-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybridsuperkondensator, dessen Elektrolyt Additive zur Optimierung des sogenannten „Solid Electrolyte Interphase“ (SEI), also der Grenzfläche zwischen der negativen Elektrode und dem Elektrolyten, enthält.
-
Stand der Technik
-
Die Speicherung elektrischer Energie mittels elektrochemischer Energiespeichersysteme wie elektrochemischer Kondensatoren (Superkondensatoren) oder elektrochemischer Primär- oder Sekundärbatterien ist seit vielen Jahren bekannt. Die genannten Energiespeichersysteme unterschieden sich dabei in dem der Energiespeicherung zugrunde liegenden Prinzip.
-
Superkondensatoren umfassen in der Regel eine negative und eine positive Elektrode, welche durch einen Separator voneinander getrennt sind. Zwischen den Elektroden befindet sich außerdem ein Elektrolyt, welcher ionisch leitfähig ist. Die Speicherung elektrischer Energie beruht darauf, dass sich beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden des Superkondensators eine elektrochemische Doppelschicht an deren Oberflächen ausbildet. Diese Doppelschicht wird aus solvatisierten Ladungsträgern aus dem Elektrolyten gebildet, welche sich an den Oberflächen der entgegensetzt elektrisch geladenen Elektroden anordnen. Eine Redox-Reaktion ist bei dieser Art der Energiespeicherung nicht beteiligt. Superkondensatoren können daher theoretisch beliebig oft aufgeladen werden und haben somit eine sehr hohe Lebensdauer. Auch die Leistungsdichte der Superkondensatoren ist hoch, wohingegen die Energiedichte im Vergleich zu beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien eher gering ist.
-
Die Energiespeicherung in Primär- und Sekundärbatterien findet hingegen durch eine Redox-Reaktion statt. Auch diese Batterien umfassen dabei in der Regel eine negative und eine positive Elektrode, welche durch einen Separator voneinander getrennt sind. Zwischen den Elektroden befindet sich ebenso ein leitfähiger Elektrolyt. In Lithium-Ionen-Batterien, einem der am weitesten verbreiteten Sekundärbatterietypen, findet die Energiespeicherung durch die Einlagerung von Lithium-Ionen in die Elektrodenaktivmaterialien statt. Beim Betrieb der Batteriezelle, also bei einem Entladevorgang, fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Innerhalb der Batteriezelle wandern Lithium-Ionen bei einem Entladevorgang von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Dabei lagern die Lithium-Ionen aus dem Aktivmaterial der negativen Elektrode reversibel aus, was auch als Delithiierung bezeichnet wird. Bei einem Ladevorgang der Batteriezelle wandern die Lithium-Ionen von der positiven Elektrode zu der negativen Elektrode. Dabei lagern die Lithium-Ionen wieder in das Aktivmaterial der negativen Elektrode reversibel ein, was auch als Lithiierung bezeichnet wird.
-
Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine hohe Energiedichte haben, das heißt, dass sie eine große Menge an Energie pro Masse beziehungsweise Volumen speichern können. Im Gegenzug weisen sie jedoch nur eine begrenzte Leistungsdichte und Lebensdauer auf. Dies ist für viele Anwendungen nachteilig, sodass Lithium-Ionen-Batterien in diesen Bereichen nicht oder nur in geringem Umfang eingesetzt werden können.
-
Hybridsuperkondensatoren stellen eine Kombination dieser Technologien dar und sind geeignet, die Lücke in den Anwendungsmöglichkeiten, die die Lithium-Ionen-Batterie-Technologie und die Superkondensatorentechnologie aufweisen, zu schließen.
-
Hybridsuperkondensatoren weisen in der Regel ebenfalls zwei Elektroden auf, die je einen Stromableiter umfassend und durch einen Separator voneinander getrennt sind. Der Transport der elektrischen Ladungen zwischen den Elektroden wird durch Elektrolyte beziehungsweise Elektrolytzusammensetzungen gewährleistet. Die Elektroden umfassen als Aktivmaterial in der Regel ein herkömmliches Superkondensationsmaterial (nachfolgend auch statisch kapazitives Aktivmaterial genannt) sowie ein Material, welches in der Lage ist, eine Redox-Reaktion mit den Ladungsträgern des Elektrolyten einzugehen und Interkalationsverbindungen davon zu bilden (nachfolgend auch elektrochemisches Redoxaktivmaterial genannt). Das Energiespeicherprinzip der Hybridsuperkondensatoren beruht somit auf der Ausbildung einer elektrochemischen Doppelschicht in Kombination mit der Bildung einer faradischen Lithium-Interkallationsverbindung. Das so erhaltene Energiespeichersystem besitzt eine hohe Energiedichte bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte und hoher Lebensdauer.
-
Hybridsuperkondensatoren enthalten ferner weitere Komponenten, wie Separatoren, Kollektoren und ein Gehäuse. Die Kollektoren dienen dem elektrischen Kontaktieren des Elektrodenmaterials und verbinden diese mit den Anschlüssen des Kondensators. Sie müssen eine gute Leitfähigkeit besitzen. Um Korrosion zu verhindern, bestehen Kollektoren und Gehäuse in der Regel aus demselben Material, zumeist Aluminium.
-
Der Elektrolyt in Hybridsuperkondensatoren hält die beim Laden des Kondensators benötigten Anionen für die Doppelschichtkapazität und die Kationen für die Redoxreaktionen bereit. Seine Eigenschaften bestimmen das Spannungsfenster, in dem der Kondensator betrieben werden kann, seinen Temperaturbereich, den Innenwiderstand (ESR) und über seine Stabilität auch das Langzeitverhalten des Kondensators. Der Elektrolyt umfasst ein Lösungsmittel, in dem leitfähige Salze gelöst sind. Der Elektrolyt muss die porige, schwammartige oder vernetzte Struktur der Elektroden durchdringen können und seine Viskosität muss klein genug sein, um die Elektrodenoberfläche voll benetzen zu können. Er muss außerdem chemisch inert sein und darf die Materialien des Kondensators chemisch nicht angreifen. In der Praxis werden organische aprotische Lösungsmittel, wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat oder 1,2-Dimethoxyethan eingesetzt. Als Leitsalze dienen beispielsweise LiPF6 oder Triazolate.
-
Das Anforderungsprofil an den optimalen Elektrolyten ist vielfältig und umfasst unter anderem funktionale Eigenschaften, wie eine hohe Leitfähigkeit über einen weiten Temperaturbereich, Zyklenfestigkeit über mehrere tausend Zyklen sowie chemische und elektrochemische Kompatibilität mit den Elektroden- und Inaktivmaterialien. Darüber hinaus sind Sicherheitsaspekte sowie ökologische und ökonomische Faktoren zu beachten.
-
Ein Haupteinsatzgebiet für Additive ist die Optimierung der sogenannten „Solid Electrolyte Interphase“ (SEI), also der Grenzfläche zwischen der negativen Elektrode und dem Elektrolyten. Die SEI beeinflusst signifikant Lebensdauer und Leistungsfähigkeit des Hybridsuperkondensators. In organischen polaren Lösungsmitteln liegen Lithium-Ionen nicht als freie Kationen vor, sondern als komplexe Kation-Lösungsmittel-Adukte. Dieser sogenannte Solvat-Komplex weist ein Vielfaches der Größe des freien Lithium-Ions auf. Aufgrund der extrem reduzierenden Bedingungen beim Laden der Zelle zersetzen sich die Lösungsmittel und zum Teil auch das Anion des Lithiumsalzes unter Bildung schwer löslicher Niederschläge. Im Allgemeinen entstehen in organischen Carbonaten schwerlösliche Verbindungen (zum Beispiel Lithium Alkylcarbonat), die sich auf der Elektrode und in den äußeren Strukturen des Graphits ablagern und dort jene Schicht bilden, die als SEI bezeichnet wird. Diese für Lithium-Ionen durchlässige aber gleichzeitig elektrisch isolierende Schicht verhindert den direkten Kontakt zwischen Elektrode und Lösungsmittel. Eine weitere Zersetzung des Lösungsmittels wird somit verhindert. Zudem wirkt die SEI desolvatisierend, das heißt, das Lithium-Ion streift beim Durchgang die Lösungsmittel-Moleküle ab und wandert als freies Kation in die Elektrode. Ohne die SEI käme es zu einer signifikanten Aufweitung der Graphitschichten beim Laden und einer Kontraktion beim Entladen der Zelle (da Lösungsmittel ohne SEI co-interkaliert werden). Das sogenannte „Atmen“ würde mit zunehmenden Laden-/Entladezyklen zu einer Delamination der Graphitpartikel und somit zu einem schnellen Lebensende der Batterie führen.
-
Aufbau und Eigenschaften der SEI können signifikant durch Additive beeinflusst werden. Der Grundgedanke zur SEI-Additiventwicklung ist hierbei einfach. Das SEI-Additiv muss elektrochemisch reaktiver sein als alle anderen Elektrolytbestandteile. Anders ausgedrückt: Es muss im ersten Ladezyklus der Lithium-Ionen-Zelle eher reduziert werden als die verwendeten Lösungsmittel und so bereits eine SEI bilden, bevor die Lösungsmittel reagieren können.
-
WO 2014/074118 A1 offenbart einen Lithium-Ionen-Kondensator mit einem Elektrolyten, dem Additive zur Ausbildung der SEI beigefügt sind. Geeignete Additive umfassen 1,3-Dioxolan-2-one, Lithiumborate und Carbonate, wie beispielsweise Vinylcarbonat (VC), Vinylethylencarbonat (VEC), Methylenethylencarbonat (MEC), Fluorethylencarbonat (FEC), oder Chlorethylencarbonat (CEC).
-
US 2015/206664 A1 beschreibt einen Hybridsuperkondensator mit einem nicht-wässrigen Elektrolyten, dem als SEI-Additiv Alkyl- oder Arylsilane oder modifizierte Phosphonate zugesetzt sind.
-
US 2014/193707 A1 beschreibt einen Lithium-Ionen-Kondensator mit einem nicht-wässrigen Elektrolyten, dem als SEI-Additiv eine schwefelhaltige organische Verbindung zugesetzt ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung geht aus von einem Hybridsuperkondensator mit einem Elektrolyten, der ein aprotisches Lösungsmittel, ein Leitsalz und zumindest ein Additiv enthält. Der Hybridsuperkondensator zeichnet sich dadurch aus, dass das Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend:
Allylethylcarbonat;
Maleinsäureanhydrid;
Vinylacetat;
Divinyladipat;
Acrylsäurenitril;
2-Vinylpyridin;
Methylcinamat;
Furan-Derivate, nämlich
wobei R1 bis R4 unabhängig voneinander ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Wasserstoff, CN und lineares C1-C6-Alkyl, insbesondere 2-Cyanofuran;
SO
2;
CS
2;
Polysulfide;
Ethylensulfid;
Propylensulfid;
N
2O;
Nitrat-Verbindungen, nämlich,
wobei R für Wasserstoff, C1-C6-Alkyl oder C2-C6-Alkenyl steht; Nitrit-Verbindungen, nämlich
wobei R für Wasserstoff, C1-C6-Alkyl oder C2-C6-Alkenyl steht; Carboxylphenol:
Benzoesäuremethylester:
Phthalsäureanhydrid:
Succinimid;
N-Benzoloxy-carbonyloxy-succinimid;
Isocyanat-Verbindungen, nämlich
wobei X für Wasserstoff und Halogen steht, insbesondere Cl und F; B
2O
3;
Boroxine, insbesondere Trimethoxyboroxin und Trimethylboroxin;
Tris(pentafluorphenyl)boran;
Alkalimetall-Salze, insbesondere NaClO
4;
K
2CO
3;
12-Krone-4-ether und
15-Krone-5-ether.
-
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung von SEI-Additiven, die der Ausbildung der SEI beim ersten Laden dienen.
-
Der Hybridsuperkondensator umfasst insbesondere
- – mindestens eine negative Elektrode, umfassend ein elektrochemisches Redoxaktivmaterial,
- – mindestens eine positive Elektrode, umfassend ein statisch kapazitives Aktivmaterial oder ein Gemisch aus statisch kapazitativ und elektrochemischem Redoxaktivmaterial,
- – mindestens einen zwischen der mindestens einen negativen Elektrode und der mindestens einen positiven Elektrode angeordneten Separator, und
- – eine Elektrolytzusammensetzung, umfassend mindestens ein flüssiges, aprotisches, organisches Lösungsmittel und mindestens ein Leitsalz,
wobei die Elektrolytzusammensetzung mindestens ein SEI-Additiv umfasst.
-
Die Erfindung bezieht sich aber auf einen asymmetrischen Hybridsuperkondensator mit einer negativen Elektrode, die bei oder nahe Li-Potential Li+ interkaliert. Die positive Elektrode ist im einfachsten Fall Aktivkohle (Ausführungsform eines Lithium-Ionen-Kondensators). Zur Erhöhung der Energiedichte kann die positive Elektrode zusätzlich mit Redoxaktivmaterialien wie zum Beispiel LiMn2O4 dotiert werden.
-
Der erfindungsgemäße Hybridsuperkondensator umfasst mindestens eine positive Elektrode und mindestens eine negative Elektrode. Die Elektroden umfassen jeweils einen elektrisch leitenden Stromableiter, auch Kollektor genannt, sowie ein darauf aufgebrachtes Aktivmaterial. Der Stromableiter umfasst beispielsweise Kupfer oder Aluminium als elektrisch leitendes Material. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stromableiter der positiven Elektrode aus Aluminium und der negativen aus Kupfer gefertigt.
-
Auf die negative Elektrode ist ein negatives Aktivmaterial aufgebracht. Das negative Aktivmaterial umfasst ein elektrochemisches Redoxaktivmaterial.
-
Ein elektrochemisches Redoxaktivmaterial ist im Sinne dieser Erfindung ein Material, welches aus elektrochemischen Sekundärbatterien, insbesondere aus Lithium-Ionen-Batterien bekannt ist und geeignet ist, eine reversible elektrochemische beziehungsweise faradische Lithium-Ionen-Interkalationsreaktion einzugehen beziehungsweise eine Lithium-Ionen-Interkalationsverbindung auszubilden.
-
Geeignete elektrochemische Redoxaktivmaterialien für die negative Elektrode sind insbesondere Graphit, siliziumbasierende Aktivmaterialien (elementares Silizium oder Siliziumlegierungen) oder ein Gemisch davon.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die negative Elektrode Graphit.
-
Auf die positive Elektrode ist ein positives Aktivmaterial aufgebracht. Das positive Aktivmaterial umfasst ein statisch kapazitives Aktivmaterial, ein elektrochemisches Redoxaktivmaterial oder ein Gemisch davon.
-
Ein statisch kapazitives Aktivmaterial ist im Sinne dieser Erfindung ein Material, welches aus herkömmlichen Doppelschicht-Elektroden bekannt ist und geeignet ist, eine statische Doppelschichtkapazität, insbesondere durch das Ausbilden einer Helmholtzschicht, auszubilden. Es ist dabei so gestaltet, dass sich eine möglichst große Oberfläche zur Ausbildung der elektrochemischen Doppelschicht ergibt. Das am häufigsten verwendete Elektrodenmaterial für Superkondensatoren ist Kohlenstoff in seinen verschiedenen Erscheinungsformen, wie Aktivkohle (AC), Aktivkohlefasern (ACF), Carbidabgeleiteter Kohlenstoff (CDC), Kohlenstoff-Aerogel, Graphit (Graphen) und Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs). Diese Elektrodenmaterialien sind als statisch kapazitive Elektrodenaktivmaterialien im Rahmen der Erfindung geeignet. Bevorzugt werden Kohlenstoffmodifikationen eingesetzt, insbesondere Aktivkohle.
-
Geeignete elektrochemische Redoxaktivmaterialien für die positive Elektrode sind beispielsweise lithiierte Interkalationsverbindungen, welche in der Lage sind, Lithium-Ionen reversibel aufzunehmen und freizusetzen. Das positive Aktivmaterial kann ein zusammengesetztes Oxid umfassen, welches mindestens ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Magnesium, Nickel, sowie Lithium, enthält.
-
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Aktivmaterial der positiven Elektrode, umfassend eine Verbindung der Formel LiMO2, wobei M ausgewählt ist aus Co, Ni, Mn, Cr oder Gemischen von diesen sowie Gemischen von diesen mit Al. Insbesondere sind LiCoO2 und LiNiO2 zu nennen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Kathodenaktivmaterial um ein Material, welches Nickel umfasst, das heißt LiNi1-xM‘xO2, wobei M‘ ausgewählt ist aus Co, Mn, Cr und Al und 0 ≤ x < 1 ist. Beispiele umfassen Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid-Kathoden (zum Beispiel LiNi0,8Co0,15Al0,05O2; NCA) und Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Kathoden (zum Beispiel LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2; NMC (811) oder LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2; NMC (111)).
-
Ferner sind als bevorzugte positive Aktivmaterialien überlithiierte schichtförmige Oxide zu nennen, welche dem Fachmann bekannt sind. Beispiele hierfür sind Li1+xMn2-yMyO4 mit x ≤ 0,8, y < 2; Li1+xCo1-yMyO2 mit x ≤ 0,8, y < 1; Li1+xNi1-y-zCoyMzO4 mit x ≤ 0,8, y < 1, z < 1 und y + z < 1. In den vorgenannten Verbindungen kann M ausgewählt sein aus Al, Mg und/oder Mn.
-
Zwei oder mehrere der positiven Aktivmaterialien können insbesondere auch in Kombination miteinander verwendet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst beispielsweise Verbindungen der Formel n(Li2MnO3): n-1(LiNi1-xM‘xO2) wobei M‘ ausgewählt ist aus Co, Mn, Cr und Al und 0 < n < 1 ist und 0 < x < 1 ist.
-
Ferner sind insbesondere Spinellverbindungen (zum Beispiel LiMn2O4), Olivinverbindungen (zum Beispiel LiFePO4), Silikatverbindungen (zum Beispiel Li2FeSiO4), Tavoritverbindungen (zum Beispiel LiVPO4F), Li2MnO3, Li1.17Ni0.17Co0.1Mn0.56O2 und Li3V2(PO4)3 als geeignete positive Aktivmaterialien hervorzuheben.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die positive Elektrode ein statisch kapazitives Aktivmaterial, beispielsweise Aktivkohle.
-
Als weitere Bestandteile kann das negative Aktivmaterial und/oder das positive Aktivmaterial insbesondere Bindemittel wie Styrol-Butadien-Copolymer (SBR), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethen (PTFE), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyacrylsäure (PAA), Polyvinylalkohol (PVA) und Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM) umfassen, um die Stabilität der Elektroden zu erhöhen. Ferner können Leitzusätze wie Leitruß oder Graphit zugegeben werden.
-
Der Separator dient der Aufgabe, die Elektroden von einem direkten Kontakt miteinander zu schützen und so einen Kurzschluss zu unterbinden. Gleichzeitig muss der Separator den Transfer der Ionen von einer Elektrode zur anderen gewährleisten. Geeignete Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie aus einem elektrisch isolierenden Material mit einer porösen Struktur gebildet sind. Geeignete Materialien sind insbesondere Polymere, wie Cellulose, Polyolefine, Polyester und fluorierte Polymere. Besonders bevorzugte Polymere sind Cellulose, Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVdF). Ferner kann der Separator keramische Materialen umfassen oder aus diesen bestehen, sofern ein weitgehender (Lithium-)Ionen-Transfer gewährleistet ist. Als Materialien sind insbesondere Keramiken, welche MgO, oder Al2O3 umfassen, zu nennen. Der Separator kann aus einer Schicht aus einem oder mehreren der zuvor genannten Materialien bestehen oder auch aus mehreren Schichten, in denen jeweils eines oder mehrere der genannten Materialein miteinander kombiniert sind.
-
Ferner umfasst der Hybridsuperkondensator eine Elektrolytzusammensetzung, umfassend mindestens ein aprotisches, organisches Lösungsmittel, das bei den Bedingungen, die üblicherweise in elektrochemischen Energiespeichersystemen, während des Betriebs vorherrschen (das heißt. bei einer Temperatur in einem Bereich von –40°C bis 100°C, insbesondere 0°C bis 60°C, und bei einem Druck in einem Bereich von 0,5 bis 5 bar, insbesondere 0,8 bis 2 bar), flüssig ist.
-
Flüssig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Lösungsmittel eine Viskosität η von ≤ 100 mPa·s, insbesondere von ≤ 10 mPa·s, aufweist. Vorzugsweise liegt die Viskosität η in einem Bereich von 0,01 bis 8 mPa·s, insbesondere in einem Bereich von 0,1 bis 5 mPa·s.
-
Geeignete Lösungsmittel weisen eine ausreichende Polarität auf, um die weiteren Bestandteile der Elektrolytzusammensetzung, insbesondere das Leitsalz beziehungsweise die Leitsalze zu lösen. Als Beispiele zu nennen sind Tetrahydrofuran, Diethylcarbonat oder γ-Butyrolacton sowie cyclische und acyclische Carbonate, insbesondere Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylenmethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat sowie Gemische davon. Besonders bevorzugt sind Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylenmethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat sowie Gemische davon.
-
Ferner umfasst die Elektrolytzusammensetzung mindestens ein Leitsalz. Geeignet sind insbesondere Salze mit sterisch anspruchsvollen Anionen sowie gegebenenfalls sterisch anspruchsvollen Kationen. Beispiele hierfür sind Tetraalkylammoniumborate wie N(CH3)4BF4. Eine besonders geeignete Klasse der Leitsalze sind jedoch insbesondere Lithiumsalze. Das Leitsalz kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Lithiumchlorat (LiClO4), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF6), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiSO3CF3), Lithiumbis(trifluormethylsulphonyl)imid (LiN(SO2CF3)2), Lithiumbis(pentafluorethylsulphonyl)imid (LiN(SO2C2F5)2), Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB, LiB(C2O4)2), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiBF2(C2O4)), Lithium-tris(pentafluorethyl)trifluorophosphat (LiPF3(C2F5)3) und Kombinationen davon.
-
Es ist bevorzugt, wenn der Elektrolyt 0,1 bis 10 Gew.% des Additivs oder einer Kombination von Additiven enthält, wobei die Angaben jeweils auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten bezogen sind.
-
Optional kann der Elektrolyt ferner Additive enthalten, die beispielweise eine Verbesserung der Benetzbarkeit, Erhöhung der Viskosität oder einen Überladungsschutz bewirken.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und lassen sich der Beschreibung entnehmen.
-
Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert:
-
1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Hybridsuperkondensators.
-
Ausführungsform der Erfindung
-
Der 1 ist eine stark schematisierte Darstellung des prinzipiellen Aufbaus eines Hybridsuperkondensators 10 zu entnehmen. Ein flächiger Kollektor 12 kontaktiert eine negative Elektrode 14 und verbindet diese mit den äußeren Anschlüssen (nicht dargestellt). Gegenüberliegend befindet sich eine positive Elektrode 16, die ebenfalls leitend mit einem Kollektor 18 zur Ableitung an die äußeren Anschlüsse verbunden ist. Die beiden Elektroden 14, 16 werden durch einen Separator 20 getrennt. Der leitfähige Elektrolyt 22 stellt eine ionenleitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden 14, 16 her.
-
Zur Herstellung der negativen Elektrode 14 wird zunächst ein Gemisch aus 70 g Graphit, Wasser, 0,5g CMC und 6g einer 40%ige SBR Lösung homogen zu einer gießfähigen Paste aufbereitet. Diese wird mittels Rakelprozess auf eine kohlenstoffbeschichtete Aluminiumfolie, die auf einer Glasplatte fixiert ist, zu einer 30 µm dicken Anode 14 gegossen.
-
Zur Herstellung der positiven Elektrode 16 wird ein Gemisch aus 82,5 g Aktivkohle, 5 g Graphit und 5 g Rußnanopartikeln hergestellt. Dieses wird 10 min lang bei 1000 U/min in dem Mischer trockenvermischt. Dann werden 90 ml Isopropanol zugefügt und die erhaltene Suspension zunächst 2 min lang bei 2500 U/min gerührt, diese dann 5 min lang mit Ultraschall behandelt und anschließend nochmals 4 min lang bei 2500 U/min gerührt. Daraufhin werden der Suspension 7,5 g Polytetrafluorethylen als Bindemittel zugefügt und es wird nochmals 5 min lang bei 800 U/min gerührt bis die Suspension eine pastöse Konsistenz annimmt. Die Paste wird auf einer Glasplatte zu einer 150 µm dicken positiven Elektrode ausgewalzt und anschließen auf einen Kollektor (zum Beispiel kohlenstoffbeschichtete Aluminiumfolie) aufgebracht.
-
Der Separator 20 kann beispielweise auf Basis von Cellulose hergestellt werden. Der Elektrolyt 22 enthält ein Lithiumsalz, zum Beispiel LiPF6 und ein aprotisches Lösungsmittel, wie beispielsweise ein Gemisch aus Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC).
-
Der Elektrolyt 20 enthält ferner ein oder mehrere Additive zur Ausbildung des SEI beim ersten Laden, zum Beispiel Allylethylcarbonat mit einem Anteil von 5 Gew.% am Gesamtgewicht des Elektrolyten 20.
-
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
-
- WO 2014/074118 A1 [0013]
- US 2015/206664 A1 [0014]
- US 2014/193707 A1 [0015]
wobei R für Wasserstoff, C1-C6-Alkyl oder C2-C6-Alkenyl steht; Carboxylphenol:
Benzoesäuremethylester:
Phthalsäureanhydrid:
Succinimid;
wobei R für Wasserstoff, C1-C6-Alkyl oder C2-C6-Alkenyl steht; Nitrit-Verbindungen, nämlich
wobei R für Wasserstoff, C1-C6-Alkyl oder C2-C6-Alkenyl steht; Carboxylphenol:
Benzoesäuremethylester:
Phthalsäureanhydrid:
Succinimid; N-Benzoloxy-carbonyloxy-succinimid; Isocyanat-Verbindungen, nämlich
wobei X für Wasserstoff und Halogen steht, insbesondere Cl und F; B2O3; Boroxine, insbesondere Trimethoxyboroxin und Trimethylboroxin; Tris(pentafluorphenyl)boran; Alkalimetall-Salze, insbesondere NaClO4; K2CO3; 12-Krone-4-ether und 15-Krone-5-ether.