammen, und somit deren Verlagerung zur negativen Elektrode verhindert;
2A zeigt ein Beispiel für ein Reaktionsschema zur Herstellung eines Additivs als TM-Ionenfalle über einen biosynthetischen Weg;
2B zeigt ein Beispiel für ein Reaktionsschema zur Herstellung eines Additivs als TM-Ionenfalle über einen synthetischen Weg;
3A zeigt schematisch ein Beispiel für einen mikroporösen Polymerseparator einer Lithium-Ionen-Batterie einschließlich des darin enthaltenen Additivs der TM-Ionenfalle;
3B zeigt schematisch ein anderes Beispiel des mikroporösen Polymerseparators einschließlich des Additivs auf einer Oberfläche des Separators für die TM-Ionenfalle;
4A schematisch ein Beispiel für eine positive Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie einschließlich des darin enthaltenen Additivs für die Ionenfalle; und
4B veranschaulicht schematisch ein weiteres Beispiel der positiven Elektrode einschließlich des Additivs auf einer Oberfläche der Elektrode für die Ionenfalle.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Lithium-Ionen-Batterien arbeiten im Allgemeinen durch reversibles Durchleiten von Lithium-Ionen von einer negativen Elektrode (manchmal als Anode bezeichnet) zu einer positiven Elektrode (manchmal als Kathode bezeichnet). Die negativen und positiven Elektroden sind an den gegenüberliegenden Seiten eines porösen Polymerseparators angeordnet, der mit einer für die Leitung der Lithium-Ionen geeigneten Elektrolytlösung getränkt ist. Jede der negativen und positiven Elektroden wird jeweils durch einen Stromkollektor ergänzt. Die den zwei Elektroden zugeordneten Stromkollektoren sind durch eine unterbrechbare externe Schaltung verbunden, die den Fluss von elektrischem Strom zwischen den Elektroden ermöglicht, um die Migration der Lithium-Ionen elektrisch auszubalancieren. Weiterhin kann die negative Elektrode ein Material für den Lithium-Einlagerungs-Host und die positive Elektrode ein aktives lithiumbasiertes Material enthalten, das Lithium-Ionen mit einem höheren elektrischen Potential speichern kann als der Einlagerungs-Host der negativen Elektrode. Die Elektrolytlösung kann in einer aprotischen nichtwässrigen Lösung ein Lithiumsalz enthalten.
Es hat sich gezeigt, dass Lithium-Ionen-Batterien durch die Auflösung von Übergangsmetallkationen der positiven Elektrode negativ beeinflusst werden, was sich in beschleunigtem Kapazitätsschwund und somit dem Verlust der Haltbarkeit der Batterie zeigt. Die Übergangsmetallkationen bewegen sich von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode der Batterie und führen somit zu deren „Vergiftung“. In einem Beispiel ist eine Graphit-Elektrode folgendermaßen vergiftet: Mn⁺², Mn⁺³, oder Mn⁺⁴ Kationen, die sich aus dem Spinell der positiven Elektrode lösen: Li_xMn₂O₄. So wandern beispielsweise die Mn⁺²-Kationen durch den Batterie-Elektrolyten und lagern sich auf der Graphit-Elektrode ab. Bei der Ablagerung auf dem Graphit wandeln sich die Mn⁺² -Kationen zu Mn-Metall um. Es hat sich gezeigt, dass eine relativ kleine Menge von Mn (z. B. 90 ppm) zur Vergiftung der Graphit-Elektrode ausreicht und den reversiblen Elektrodenbetrieb verhindert, was sich negativ auf die Lebensdauer der Batterie auswirkt. Der negative Effekt der Mn-Ablagerung auf der negativen Elektrode wird durch einen Einsatz der Batterie unter größeren Temperaturen (>40 °C), erheblich verstärkt, egal, ob die Einwirkung der Temperatur durch den Standort verursacht wird (d. h. einfache Positionierung an der Spannung des offenen Stromkreises bei beliebigem Ladezustand) oder während des Batteriebetriebs auftritt (d. h. während der Aufladung, der Entladung oder während eines Lade-/Endladezyklus'). Weiterhin ist bekannt, dass sich Eisen-Dendrite in Lithium-Ionen-Batterien bilden, die zu Kurzschlüssen führen.
Die Vergiftung der Lithium-Ionen-Batterie durch Übergangsmetalle, die sich von der positiven Elektrode lösen, kann durch den Einsatz der hier offenbarten Beispiele für eine neuartige Ionenfalle für Übergangsmetalle (TM) reduziert oder verhindert werden. Entweder allein, oder an ein Polymer gebunden, bindet die TM-Ionenfalle Übergangsmetallkationen, wie beispielsweise Mn-Kationen, die sich von der positiven Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie abspalten und verhindert dadurch deren Wanderung zur negativen Elektrode und den einhergehenden Leistungsverlust der Batterie. Jedes Übergangsmetallkation kann durch die TM-Ionenfalle gebunden werden, darunter auch Kationen aus Eisen (z. B. Fe²⁺, Fe³⁺), Chrom (z. B. Cr²⁺, Cr³⁺), Kobalt (z. B. Co²⁺, Co³⁺), Nickel (z. B., Ni²⁺, Ni³⁺, Ni⁴⁺) oder Vanadium (z. B. V³⁺, V⁵⁺). Es werden hier Beispiele für die Lithium-Ionen-Batterie und die TM-Ionenfalle, entweder allein oder an ein Polymer gekoppelt (ff. „TM chelatbildendes Polymer“ genannt) offenbart, die in Elektrolyten und/oder in bzw. an den Elektroden der Lithium-Ionen-Batterie und/oder in bzw. an dem mikroporösen Polymerseparator der Lithium-Ionen-Batterie untergebracht sein können. Jedes dieser Beispiele wird mit Bezug auf eine oder mehrere der Abbildungen in 1 bis 3B beschrieben.
Lithium-Ionen-Batterie
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Beispiel für eine Lithium-Ionen-Batterie 10 dargestellt. Die Lithium-Ionen-Batterie 10 verfügt für gewöhnlich über eine negative Elektrode 12, einen Stromabnehmer der Negativseite 12a, eine positive Elektrode 14, einen Stromabnehmer der Positivseite 14a und einen mikroporösen Polymerseparator 16, der zwischen der positiven Elektrode 14 und der negativen Elektrode 12 verbaut ist. Eine unterbrechbare externe Schaltung 18 verbindet die negative Elektrode 12 mit der positiven Elektrode 14. Die negative Elektrode 12, die positive Elektrode 14 und der mikroporöse Polymerseparator 16 sind jeweils in eine Elektrolytlösung getaucht, die Lithium-Ionen leiten kann.
Der Stromabnehmer der Negativseite 12a und der Stromabnehmer der Positivseite 14a können jeweils in Kontakt mit der negativen Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14 verbaut sein, um freie Elektronen vom externen Stromkreis 18 aufzunehmen und in diesen abzugeben.
Die Lithium-Ionen-Batterie 10 kann auch einen Verbraucher 22 unterstützen, der operativ mit dem externen Stromkreis 18 verbunden sein kann. Der Verbraucher 22 kann vollständig oder teilweise durch den elektrischen Strom des externen Stromkreises 18 angetrieben werden, wenn sich die Lithium-Ionen-Batterie 10 entlädt. Während der Verbraucher 22 eines aus einer beliebigen Anzahl elektrischer Geräte sein kann, gehören zu einigen spezifischen Beispielen für Verbraucher ein Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder Elektroauto, ein Laptop-Computer, ein Mobiltelefon und ein schnurloses Elektrowerkzeug. Der Verbraucher 22 kann jedoch auch ein Gerät zur Energieerzeugung sein, mit dem die Lithium-Ionen-Batterie 10 zum Speichern der Energie aufgeladen werden kann. Die Eigenschaft von Windrädern oder Solaranlagen, den Strom schwankend und/oder unregelmäßig zu erzeugen, führt beispielsweise oft zu der Notwendigkeit, die überschüssige Energie für den späteren Gebrauch speichern zu müssen.
Die Lithium-Ionen-Batterie 10 kann auch eine Vielzahl anderer Komponenten beinhalten, die bei Fachleuten wohl bekannt sind, auch wenn sie hier nicht dargestellt sind. Die Lithium-Ionen-Batterie 10 kann beispielsweise ein Gehäuse, Dichtungen, Anschlussklemmen, Laschen und andere nützliche Komponenten oder Materialien enthalten, die zwischen der negativen Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14 (oder um diese herum) angeordnet sein können. Zusätzlich können Größe und Form, sowie das Design und der chemische Aufbau ihrer Hauptkomponenten der Lithium-Ionen-Batterie 10 in Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung variieren, für die sie entworfen wurde. Batteriebetriebene Automobile und tragbare Unterhaltungselektronikgeräte sind beispielsweise zwei Einsatzgebiete, bei denen die Lithium-Ionen-Batterie 10 sehr wahrscheinlich eine andere Größe, Kapazität und Leistungsabgabe hätte. Die Lithium-Ionen-Batterie 10 kann auch in Reihe und/oder parallel mit anderen gleichartigen Lithium-Ionen-Batterien geschaltet sein, um eine größere Spannungs- und Stromausgabe (bei Parallelschaltung) oder eine größere Betriebsspannung (bei Schaltung in Reihe) zu erreichen, wenn der Verbraucher 22 dies' erfordert.
Die Lithium-Ionen-Batterie 10 kann während der Entladung durch reversible elektrochemische Reaktionen, die bei der Verbindung der negativen Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14 durch Schließen des externen Stromkreises 18 entstehen, nutzbare elektrische Energie produzieren, wenn die negative Elektrode 12 eine ausreichend große Menge an interkaliertem Lithium enthält. Die chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 14 und der negativen Elektrode 12 (im Bereich von etwa 2,0 bis 5,0 Volt, je nach dem exakten chemischen Aufbau der Elektroden 12, 14) treibt die Elektronen, die durch die Oxydation von interkaliertem Lithium an der negativen Elektrode 12 erzeugt werden, durch den externen Stromkreis 18 zur positiven Elektrode 14. Lithium-Ionen, die auch an der negativen Elektrode 12 gebildet werden, werden gleichzeitig über die Elektrolytlösung durch den mikroporösen Polymerseparator 16 zur positiven Elektrode 14 geleitet. Die durch den externen Stromkreis 18 fließenden Elektronen und die durch die Elektrolytlösung des mikroporösen Polymerseparators 16 wandernden Lithium-Ionen werden schließlich wieder zusammengeführt und bilden an der positiven Elektrode 14 interkaliertes Lithium. Der durch den externen Stromkreis 18 fließende elektrische Strom kann durch den Verbraucher 22 genutzt und geleitet werden, bis das Niveau des interkalierten Lithiums an der negativen Elektrode 12 unter ein Mindestniveau fällt, oder falls kein Bedarf an elektrischer Energie mehr besteht.
Die Lithium-Ionen-Batterie 10 kann jederzeit nach einer teilweisen oder vollständigen Entladung der Kapazität durch Anschluss der Lithium-Ionen-Batterie 10 an ein externes Batterieladegerät aufgeladen werden, um die elektrochemischen Reaktionen des Entladevorgangs umzukehren. Der Anschluss eines externen Ladegerätes an die Lithium-Ionen-Batterie 10 erzwingt die ansonsten nicht spontane Oxydation von Lithium-Übergangsmetall an der positiven Elektrode 14, um Elektronen zu erzeugen und Lithium-Ionen freizusetzen. Die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 18 zurück zur negativen Elektrode 12 fließen, und die Lithium-Ionen, die über den Elektrolyt durch den mikroporösen Polymerseparator 16 zurück zur negativen Elektrode 12 transportiert werden, treffen an der negativen Elektrode 12 aufeinander und füllen diese wieder mit interkaliertem Lithium für den Verbrauch im nächsten Batterie-Entladezyklus auf.
Das externe Batterieladegerät zur Aufladung der Lithium-Ionen-Batterie 10 kann in Abhängigkeit von der Größe, Konstruktion und speziellen Endanwendung der Lithium-Ionen-Batterie 10 variieren. Zu einigen geeigneten externen Batterieladegeräten zählen ein Batterieladegerät, das an einer Wechselstrom-Wandsteckdose angeschlossen wird und der Drehstromgenerator eines Kraftfahrzeugs.
Allgemein basiert die Funktion der Lithium-Ionen-Batterie 10 auf dem reversiblen Durchleiten von Lithium-Ionen zwischen der negativen Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14. Im vollgeladenen Zustand liegt die Spannung der Batterie 10 bei einem Maximalwert (normalerweise im Bereich von 2,0 V bis 5,0 V), im voll entladenen Zustand liegt die Spannung der Batterie 10 bei einem Minimalwert (normalerweise im Bereich von 0 V bis 2,0 V). Im Wesentlichen ändern sich die Fermi-Energieniveaus der aktiven Materialien in der positiven und der negativen Elektrode 14, 12 während des Batteriebetriebs und somit auch der Unterschied zwischen den beiden, auch bekannt als Batteriespannung. Während der Entladung nimmt die Batteriespannung ab und die Fermi-Niveaus nähern sich aneinander an. Während der Ladung kommt es zum umgekehrten Prozess, wobei die Batteriespannung steigt, während die Fermi-Niveaus sich voneinander entfernen. Während der Batterieentladung ermöglicht der externe Verbraucher 22 einen Stromfluss im externen Stromkreis 18 in die Richtung, die den Unterschied zwischen den Fermi-Niveaus (und dementsprechend der Zellspannung) sinken lässt. Während der Batterieaufladung geschieht das Gegenteil: Das Batterieladegerät erzwingt einen Stromfluss im externen Stromkreis 18 in die Richtung, die den Unterschied zwischen den Fermi-Niveaus (und dementsprechend die Zellspannung) steigen lässt.
Zu Beginn der Entladung enthält die negative Elektrode 12 der Lithium-Ionen-Batterie 10 eine hohe Konzentration an interkaliertem Lithium, während die positive Elektrode 14 relativ leer ist. Wenn die negative Elektrode 12 eine ausreichend große Menge interkaliertes Lithium enthält, kann die Lithium-Ionen-Batterie 10 durch bereits zuvor beschriebene reversible elektrochemische Reaktionen, die bei der Verbindung der negativen Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14 durch Schließen des externen Stromkreises 18 entstehen, nutzbare elektrische Energie produzieren. Die Schließung des externen Stromkreises verursacht unter diesen Umständen die Extraktion des interkalierten Lithiums aus der negativen Elektrode 12. Die extrahierten Lithiumatome spalten sich in Lithium-Ionen (gekennzeichnet durch schwarze Punkte und offene Kreise mit einer (+)-Ladung) und Elektronen (e^-), wenn sie den Einlagerungs-Host am Übergang von negativer Elektrode zum Elektrolyt verlassen.
Die negative Elektrode 12 kann jedes aktive Lithium-Host-Material enthalten, das ausreichend die Ein- und Auslagerung von Lithium unterstützt, während ein geeigneter Stromkollektor 12a als negativer Anschluss der Lithium-Ionen-Batterie 10 dient. Die negative Elektrode 12 kann auch ein Polymer-Bindemittel beinhalten, um das Lithium-Host-Material strukturell zusammenzuhalten. So kann beispielsweise die negative Elektrode 12 aus einem aktiven Material bestehen, das aus Graphit, oder einem amorphen Kohlenstoff mit niedrigem Oberflächenwert und einem Bindemittel aus Polyvinylidenfluorid (PVdF), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder Carboxymethylcellulose (CMC) gemacht wurde. Diese Materialien können mit Kohlenstoff vermengt werden, der einen großen Oberflächenwert aufweist, beispielsweise Acetylenruß oder anderen leitenden Füllstoffen, die eine Elektronenleitung zwischen dem Stromkollektor 12a und der aktiven Materialpartikeln der negativen Elektrode 12 gewährleisten. Graphit wird zur Bildung der negativen Elektrode 12 gern verwendet, da er wünschenswerte Eigenschaften bei der Ein- und Auslagerung von Lithium aufweist, relativ nicht-reaktiv ist und Lithium in Mengen speichern kann, die eine relativ hohe Energiedichte ergeben. Kommerzielle Graphitprodukte für die Herstellung der negativen Elektrode 12 kommen beispielsweise von der Timcal AG (Imerys Graphite & Carbon Switzerland SA, Bodio, Schweiz) Lonza Gruppe (Basel, Schweiz) oder Superior Graphite (Chicago, IL). Auch andere Materialien können zur Herstellung der negativen Elektrode 12 verwendet werden, wie beispielsweise Lithium-Titanat, Silizium oder Verbundwerkstoffe auf Silizium-Kohlenstoff-Basis und Zinnoxid.
Nahe der negativen Elektrode 12 ist der Stromkollektor der negativen Seite 12a verbaut, der aus Kupfer oder einem beliebigen anderen elektrisch leitenden Material bestehen kann, das unter Fachleuten bekannt ist.
Die positive Elektrode 14 kann aus einem beliebigen aktiven Material auf Lithiumbasis bestehen, das eine Interkalation und Deinterkalation von Lithium in ausreichendem Maße ermöglicht, ein geeigneter Stromkollektor 14a dient dabei als Pluspol der Lithium-Ionen-Batterie 10. Die positive Elektrode 14 kann auch ein Polymer-Bindemittel beinhalten, um das aktive Material auf Lithiumbasis strukturell zusammenzuhalten. Beispiele für das Polymer-Bindemittel beinhalten Polyvinylidenfluorid (PVdF), eine Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM), oder Carboxymethylcellulose (CMC). In verschiedenen Beispielen kann die positive Elektrode 14 ein aktives Material vermischt mit dem Polymer-Bindemittel und einem Kohlenstoff mit großem Oberflächenwert enthalten, wie Acetylenruß oder andere leitende Füllstoffe, die eine Elektronenleitung zwischen dem Stromkollektor 14a und der aktiven Materialpartikeln der positiven Elektrode 14 ermöglichen.
Eine gemeinsame Klasse bekannter Materialien, die zur Herstellung der positiven Elektrode 14 verwendet werden können, sind geschichtete Lithium-Übergangsmetall-Oxide. Beispiele für aktives Material verfügen über mindestens einen der Spinelle aus Lithium-Mangan-Oxid (LiMn₂O₄) Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO₂) Mangan-Nickel-Oxid [Li(Mn_1,5Ni_0,5)O₂], geschichtetes Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid [Li(Ni_1-xMn_1-yCo_x+y)O₂], LiNiO₂, Li₂MSiO₄ (M = Co, Fe, Mn), ein Lithium-Eisen-Polyanion Oxid, wie z. B. Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO₄) oder Lithium-Eisen-Fluorophosphate (Li₂FePO₄F) oder eine Schichtkathode, die reich an Lithium ist, beispielsweise xLi₂MnO₃-(1-x)LiMO₂ (M besteht aus einer beliebigen Zusammenstellung von Ni, Mn und Co). Andere lithiumbasierte aktive Materialien können ebenfalls verwendet werden können, wie LiNi_1-xCo_1-yM_x+yO₂, LiMn_1,5-xNi_0,5-yM_x+yO₄ (M besteht aus einer beliebigen Zusammenstellung von Al, Ti, Cr, Mg), stabilisierte und/oder Lithium-Mangan-Oxid Spinelle (Li_xMn_2-yM_yO₄, M besteht aus einer beliebigen Zusammenstellung von Al, Ti, Cr, Mg), und/oder Lithium-Vanadium-Oxid (LiV₂O₅) Li₂MSiO₄ (M besteht aus einer beliebigen Zusammenstellung von Co, Fe, und/oder Mn), xLi₂MnO₃-(1-x)LiMO₂ (M besteht aus einer beliebigen Zusammenstellung von Ni, Mn und/oder Co), und anderes hoch energetisches Material auf der Basis von Nickel-Mangan-Kobalt (HE-NMC). Mit „beliebige Zusammenstellung“ ist gemeint, dass jedes Element jeweils in beliebiger Menge vorhanden sein kann. So könnte in einigen Beispielen M Al sein, mit oder ohne Cr Ti und/oder Mg, oder jede beliebige andere Kombination der gelisteten Elemente. In einem anderen Beispiel können Anionsubstitutionen im Gitter eines jeden Beispiels des Lithium-Übergangsmetall-basierten aktiven Materials zur Stabilisierung der Kristallstruktur gemacht werden. So kann beispielsweise jedes beliebige O-Atom durch ein F-Atom substituiert sein. Andere aktive Materialien auf der Basis von Lithium können ebenfalls verwendet werden. Beispiele für solche alternative Materialien beinhalten Lithium-Nickel-Kobalt-Oxid (LiNi_xCo_1-xO₂) und mit Aluminium stabilisierte Lithium-Mangan-Oxid Spinelle (Li_xMn_2-xAl_yO₄).
Nahe der positiven Elektrode 14 ist der Stromkollektor der positiven Seite 14a verbaut, der aus Aluminium oder einem beliebigen anderen elektrisch leitenden Material bestehen kann, das unter Fachleuten bekannt ist.
Der mikroporöse Polymerseparator 16 (der nachfolgend auch einfach als Separator 16 oder Polymerseparator 16 bezeichnet werden kann), der gleichzeitig als elektrischer Isolator und als mechanischer Träger dient, ist zwischen der negativen Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14 eingebettet, um den physischen Kontakt zwischen den beiden Elektroden 12, 14 zu verhindern und somit einen Kurzschluss zu vermeiden. Zusätzlich zur Bildung einer physischen Barriere zwischen den beiden Elektroden 12, 14 stellt der Separator 16 den Durchtritt von Lithium-Ionen (in 1 durch schwarze Punkte und offene Kreise mit einer (+)-Ladung gekennzeichnet) und von zugehörigen Anionen (in 1 durch schwarze Punkte und offene Kreise mit einer (-)-Ladung gekennzeichnet) durch eine Elektrolytlösung sicher, die seine Poren füllt.
Der mikroporöse Polymerseparator 16 enthält, bzw. ist in einigen Beispielen eine Membran, diese Membran kann beispielsweise aus einem Polyolefin hergestellt sein. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein und kann entweder linear oder verzweigt sein. Wenn ein Heteropolymer, das von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, verwendet wird, kann das Polyolefin eine beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich solcher eines Blockcopolymers oder eines Randomcopolymers. Dasselbe gilt, wenn das Polyolefin ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist. So kann beispielsweise das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus PE und PP sein oder ein mehrschichtiger strukturierter poröser Film aus PE und/oder PP. Handelsübliche mikroporöse Polymerseparatoren 16 aus Polyolefin schließen CELGARD^® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD^® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/ Polyethylen/Polypropylen-Separator) von Celgard LLC ein. Einige andere handelsübliche Separatoren sind von den Firmen Entek International, Asahi-Kasei Corporation, Toray INC und SK Energy erhältlich.
In anderen Beispielen kann der mikroporöse Polymerseparator 16 aus einem anderen Polymer bestehen, ausgewählt aus Polyethylen-Terephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamiden (Nylon), Polyurethanen, Polykarbonaten, Polyester, Polyetheretherketonen (PEEK), Polyethersulfonen (PES), Polyimiden (PI), Polyamidimiden, Polyethern, Polyoxymethylen (z. B. Acetal), Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthenat, Polybuten, Polyolefincopolymeren, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymeren (ABS), Polystyrol-Copolymeren, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Polysiloxanpolymeren (wie z. B. Polydimethylsiloxan (PDMS)), Polybenzimidazol (PBI), Polybenzoxazol (PBO), Polyphenylenen, Polyarylen-Eetherketonen, Polyperfluorocyclobutan, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid-Co-Polymeren und Terpolymeren, Polyvinylfluorid, flüssigkristallinen Polymeren (z. B. VECTRAN™ (Hoechst AG, Deutschland) und ZENITE® (DuPont, Wilmington, DE)), Polyaramiden, Polyphenylenoxid, und/oder Kombinationen aus diesen. Es wird angenommen, dass ein anderes Beispiel für ein flüssigkristallines Polymer, das für den porösen Separator 16 verwendet werden kann, Poly(p-Hydroxybenzoesäure) ist. In noch einem weiteren Beispiel kann die Membran eine Kombination aus einem dieser Polymere und einem Polyolefin (wie PE und/oder PP) sein.
In einem weiteren Beispiel kann die Membran des mikroporösen Polymerseparators 16 aus einer Kombination von Polyolefin (wie z. B. PE und/oder PP) und einem oder mehreren aus den oben aufgelisteten Polymeren für den Separator 16 ausgewählt werden.
Der mikroporöse Polymerseparator 16 kann eine einzelne Schicht oder ein Mehrschicht-Laminat enthalten, entweder trocken oder nass in einem Gießverfahren, einer ungewobenen Faserverlegung, oder durch ein beliebiges anderes Verfahren hergestellt werden, das für eine mikroporöse Polymermembran mit den Eigenschaften zum Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien geeignet ist. So kann beispielsweise in einer Ausführungsform eine einzelne Schicht des Polyolefins die gesamte Membran des mikroporösen Polymerseparators 16 bilden. In einem anderen Beispiel kann eine einzige Schicht eines, oder eine beliebige Kombination aus irgendwelchen Polymeren, aus denen der mikroporöse Polymerseparator 16 gebildet werden kann (z. B. das Polyolefin und/oder ein oder mehrere der anderen oben für den Separator 16 aufgelisteten Polymere) den gesamten mikroporösen Polymerseparator 16 bilden. Als ein weiteres Beispiel kann der Polymerseparator 16 jedoch auch aus mehreren separaten Schichten von ähnlichen oder unterschiedlichen Polyolefinen und/oder Polymeren für den Separator 16 zusammengesetzt sein. In einem Beispiel kann eine separate Schicht aus dem einen oder den mehreren Polymeren auf einer separaten Schicht des Pololefins für den Separator 16 aufgebracht sein. Darüber hinaus können die Schicht aus Polyolefin (und/oder irgendwelchen anderen optionalen Polymeren) und irgendwelche anderen optionalen Polymerschichten zudem als fibröse Schicht in dem mikroporösen Polymerseparator 16 beinhaltet sein, um den mikroporösen Polymerseparator 16 mit geeigneten Eigenschaften für Struktur und Porosität auszustatten. Eine vollständigere Diskussion von Ein- und Mehrschichtseparatoren für Lithium-Ionen-Batterien, sowie deren trockene und nasse Herstellungsverfahren findet sich bei P. Arora und Z. Zhang, „Battery Separators", Chem. Rev., 104, 4419-4462 (2004).
Wiederum andere geeignete Polymerseparatoren 16 können eine Schicht aus keramischem Material oder einen keramischen Füllstoff in der Polymermatrix enthalten (z. B. eine organisch-anorganische Verbundmatrix).
Die negative Elektrode 12, die positive Elektrode 14, und der poröse Separator 16 sind alle in der Elektrolytlösung eingetaucht. Jede geeignete Elektrolytlösung mit Leitfähigkeit für die Lithium-Ionen zwischen der negativen und der positiven Elektrode 12/14 kann in der Lithium-Ionen-Batterie 10 verwendet werden. In einem Beispiel kann die Elektrolytlösung eine nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösung sein, die ein Lithiumsalz gelöst in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln enthält. Fachleuten sind die vielen nichtwässrigen flüssigen Elektrolytlösungen geläufig, die in der Lithium-Ionen-Batterie 10 verwendet werden können, ebenso wie sie herzustellen und im Handel zu erwerben sind. Zu den Beispielen für Lithiumsalze, die in einem organischen Lösungsmittel zur Bildung der nichtwässrigen flüssigen Elektrolytlösung aufgelöst sein können, gehören LiClO₄, LiAlCl₄, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF₄, LiB(C₆H₅)₄, LiCF₃SO₃, LiN(CF₃SO₂)₂ (LiTFSI), LiN(FSO₂)₂ (LiFSI), LiAsF₆, LiPF₆, LiB(C₂O₄)₂ (LiBOB), LiBF₂(C₂O₄) (LiODFB), LiPF₄(C₂O₄) (LiFOP), LiNO₃, und Mischungen aus diesen. Diese und ähnliche Lithiumsalze können in einer Reihe von organischen Lösungsmitteln verwendet werden: Zyklische Karbonate (Ethylenkarbonat, Propylenkarbonat, Butylenkarbonat, Fluorethylenkarbonat), lineare Karbonate (Dimethylkarbonat, Diethylkarbonat, Ethylmethylkarbonat), aliphatische Karbonsäureester (Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstrukturether (1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), zyklische Ether (Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) und Mischungen aus diesen.
Die Elektrolytlösung kann auch eine Anzahl von Additiven enthalten, wie beispielsweise Lösungsmittel und/oder Salze, diese sind untergeordnete Komponenten der Lösung. Zu den Beispielen für Additive gehören Lithium Bis(Oxalat-Borat) (LiBOB), Lithium-Difluor-Oxalat-Borat (LiDFOB), Vinylen-Karbonat, Monofluoroethylen-Karbonat, Propan-Sulton, 2-Propyn-Ol-Methanesulfonate, Methyl-Di-Fluor-Azetat, Bernsteinsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid, Adiponitril, Biphenyl, Ortho-Terphenyl, Dibenzyldisulfid, Diphenylether, N-Methylpyrrole, Furan, Thiophen, 3,4-Ethylendioxythiophen, 2,5-Dihydrofuran, Trishexafluoro-Iso-Propylphosphate, Trihydroxybenzol, Tetramethoxytitan usw. Während hier einige Beispiele genannt wurden, versteht sich, dass andere Additive verwendet werden könnten. Wenn verwendet, können Zusatzstoffe zwischen etwa 0,05 % bis etwa 5 % der Zusammensetzung der Elektrolytlösung ausmachen.
Polymer-Elektrolyte, ionische Flüssigkeiten und Schmelz-Elektrolyte (o. a. tiefeutektische Elektrolyte) können ebenfalls verwendet werden. Jedoch können diese Materialien, wenn sie in ihrer hochwertigen Form verwendet werden, bestimmte Eigenschaften zeigen, die eine Herausforderung darstellen. Zu diesen Eigenschaften gehören eine geringe Leitfähigkeit bei geringen Temperaturen, hohe Viskosität, und schlechte Benetzung der Elektroden.
Neben den vorgenannten Additiven und in Übereinstimmung mit den Lehren hierin, können natürliche Materialien (und/oder Modifikationen von diesen, oder ihre vollsynthetischen Entsprechungen) als Additive verwendet werden (im Elektrolyten), um Übergangsmetallkationen zu sammeln, die sich von der positiven Elektrode 14 der Li-Ion-Batterien 10 abspalten, und somit deren Wanderung zur negativen Elektrode 12 und den damit verbundenen Leistungsverlust der Batterie zu verhindern. Diese Additive (d. h. Übergangsmetallionenfallen) sind auch als Siderophore bekannt. Zu den verschiedenen Ausführungen von Übergangsmetallionenfallen gehören:

natürliche Produktmaterialien, die von Bakterien produziert wurden;
chemisch modifizierte natürliche Produktmaterialien (zum Ändern ihrer Verarbeitungseigenschaften, Verbesserung der Kompatibilität für den Einsatz in der Batterie usw.); oder
vollsynthetische Entsprechungen der natürlichen Produktmaterialien (gleiche Grundfunktionalitäten, aber möglicherweise für eine bestimmte Anwendung angepasst).

In einem Beispiel werden die natürlichen Produktmaterialien durch natürlich vorkommende Bakterien geschaffen. Viele der Bakterien, die bei der Umsetzung dieser Lehren nützlich sind, stammen aus Abwässern. Die hier verwendeten Bakterien basieren auf Derivaten von 2,3-Dihydroxybenzoesäure (2,3-DHBA) und dienen dem Abfangen von Übergangsmetallkationen. Diese Strukturen tendieren dazu, sich gleich einer Muschel zu schließen, um die Kationen zu fangen.
Ein Beispiel für ein solches Additiv ist Enterobactin, eine durch Escherichia coli Bakterien (E. coli, Kolibakterien) gebildete chemische Verbindung, welche bei der Bildung von Komplexen mit Fe³⁺ Ionen eine sehr hohe Komplexbildungskonstante aufweist, 27 Größenordnungen höher als EDTA. Es sei angemerkt, dass der Radius der Fe³⁺ Ionen identisch mit dem Radius von Mn⁴⁺ ist, das eine der vorherrschenden Mn-Arten ist, die sich von der positiven Elektrode 14 in den Li-Ion-Batterie-Elektrolyten abspalten. Somit wird für Enterobactin im Zusammenhang mit Mn⁴⁺ -Kationen und andere von ähnlicher Größe die gleiche Stabilitätskonstante erwartet wie im Fall von Fe³⁺.
Beispiele für einige natürlich vorkommende Fallen für Übergangsmetallkationen basierend auf 2,3-DHBA werden (einschließlich Enterobactin) weiter unten gezeigt:
Andere Materialien, die eine Faltstruktur (z. B. Muschel) oder allgemeiner eine Käfigstruktur bilden, können bei der Umsetzung dieser Lehren nützlich sein, so auch die oben dargestellten Entsprechungen der 2,3-DHBA. Weiterhin können diese Materialien auch zum Abfangen von anderen Übergangsmetallkationen als „Fänger“ für beliebige andere Übergangsmetallkationen im Elektrolyten eingesetzt werden.
Die 2A und 2B veranschaulichen jeweils ein Beispielverfahren für die Produktion von Enterobactin. 2A zeigt die Herstellung von Enterobactin mit einer biosynthetischen Methode während 2B die Herstellung von Enterobactin auf synthetische Weise zeigt.
Wie in 2A gezeigt, beginnt der Prozess mit Chorisminsäure, der Vorstufe einer aromatischen Aminosäure. Chorisminsäure wird zunächst in Isochorismat umgewandelt, dann in 2,3-Dihydro-2,3-dihydroxybenzoat, und schließlich in 2,3-Dihydroxybenzoesäure (DHBA). Die Amid-Verknüpfung von DHBA und L-Serin wird durch EntD (Entrobactin-Synthase, Komponente D), EntE (Entrobactin-Synthase, Komponente E) EntF (Entrobactin-Synthase, Komponente F) und einen C-terminalen Aryl-Träger von EntE katalysiert, das ein bifunktionales Protein ist. Serin wird durch Adenylation aktiviert und bindet sich anschließend an einem Peptidylträger einer Proteindomäne von EntF als zwischenliegendes Acyl-S-pantethein. Die finale Thioesterase-Domäne von EntF gibt später Enterobactin nach der Hydrolyse von drei Molekülen von DHBA-Ser durch intermolekulare Zyklisierung frei.
Wie in 2B gezeigt, beginnt eine frühe Synthese von Enterobactin mit N-Trityl-L-serinsäure (oder ihrem Methylester, Methyl-N-trityl-L-serinat, dabei ist Trityl (Trt) die von Triphenyl-Methyl-Chlorid abgeleitete Triphenyl-Methylgruppe). Eine Zyklisierungsreaktion erzeugt die Serin-β-lacton und die anschließende Behandlung mit 1,1,6,6-Tetra-1,6-distanna-2,5,7,10-tetracyclodecan ergibt die Tris(N-Trityl-L-Serin)trilacton. Die folgende Säurebehandlung ergibt zunächst Tri-serinE-trilacton-trihydrochlorid, das dann weiter mit dem p-Nitrophenyl-2,3-di(benzyloxy)benzoat reagiert. Die Entschützung der Catecholgruppen durch Reduktion mit Wasserstoff unter Verwendung eines Pd-auf-C-Katalysators erzeugt Enterobactin. Später eliminieren verbesserte Synthesen die zwischenliegenden Serin-B-Lactone. Die Synthese von Enterobactin wird in der folgenden nicht vollständigen Liste dokumentiert:

K.N. Raymond et al., „Enterobactin: An Archetype for Microbial Iron Transport", PNAS 100 (7), 3584-3588 (2003) (www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas0630018100),
E.J. Corey et. al., „Total synthesis of enterobactin, a macrocyclic iron transporting agent of bacteria", Tetrahedron Lett, Vol. 18, 45, 3919-3922 (1977),
W.H. Rastetter et al., „Synthesis of iron chelators. Enterobactin, enantioenterobactin, and a chiral analogue", J. Org. Chem., 46, 18, 3579-3590 (1981),
A. Shanzer et al., „Total synthesis of enterobactin via an organotin template", J. Chem Soc. Chem. Commun., 15, 846-847 (1983),
D. Seebach et al., „The Triolide of (R)-3-Hydroxybutyric acid - Direct Preparation from Polyhydroxybutyrate and Formation of a Crown Estercarbonyl Complex with Na Ions", Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 31, 434-435 (1992),
M. Meyer et al., „High-Yield Synthesis of the Enterobactin Trilactone and Evaluation of Derivative Siderophore Analogs", J. Am. Chem. Soc., 119, 42, 10093-10103 (1997),
R.J.A. Ramirez et al., „A much improved synthesis of the siderophore enterobactin", Tetrahedron Lett., 38, 5, 749-752 (1997) und
H.-M. Müller et al., „Poly(hydroxyalkanoates): A Fifth Class of Physiologically Important Organic Biopolymers?", Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 32, 4, 477-502 (1993).

Eine hohe Ausbeute bei kostengünstiger Herstellung von Enterobactin zur Verwendung in Lithium-Ionen-Batterien kann erwünscht sein.
Verallgemeinernd sind Siderophore (Griechisch: „Eisenträger“) kleine, hochaffine Eisen chelatbildende Verbindungen, die durch Mikroorganismen, wie Bakterien, Pilzen und Gräser, abgesondert werden. Siderophore gehören zu den stärksten bekannten löslichen Fe³⁺ Bindemitteln. Da die Ionengröße von Fe³⁺ im Wesentlichen der von Mn⁴⁺ und anderen Übergangsmetallkationen entspricht, können Siderophore bei der Umsetzung der Lehren hierin vorteilhaft eingesetzt werden. Eine Aufzählung solcher zusätzlichen Siderophore durch Bakterien und Pilze, die in der praktischen Anwendung dieser Lehren genutzt werden können beinhaltet:

Ferrichrome (Ustilago Sphaerogena),
Mycobactin (Mycobacterium),
Bacillibactin (Bacillus Subtilis),
Ferrioxamin B (Streptomyces Pilosus),
Fusarinin C (Fusarium Roseum),
Yersiniabactin (Yersinia Pestis),
Vibriobactin (Vibrio Cholerae),
Azotobactin (Azotobacter Vinelandii),
Pseudobactin (Pseudomonas B 10),
Ornibactin (Burkholderia Cepacia),
H6-Mecam und
Erythrobactin (Saccharopolyspora Erythraea).

Natürlich auftretende Materialien werden in den hier offenbarten Beispielen als sinnvoll angesehen, da sie kostengünstig aus Abwasser gewonnen werden können. Das hält die Kosten der Batterie gering. Alternativ dazu können chemisch modifizierte oder synthetische Versionen dieser natürlich vorkommenden Materialien als teilweiser oder vollständiger Ersatz für diese in der Elektrolytlösung zum Einsatz kommen.
Weiterhin werden andere Übergangsmetall-Ionen, z. B. Mn⁴⁺, Mn³⁺, Mn²⁺, Fe²⁺ und Fe³⁺ durch die chemische Modifizierung dieser natürlich vorkommenden Übergangsmetallionenfallen stark komplexiert. Im vorliegenden Beispiel kann das Enterobactin durch Reaktion mit einer der Catecholgruppen aus Natriumhydrid Natriumsalz bilden, das danach mit dem anhängigen Benzyl-Chlorid-Gruppen und Teilchen von 30 nm bis 70 nm aus Poly(20 Gew.-% Divinylbenzen 80 Gew.-% Vinylbenzylchlorid) reagieren kann, die durch eine Emulsions-Polymerisation hergestellt wurden. Die modifizierten Enterobactin-Partikel dienen zur Herstellung von verbesserten Batterie-Separatoren, die Metall-Kationen in Lithium-Ionen-Batterien abfangen können.
Die Verwendung dieser Materialien als Elektrolyt-Additive für Ionenfallen erhöht die Wahrscheinlichkeit des Abfangens von Mn-, Ni- und Co-Kationen aufgrund ihrer Dispersion in die Elektrolytlösung. Die außergewöhnliche Stabilität von Komplexen aus Bactin-Übergangsmetallkationen und ihre große Molekularmasse - bis 900 Au - kann besonders wirksam beim Abfangen der Metall-Ionen in der Elektrolytlösung und somit der Verringerung oder Verhinderung von deren Verlagerung zu und der eventuellen Ablagerung an der negativen Elektrode 12 sein.
In einem ersten Aspekt werden die natürlichen Bactin-Arten (z. B. 2,3-Di-Hydroxybenzoe- oder DHBA-basiert) Materialien, chemische Modifikationen davon, oder synthetische Entsprechungen der DHBA (also die Fallen für Übergangsmetallkationen) als Elektrolyt-Additive verwendet, um Übergangsmetallkationen von den positiven Elektroden der Li-Ion-Batterien abzufangen. Die Additive aus Offenbarung und Ansprüchen können den Elektrolyten durch einfaches Hinzufügen zu den Elektrolyt-Komponenten beigegeben werden. Die Übergangsmetallkationen-Falle kann in einer Konzentration im Bereich von etwa 1 mM bis 100 mM in der Elektrolytlösung vorkommen.
In einem zweiten Aspekt können chelatbildende Polymere für Übergangsmetall (TM), welche die Kationen-Fallen für Übergangsmetall enthalten, (z. B. 2,3-Di-Hydroxybenzoe-Säuregruppen oder -Salze davon), verwendet werden, um Übergangsmetallkationen im Raum zwischen den Elektroden der Li-Ion-Batterien zu fangen, und somit deren Verlagerung zu und Ablagerung an der negativen Elektrode 12 zu verhindern. Idealerweise hält das nicht nur die Ionen zurück sondern verlängert auch die Lebensdauer der Batterie 10. TM chelatbildende Polymere sind Polymere mit Chelatbildnern, die durch kovalente Bindung entweder an die Haupt- oder Seitenketten der Polymere geknüpft wurden. In Ergänzung zu den bereits genannten chelatbildenden Verbindungen (z. B. die natürlich vorkommenden Übergangsmetallkationenfallen auf Basis von 2,3-DHBA)gibt es als Beispiele Kronenether, Aza-Crown-Ether, und Salze der Iminodiessigsäure. Sobald die Ionen abgefangen wurden, können sie eingeschlossenen bleiben, und die TM-Ablagerung an der negativen Elektrode 12 wurde zumindest verringert.
Unter diesem Aspekt können die Additive (alternativ oder zusätzlich) jeweils Teil eines Bindemittels für eine oder beide Elektroden 12, 14 sein. In einigen Beispielen kann die Zugabe des Additivs als Teil eines Bindemittel für die positive Elektrode 14 erwünscht sein. Alternativ oder zusätzlich können die Additive auch Teil des Separators 16 sein. Weiterhin können die Additive alternativ oder zusätzlich auf einer Oberfläche, einer oder beiden Elektroden 12, 14 aufgebracht sein und/oder auf einer Oberfläche des Separators 12.
Durch die oben beschriebene Verwendung der Additive kann die Stabilität der Batterie verbessert werden, da die Übergangsmetallkationen an der Verlagerung zur negativen Elektrode 12 gehindert werden. Die Additiv-Fallen können teilweise durch die Unterstützung der Bildung einer Ionen leitenden und elektronisch isolierenden SEI (Festelektrolyt-Grenzfläche) zu einer Verdoppelung der Batterielebensdauer führen.
Einbindung von TM chelatbildenden Polymer-Materialien in Lithium-Ionen-Batterien
Einige Beispiele der hier offenbarten Lithium-Ionen-Batterie 10, verfügen über TM chelatbildende Polymermaterialien. Verschiedene Beispiele für die Verwendung von TM chelatbildenden Polymeren in der Lithium-Ionen-Batterie 10 werden mit Bezug auf die 3A, 3B, 4A, und 4B dargestellt und beschrieben. In diesen Beispielen liegt die TM-Ionenfalle in der Lithium-Ionen-Batterie nicht als freies Molekül vor.
In einem Beispiel ist das TM chelatbildende Polymermaterial (durch den Buchstaben P gekennzeichnet) Teil des mikroporösen Polymerseparators 16, wie in 3A dargestellt. So kann beispielsweise das TM chelatbildende Polymermaterial P, welches in Form von Partikeln oder Granulat mit einem effektiven Durchmesser von ungefähr 100 Nanometern vorliegt, durch die Membran des Separators 16 verteilt werden. Das TM chelatbildende Polymermaterial P kann beispielsweise während der Herstellung des Separators 16 durch Einpressen oder im Gießverfahren im Separator 16 verbaut werden. Das TM chelatbildende Polymermaterial P kann auch durch Mischen des TM chelatbildenden Polymermaterials P mit dem Hauptpolymer in der Herstellung des Separators 16 in den Separator 16 eingebettet sein. Das TM chelatbildende Polymermaterial P kann als Separator 16 agieren, wenn beispielsweise die TM-Ionenfalle direkt an das Hauptpolymer im Separator 16 gekoppelt ist. In noch einem weiteren Beispiel kann das TM chelatbildende Polymermaterial P in Granulatform schwimmend in der Elektrolytlösung des Separators 16 vorkommen. In noch einem weiteren Beispiel kann die TM-Ionenfalle des TM chelatbildenden Polymermaterials P an eine Schicht (z. B. SiO₂ oder Al₂O₃) gebunden sein, die auf den Separator 16 aufgetragen ist oder als Füllstoff innerhalb des Separators 16 vorliegt.
Ein weiteres Beispiel ist in 3B dargestellt, in diesem Beispiel wird das TM chelatbildende Polymermaterial P auf eine Oberfläche (z. B. die Oberfläche S₁, wie in 3B gezeigt) des Separators 16 aufgebracht. Es versteht sich, dass das TM chelatbildende Polymermaterial P auf einer einzigen Oberfläche (z. B. S₁, wie in 3B gezeigt) oder auf zwei oder mehr Oberflächen des Separators 16 (z. B. Oberfläche S₁ und der S₁ gegenüberliegenden Oberfläche) aufgebracht werden kann. In diesem Beispiel kann das TM chelatbildende Polymermaterial P, das ursprünglich in Granulatform vorlag, als dünne Schicht auf die Oberfläche S₁ des Separators 16 aufgetragen werden, z. B. durch Auflösen des TM chelatbildenden Polymermaterials P mit einem angemessenen Lösungsmittel, um dann die Lösung auf die Oberfläche S₁ aufzutragen. Das Lösungsmittel dient der Bildung von Poren in der dünnen Polymerschicht. Ein weiteres Verfahren zur Bildung der dünnen Schicht aus dem TM chelatbildenden Polymermaterial P beinhalt das Bereitstellen einer Aufschlämmung aus dem TM chelatbildenden Polymermaterial P. Dieser Schlamm kann das TM chelatbildende Polymermaterial P in Form von unlöslichen Kugeln (oder in anderer geometrischer Gestaltung) im Sub-Mikron-Bereich in einer Lösung aus Löse- und Bindemittel enthalten (z. B. PVdF-Binder mit N-Methyl-2-Pyrrolidon Lösung). Der Schlamm kann auf eine bereits existierende Membran des Separators 16 aufgetragen werden. Wenn der Schlamm auf (oder an) der Oberfläche S₁ des Separators 16 aufgebracht wird hält beim Verdampfen des Lösemittels das Bindemittel die Kugeln des TM chelatbildenden Polymermaterials zusammen und sorgt für die Haftung als Schicht auf der Oberfläche S₁.
Weitere Methoden der Einarbeitung des TM chelatbildenden Polymermaterials P in den Separator 16 (entweder durch Einbettung des TM chelatbildenden Polymermaterials P in der Membran, oder durch Aufbringen des TM chelatbildenden Polymermaterials P als eine Schicht auf die Membran) beinhalten Aufsprühen, Lackieren, Tauchbeschichtung, Elektrophorese, Druckfiltration, Elektrospinning, Formpressen, oder Kombinationen aus diesen. In manchen Fällen kommen Plasma- oder Ionenätzen, sowie chemisches Ätzen mit freien Radikalen zum Einsatz, um das TM chelatbildende Polymermaterial P an die Membran zu binden.
Wie in 4A und 4B gezeigt, wird das TM chelatbildende Polymermaterial P für die positive Elektrode 14 in die Oberfläche (4A) eingebunden oder auf eine Oberfläche ( 4B) aufgebracht. Es versteht sich, dass das TM chelatbildende Polymermaterial P auch für die negative Elektrode 12 in die Oberfläche eingebunden oder auf eine Oberfläche aufgebracht sein kann, weiterhin kann das auch für die negative und die positive Elektrode 12, 14 zutreffen. Diese Beispiele werden aber nicht in den Zeichnungen dargestellt.
Mit Bezug auf 4A ist das TM chelatbildende Polymermaterial P in der positiven Elektrode 14 verbaut. In diesem Beispiel ist das TM chelatbildende Polymermaterial P, das in Granulatform vorliegen mag, über das Volumen des Materials der positiven Elektrode 14 verteilt. Die Verfahren zur Einbettung des TM chelatbildenden Polymermaterials P in den Separator 16 können ebenfalls verwendet werden, um das TM chelatbildende Polymermaterial P in der positiven Elektrode 14 zu verbauen.
Wie in 4B gezeigt, ist das das TM chelatbildende Polymermaterial P auf eine Oberfläche (z. B. Oberfläche S₂ gezeigt in 4B) der positiven Elektrode 14 aufgebracht. Die Verfahren zur Aufbringung des TM chelatbildenden Polymermaterials P auf eine Oberfläche des Separators 16 können ebenfalls verwendet werden, um das TM chelatbildende Polymermaterial P auf eine Oberfläche der positiven Elektrode 14 aufzubringen. Wird das TM chelatbildende Polymermaterial P auf die Oberfläche der positiven Elektrode 14 (und/oder der negativen Elektrode 12) aufgebracht, so versteht es sich, dass sich die ausgesuchte Oberfläche neben dem Separator 16 befinden kann.
Übergangsmetall chelatbildende Polymermaterialien
Das TM chelatbildende Polymermaterial P besteht aus dem Polymer und dem TM Chelatbildner, oder auch der TM-Ionenfalle, gebunden an das Polymer. In einem Beispiel kann das Polymer aus einem, oder einer Mischung aus zwei oder mehreren der oben aufgeführten Material(ien) für den mikroporösen Polymerseparator 16 ausgewählt werden. In einigen Fällen bildet das Polymer die Membran des Separators 16. In diesem Beispiel wurden die Chelatbildner bei der Herstellung des Separator 16 in die Membran aufgenommen. Wie weiter unten beschrieben wird, kann das Polymer zur Einführung einer funktionellen Gruppe genutzt werden, die den Chelatbildner ersetzt oder ergänzt.
In einem anderen Beispiel kann das Polymer aus einem polymerisierbaren Monomer gebildet werden. Einige Beispiele für polymerisierbare Monomere sind Vinyl-Benzol-Gruppen, wie Styrol, Vinylbenzyl-Chlorid (z. B. 1-(Chloromethyl)-4-Vinylbenzen), 1-(Chloromethyl-3-Vinylbenzen)), Di-Vinylbenzol und dergleichen. Die polymerisierbaren Monomere können den TM Chelatbildner vor der Polymerisation enthalten oder der TM Chelatbildner kann an das aus der Polymerisation des Monomers entstandene Polymer angekoppelt werden.
Zu anderen geeigneten Polymeren für die Anbringung von TM Chelatbildnern gehören Polymere mit reaktiven Gruppen, wie Epoxidharze und Isocyanate (als Vorläufer zu Urethanen). Diese Polymere besitzen reaktive Gruppen, die mit einer der Catechol-Gruppen des Enterobactins reagieren können. Anhang oder Untermischung von TM Chelatbildnern bei Polymeren mit reaktiven funktionellen Gruppen oder als inerte Separatorhilfen wurden bereits zuvor in den U.S.-Patenten: US 9,130,231 B2 , US 9,077,038 B2 , US 9,023,520 B2 , US 8,785,054 B2 , US 8,765,301 B2 , US 8,568,930 B2 und den zugehörigen Anträgen auf Erteilung von U.S.-Patenten: US 20140242452 A1 , US 20140072900 A1 , US 20130183582 A1 , US 20130071742 A1 , US 20120082893 A1 , US 20110165459 A1 und US 20110151333 A1 beschrieben, diese sind hier jeweils referenzierter Bestandteil.
Geeignete Polymere zum Mischen oder Fesselung TM Chelatbildende Agenzien beinhalten die folgenden: Polyolefine, Polybutylen-Terephthalat, Polyvinylidenfluorid, Polyamide, Polyurethane, Polycarbonate, Polyester, Polyetheretherketone, Polyethersulfone, Polyimide, Polyamidimide, Polyether, Polyoxymethylen, Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthenat, Polybuten, Polyolefin-Copolymere, Polystyrol-Copolymere und Polymethylmethacrylat, Polysiloxanpolymere, Polybenzimidazol, Polybenzoxazol, Polyphenylene, Polyarylenetherketone, Polyperfluorcyclobutane, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid-Copolymere und Terpolymere, Polyvinylfluorid, flüssigkristalline Polymere, Polyaramide, Polyphenylenoxid und Kombinationen aus diesen.
Zur weiteren Darstellung der vorliegenden Offenbarung werden hier Beispiele angeführt. Es ist selbstverständlich, dass diese Beispiele zu Veranschaulichungszwecken bereitgestellt werden und nicht als den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränkend ausgelegt werden dürfen.
BEISPIELE
Beispiel 1. Polymerisierung einer Emulsion aus von 80 Gew.-% Para-Vinylbenzylchlorid 20 Gew.-% Di-vinylbenzen mit Kaliumpersulfaten.
Unter Verwendung eines Scheidetrichters wurde p-Vinylbenzyl-Chlorid (Aldrich, 150 Gramm) mit 0,5%igem wässrigen Natriumhydroxid gewaschen und (die untere Schicht) dann durch eine Säule mit einem kurzen Bett aus Tonerde filtriert. Divinylbenzol (Sigma-Aldrich, Katalog Nr. 414565-1L, 50 Gramm) wurde ähnlich mit 0,5%igem wässrigen Natriumhydroxid gewaschen und (die obere Schicht) dann durch eine kurze Säule mit Tonerde filtriert. Das mit Tonerde behandelte p-Vinylbenzyl-Chlorid (107,66 Gramm) und Divinylbenzol (26,91 Gramm) wurden dann zusammen getan und, wie folgt, in einer Emulsion polymerisiert. Entionisiertes Wasser wurde vor der Verwendung für 30 Minuten mit Argon durchgast. In einem 2-Liter Rundkolben mit 3 Hälsen (in einem Ölbad und ausgestattet mit einem mechanischen Rührer, wassergekühlten Kondensator, Argon-Einlass und Spritzrohr) wurden 673-ml Wasser, 0,54 g Kaliumpersulfat (Sigma-Aldrich, Katalog Anzahl 216224-100G), 0,54 g Natriumhydrogenphosphat (Na₂HPO₄, dibasiges Natriumphosphat, wasserfrei, EM Science, Katalog Nr. SX0720-1) und 5,38 g Natriumdodecylsulfat (Natriumsulfat, Natriumsalz, Aldrich, Katalog Nr. 86,201-0) eingefüllt. Nachdem diese Mischung aufgelöst war, wurde die Mischung aus dem mit Tonerde behandelten p-Vinylbenzyl-Chlorid (107,66 Gramm) und Divinylbenzol (26,91 Gramm) zugegeben. Nach 30 Minuten Argon-Begasung bei 23°C wurde das Spritzrohr durch einen Stopfen ersetzt und die Reaktionsmixtur bei 40°C für 16 Stunden gerührt, danach bei 50°C für weitere 4 Stunden unter Zusatz von Argon. Die Emulsion wurde zur teilweisen Befüllung eines Dialysemembranrohrs (Spectra/Por® MWCO: 12-14,000, Teilenummer 132680, Spectrum Laboratories, Inc., 120 mm breit, 76 mm Durchmesser) verbracht und dann für 1 Woche in einem 5 Gallonen fassenden Eimer mit Wasser bei häufigem Wasserwechsel dialysiert. Die dialysierte Emulsion wurde anschließend gefriergetrocknet (unter Verwendung eines Labconco FreeZone 6® Gefriertrocknungssystems) und ergab 103,6 g weiße Teilchen (77 % Ausbeute bei einer Teilchengröße zwischen 30 nm und 70 nm Durchmesser).
Vorhersagebeispiel 2. Reaktion aus Enterobactin mit Emulsionsteilchen von Poly(20 Gew.-% Divinylbenzol - 80 Gew.-% Para-Vinylbenzylchlorid).
In ein 50 ml Schraubdeckelglas mit Teflon-beschichtetem Polyethylendeckel werden 1 Gramm Enterobactin (Sigma 1,55 mmol), frisch aus Natriumbenzophenonketyl destilliertes Tetrahydrofuran(20 g), und eine 60%ige Dispersion aus Natriumhydrid in Mineralöl (0,0621g, 1,55 mmol) gegeben. Nach Ende des Ausgasens werden poly(20 Gew.-% Divinylbenzol, 80 Gew.-% p-Vinylbenzyl-Chlorid) (wie in Beispiel 1, als gefriergetrocknete Teilchen, 1,184 g, 1,55 mmol Benzyl-Chlorid-Gruppen) und 0,5 mm Zirkonoxidkugeln (30 g) hinzugefügt. Der Deckel wird gesichert und das Glas für mindestens zwei Wochen gerollt. Dann werden wenige Tropfen Methanol addiert und die Dispersion anschließend zur halben Füllung eines Dialysemembranrohres verbracht (Spectra/ Por MWCO: 12-14,000, Spectrum Laboratories, Inc., 1,4 Zoll Durchmesser), in dem sie für eine Woche in einem 4 Liter fassenden Becher bei häufigem Wasserwechsel dialysiert wird. Die dialysierte Lösung wird anschließend gefriergetrocknet (unter Verwendung eines Labconco FreeZone 6® Gefriertrocknungssystems) und ergibt 1,5 g (69 % Ausbeute) Partikel (mit Teilchengrößen zwischen 30 nm und 70 nm Durchmesser). Die Partikel, suspendiert in Isopropanol, werden dann bei Unterdruck gefiltert auf eine Celgard 2090 poröse Polyethylenmembran aufgebracht, so dass das Gewichtsverhältnis von Partikeln zur Polyethylenmembran zwischen 1:1 und 2:1 liegt. Die luftgetrocknete Membran wird dann als Batterieseparator in einer Lithium-Ionen-Batterie verwendet.
Es ist selbstverständlich, dass die hier bereitgestellten Bereiche den angegebenen Bereich und einen beliebigen Wert oder Teilbereich innerhalb des angegebenen Bereichs beinhalten. So sollte beispielsweise ein Bereich von etwa 2,0 V bis etwa 5,0 V dahingehend interpretiert werden, dass er nicht nur die explizit angegebenen Grenzen von etwa 2,0 V bis etwa 5,0 V, sondern auch Einzelwerte beinhaltet, wie beispielsweise 3 V, 4,2 V usw., sowie Abschnittbereiche, wie von etwa 3,1 V bis etwa 3,9 V usw. Weiterhin ist bei der Verwendung von „etwa“ zur Beschreibung eines Wertes dies' in der Weise zu verstehen, dass geringfügige Abweichungen von dem angegebenen Wert mit abgedeckt sind (bis zu +/- 10 %).
Bezugnahme in der Beschreibung auf „ein Beispiel“, „ein weiteres Beispiel“, „Beispiel“ usw. bedeutet, dass ein bestimmtes Element (z. B. Merkmal, Struktur und/oder Eigenschaft), die in Verbindung mit dem Beispiel beschrieben ist, in mindestens einem hier beschriebenen Beispiel beinhaltet ist und in anderen Beispielen vorhanden sein kann oder nicht. Darüber hinaus ist es selbstverständlich, dass die beschriebenen Elemente für jedes Beispiel in jeder geeigneten Weise in den verschiedenen Beispielen kombiniert werden können, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.
Beim Beschreiben und Beanspruchen der hier offenbarten Beispiele beinhalten die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ Mehrzahlbezüge, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.

Claims

Eine Lithium-Ionen-Batterie, umfassend: eine positive Elektrode; eine negative Elektrode; einen mit einer Elektrolytlösung getränkten mikroporösen Polymerseparator, der sich zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode befindet; und eine Übergangsmetallkationenfalle die i) als Bindemittel an der positiven Elektrode oder der negativen Elektrode verbaut ist, ii) auf einer Oberfläche der positiven Elektrode oder der negativen Elektrode aufgebracht ist, iii) Bestandteil des mikroporösen Polymerseparators ist, iv) auf einer Oberfläche des mikroporösen Polymerseparators aufgebracht ist, oder v) als Additiv in der Elektrolytlösung vorliegt, wobei die Übergangsmetallkationenfalle Übergangsmetallkationen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mn⁴⁺, Mn³⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Cr²⁺, Cr³⁺, Co²⁺, Co³⁺, Ni²⁺, Ni³⁺, Ni⁴⁺, V³⁺, V⁵⁺ und Kombinationen aus diesen, abfängt und ein Siderophor besitzt, worin: das Siderophor eine Ableitung von 2,3-Dihydroxybenzoesäure ist; oder das Siderophor wird aus einer aus der Gruppe ausgewählt bestehend aus Enterobactin (Escheria Coli), Ferri (Ustilago Sphaerogena), Mycobactin (Mycobacterium), Bacillibactin (Bacillus Subtilis), Ferrioxamin B (Streptomyces Pilosus), Fusarinin C (Fusarium Roseum), Yersiniabactin (Yersinia Pestis), Vibriobactin (Vibrio Cholerae), Azotobactin (Azotobacter Vinelandii), Pseudobactin (Pseudomonas B 10), Ornibactin (Burkholderia Cepacia) und Erythrobactin (Saccharopolyspora Erythraea).
Die Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, in der die Übergangsmetallkationenfalle Teil eines Übergangsmetall chelatbildenden Polymermaterials ist, das i) als Bindemittel an der positiven oder der negative Elektrode, ii) auf der Oberfläche der positiven oder der negativen Elektrode, iii) im mikroporösen Polymerseparator, iv) auf der Oberfläche des mikroporösen Polymerseparators oder v) als das Additiv in der Elektrolytlösung ausgelegt ist.
Die Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 2, bei der das Übergangsmetall chelatbildende Polymermaterial die Übergangsmetallkationenfalle enthält, die an ein Polymer aus der folgenden Gruppe gebunden ist: Polyolefine, Polybutylen-Terephthalat, Polyvinylidenfluorid, Polyamide, Polyurethane, Polycarbonate, Polyester, Polyetheretherketone, Polyethersulfone, Polyimide, Polyamidimide, Polyether, Polyoxymethylen, Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthenat, Polybuten, Polyolefin-Copolymere, Polystyrol-Copolymere, Polymethylmethacrylat, Polysiloxanpolymere, Polybenzimidazol, Polybenzoxazol, Polyphenylene, Polyarylenetherketone, Polyperfluorcyclobutane, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid-Copolymere und Terpolymere, Polyvinylfluorid, flüssigkristalline Polymere, Polyaramide, Polyphenylenoxid und Kombinationen aus diesen.
Die Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1 worin die Übergangsmetallkationenfalle in der Elektrolytlösung in einer Konzentration im Bereich von etwa 1 mM bis 100 mM vorhanden ist.
Elektrolyt für eine Lithium-Ionen-Batterie, umfassend: eine nicht-wässrige flüssige Elektrolytlösung mit Lithiumsalz, aufgelöst in einem organischen Lösemittel, oder eine Mischung aus organischen Lösemitteln, worin die Elektrolytlösung mindestens ein Additiv beinhaltet, und worin das mindestens eine Additiv eine Übergangsmetallkationenfalle beinhaltet, die Übergangsmetallkationen von der positiven Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie abfängt, worin die Übergangsmetallkationenfalle ein Siderophor umfasst, und die Übergangsmetallkationen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Mn⁴⁺, Mn³⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Cr²⁺, Cr³⁺, Co²⁺, Co³⁺, Ni²⁺, Ni³⁺, Ni⁴⁺, V³⁺, V⁵⁺ und Kombinationen davon, worin: das Siderophor eine Ableitung von 2,3-Dihydroxybenzoesäure ist; oder das Siderophor aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Enterobactin (Escheria Coli), Ferri (Ustilago Sphaerogena), Mycobactin (Mycobacterium), Bacillibactin (Bacillus Subtilis), Ferrioxamin B (Streptomyces Pilosus), Fusarinin C (Fusarium Roseum), Yersiniabactin (Yersinia Pestis), Vibriobactin (Vibrio Cholerae), Azotobactin (Azotobacter Vinelandii), Pseudobactin (Pseudomonas B 10), Ornibactin (Burkholderia Cepacia) und Erythrobactin (Saccharopolyspora Erythraea).
Elektrolyt nach Anspruch 5, worin die Übergangsmetallkationenfalle im Elektrolyt in einer Konzentration von etwa 1 mM bis 100 mM vorliegt.
Verfahren zur Zusammenstellung eines Übergangsmetall chelatbildenden Polymermaterials, umfassend: das Bilden einer Übergangsmetallkationenfalle zum Abfangen von Übergangsmetallkationen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mn⁴⁺, Mn³⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Cr²⁺, Cr³⁺, Co²⁺, Co³⁺, Ni²⁺, Ni³⁺, Ni⁴⁺, V³⁺, V⁵⁺ und Kombinationen davon; und Ersetzen einer an ein Polymer gekoppelte funktionelle Gruppe durch die Übergangsmetallkationenfalle, wodurch der Übergangsmetall chelatbildende Polymerwerkstoff eine äquivalente Übergangsmetallkationenfalle hat; worin die Übergangsmetallkationenfalle ein Siderophor ist, worin: das Siderophor eine Ableitung von 2,3-Dihydroxybenzoesäure ist; oder das Siderophor aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Enterobactin (Escheria Coli), Ferri (Ustilago Sphaerogena), Mycobactin (Mycobacterium), Bacillibactin (Bacillus Subtilis), Ferrioxamin B (Streptomyces Pilosus), Fusarinin C (Fusarium Roseum), Yersiniabactin (Yersinia Pestis), Vibriobactin (Vibrio Cholerae), Azotobactin (Azotobacter Vinelandii), Pseudobactin (Pseudomonas B 10), Ornibactin (Burkholderia Cepacia) und Erythrobactin (Saccharopolyspora Erythraea).