DE102017007426A1 - Elektrolyt für wiederaufladbare Magnesium-lonen- und Magnesium-Batterien sowie wiederaufladbare Magnesium-lonen- und Magnesium-Batterien mit dem Elektrolyt - Google Patents

Elektrolyt für wiederaufladbare Magnesium-lonen- und Magnesium-Batterien sowie wiederaufladbare Magnesium-lonen- und Magnesium-Batterien mit dem Elektrolyt Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyt für eine wiederaufladbar Magnesium-Ionen-Batterie oder eine wiederaufladbare Magnesium-Batterie, insbesondere eine wiederaufladbare Magnesium-Schwefel-Batterie, wobei der Elektrolyt eine Mischung aus einem Derivat einer Thiobarbitursäure, bevorzugt Thiobarbitalund einer Thiobarbitursäure, bevorzugt 2-Thiobarbitursäureals Additiv enthält. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batteriezelle oder eine wiederaufladbare Magnesium-Batteriezelle mit dem Elektrolyt, eine wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batterie oder eine wiederaufladbare Magnesium-Batterie mit einer Mehrzahl an erfindungsgemäßen Batteriezellen, ein Verfahren zum Herstellen des Elektrolyts gemäß der vorliegenden Erfindung sowie die Verwendung einer Mischung aus einem Derivat einer Thiobarbitursäure, bevorzugt Thiobarbital, und einer Thiobarbitursäure, bevorzugt 2-Thiobarbitursäure, als Additiv für einen Elektrolyt für eine wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batterie oder eine wiederaufladbare Magnesium-Batterie.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Elektrolyt für wiederaufladbare Magnesium-Ionen- und Magnesium-Batterien sowie wiederaufladbare Magnesium-Ionen- und Magnesium-Batterien mit dem Elektrolyt.
  • Aufgrund knapper werdender fossiler Rohstoffe und der damit zumindest mittel- und langfristig zu erwartenden steigenden Preise für Brennstoffe auf Basis derartiger Rohstoffe sowie aufgrund der anthropogen verursachten Kohlendioxid-Emissionen und der damit einhergehenden Auswirkungen ist in den vergangenen Jahren zunehmend das Thema „Elektromobilität” in den Fokus des Interesses geraten. Bezüglich der mittlerweile erhältlichen Elektrofahrzeuge mangelt es in vielen Märkten jedoch noch an einer ausreichenden Kaufbereitschaft durch die Kunden.
  • Eine Ursache hierfür könnte darin zu suchen sein, dass etwa rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge, bei denen als Energiequelle derzeit fast ausschließlich wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien (Akkumulatoren, Traktionsbatterien) zum Einsatz kommen, im Vergleich zu Fahrzeugen mit einer Verbrennungskraftmaschine pro „Tankladung” (d. h. in diesem Fall pro Batterieladung) nur eine vergleichsweise geringe Reichweite aufweisen.
  • Vor diesem Hintergrund werden große Anstrengungen dahin unternommen, die volumetrische und gravimetrische Energiedichte bei Akkumulatoren (Sekundärbatterien; im nachfolgenden oftmals nur als „Batterien” bezeichnet) zu erhöhen. Weitere Entwicklungsziele sind hierbei eine im Vergleich zu den derzeit dominierenden Lithium-Ionen-Batterien verbesserte Sicherheit, niedrigere Kosten und eine verlängerte Lebensdauer (Zyklenfestigkeit).
  • Bezüglich der Kosten ist festzustellen, dass der Preis für Lithium-Metall bereits heute relativ hoch ist. Dies hat seine Ursache teilweise darin, dass die Verfügbarkeit von Lithium-Metall in für Lithium-Ionen-Batteriezellen ausreichend hoher Reinheit aufgrund der derzeitigen Produktionskapazitäten relativ begrenzt ist. Und es ist von einer relativen Knappheit und damit auch mit weiter steigenden Preisen für dieses Metall auszugehen, falls zukünftig merkliche Anteile des heutigen Straßenverkehrs von zumindest auch elektrisch antreibbaren Fahrzeugen, bei denen Traktionsbatterien auf Lithiumbasis zum Einsatz kommen, übernommen werden sollten.
  • Eine mögliche technische Alternative zur Verwendung von Lithium besteht in elektrochemischen Systemen, bei denen ein alternatives Metall, wie etwa Natrium oder Magnesium, zum Einsatz kommt. Magnesium stellt einen besonders interessanten Kandidaten dar, da es nicht nur in großen Mengen verfügbar und deutlich preiswerter als Lithium-Metall ist, sondern pro Magnesium-Atom auch zwei Ladungen transportiert werden können, wohingegen es bei Lithium und Natrium bekanntermaßen nur eine Ladung ist.
  • Auf Grundlage von Magnesium können grundsätzlich wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batterien (analog zu bspw. wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien) aber auch wiederaufladbare Magnesium-Batterien (analog zu bspw. wiederaufladbaren Lithium-Batterien) realisiert werden.
  • Eine auf Magnesium basierende Batterie hätte eine theoretische volumetrische Energiedichte von bis zu 3800 mAh cm–3, was deutlich über der von Lithium (ca. 2000 mAh cm–3) oder Natrium (ca. 1100 mAh cm–3) liegen würde. Daher würde sich Magnesium grundsätzlich auch sehr gut für einen erhöhten Energietransport eignen.
  • Ein vielversprechendes Kathodenmaterial, insbesondere für eine wiederaufladbare Magnesium-Batterie, stellt Schwefel dar, mit dem eine theoretische Energiedichte von mehr als 3200 Wh/l erreichbar wäre (bei Betrachtung der Umwandlung von Mg2+ + S + 2e– zu MgS), was ebenfalls über dem entsprechenden Wert für eine Lithium-Schwefel-Batterie liegt. Eine Magnesium-Schwefel-Batterie würde auch eine vergleichsweise hohe Spannung liefern, was diesen Batterietyp in Kombination mit der rechnerisch sehr hohen Energiedichte insbesondere auch für automobile Anwendungen sehr interessant macht.
  • Eine Batteriezelle einer Metall-Schwefel-Batterie enthält eine Kathode (wobei der Begriff „Kathode” streng genommen nur für den Vorgang der Entladung zutrifft) aus einem Kohlenstoffmaterial (etwa Graphitruß oder Aktivkohle) oder einem porösen Kunststoff, an den kovalent oder adhäsiv elementarer Schwefel gebunden ist, eine metallische Anode (bspw. metallisches Magnesium, metallisches Lithium), einen den Kathodenraum und den Anodenraum ausfüllenden Elektrolyt und einen den Kathodenraum und den Anodenraum voneinander trennenden ionenleitenden Separator.
  • Während eines Entladungsvorgangs wandern Metall-Ionen (bspw. Magnesium-Ionen, Lithium-Ionen), von der Anode zur Kathode und bilden dort als Zwischenstufe mit dem Schwefel eine Reihe verschiedener Polysulfide aus, die am Ende des Entladungsvorgangs zu sulfidischen Verbindungen (bspw. MgS, Li2S) umgewandelt werden.
  • Bei einem Aufladevorgang findet der umgekehrte Vorgang statt, d. h. aus den sulfidischen Verbindungen wird über die Zwischenstufe der Polysulfide wieder elementarer Schwefel gebildet und die Metall-Ionen (bspw. Magnesium-Ionen, Lithium-Ionen) wandern zurück zur Anode, um sich dort wieder in metallischer Form abzulagern.
  • Eines der Probleme, welches es für technisch anwendbare, wiederaufladbare Magnesium-Ionen- bzw. Magnesium-Batterien noch zu lösen gilt, ist das Problem der ”Solvatation” von Magnesium-Ionen im Elektrolyten.
  • Unter Solvatation versteht man die ”Einhüllung” der einzelnen Metall-Ionen mit umgebenden Molekülen und/oder anderen Bestandteilen des Elektrolyts (Lösungsmittels), wenn die Metall-Ionen sich in dem flüssigen Elektrolyt befinden. Um eine funktionierende, wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batterie bzw. Magnesium-Batterie (bspw. Magnesium-Schwefel-Batterie) zu erhalten, muss diese Hülle aus Elektrolytmolekülen bzw. Elektrolytbestandteilen vergleichsweise einfach ”abstreifbar” sein. Ohne eine solche ”Abstreifbarkeit” der Elektrolytmoleküle (Lösungsmittelmoleküle) bzw. Elektrolytbestandteile ist das Metall-Ion praktisch von seiner Außenwelt isoliert und kann keine chemische Reaktion durchlaufen. Auch beeinflusst eine feste Solvathülle aufgrund der im Vergleich zum reinen Metall-Ion veränderten (und auch vergrößerten) Oberfläche die Bewegungsgeschwindigkeit des Metall-Ions im flüssigen Elektrolyten nachteilig, was eine nicht optimale elektrochemische Leistungsfähigkeit zur Folge hat.
  • Bei wiederaufladbaren Magnesium-Ionen- oder Magnesium-Batterien stellt sich das Verhalten der Elektrolyte (Lösungsmittel) etwas anders dar, als dies von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien bzw. wiederaufladbaren Lithium-Batterien bekannt ist. Tendenziell neigen alle bekannten Elektrolyte für Magnesium-Ionen- oder Magnesium-Batterien (bspw. Magnesium-Schwefel-Batterien) dazu, eine sehr fest anhaftende Solvathülle um das Magnesium-Ion auszubilden, sodass die elektrochemische Leistungsfähigkeit entsprechend gebauter Batterien sehr gering ist.
  • Ein Ziel bei der Erforschung und Entwicklung von wiederaufladbaren Magnesium-Ionen- bzw. Magnesium-Batterien (bspw. Magnesium-Schwefel-Batterien) ist es daher, möglichst kleine Solvathüllen zu erreichen, die bei Eintritt des Magnesium-Ions in die festen Elektroden oder bei Durchtritt durch den Separator leicht und möglichst verzögerungsfrei abgestreift werden können, um das Metall-Ion an der elektrochemischen Reaktion teilhaben lassen zu können.
  • Aus dem Stand der Technik sind u. a. folgende Elektrolyte für wiederaufladbare Magnesium-Ionen- bzw. wiederaufladbare Magnesium-Batterien bekannt:
    • a) AlCl3-(PhMgCl)2 in THF
    • b) AlCl3-HMDSMgCl in THF
    • c) MgF2-THFPB in DME
    AlCl3
    = Aluminiumchlorid
    DME
    = 1,2-Dimethoxyethan
    HMDSMgCl
    = Hexamethyldisilazid-Magnesiumchlorid
    PhMgCl
    = Phenylmagnesiumchlorid
    THF
    = Tetrahydrofuran
    THFPB
    = Tris(2H-hexafluorisopropyl)borat
  • Zhonghua Zhang, et al.: "Novel Design Concepts of Efficient Mg-Ion Electrolytes toward High-Performance Magnesium-Selenium and Magnesium-Sulfur Batteries"; Adv. Energy Mater., 17. Januar, 2017, Seiten 1–10, können u. a. die oben erwähnten Elektrolyte für Magnesium-(Ionen-)Batterien, Literaturstellen bezüglich dieser und weiterer Elektrolyte, sowie eine Übersicht über die Eigenschaften der verschiedenen Elektrolyte entnommen werden.
  • Durch unterschiedliche Chemien, etwa die Verwendung von NMC (Lithium Nickel Mangan Cobalt Oxid, LiNiMnCoO2) oder NCA (Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxid, LiNiCoAlO2) als Aktivmaterial, Schwefel als Aktivmaterial und unterschiedliche Elektrolyte (Lösungsmittel) können unterschiedliche Geschwindigkeiten beim Abstreifen der Solvathülle erreicht werden. In Bezug auf die Elektrolyte kann mittels der Zugabe von Additiven versucht werden, dieses Abstreifen der Solvathülle zu beschleunigen und insbesondere auch zu kontrollieren, um eine homogene chemische Reaktion darstellen zu können.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Elektrolyt für wiederaufladbare Magnesium-Ionen- und wiederaufladbar Magnesium-Batterien zur Verfügung zu stellen. Auch ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine im Vergleich zum vorbekannten Stand der Technik verbesserte wiederaufladbare Magnesium-Ionen- oder wiederaufladbare Magnesium-Batteriezelle mit dem Elektrolyt zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine im Vergleich zum vorbekannten Stand der Technik verbesserte wiederaufladbare Magnesium-Ionen- oder wiederaufladbare Magnesium-Batterie mit erfindungsgemäßen Batteriezellen zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch den Elektrolyt für eine wiederaufladbare Magnesium-Ionen- oder wiederaufladbare Magnesium-Batterien gemäß Anspruch 1, die wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batteriezelle oder wiederaufladbare Magnesium-Batteriezelle gemäß Anspruch 5, die wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batterie oder wiederaufladbare Magnesium-Batterie gemäß Anspruch 6, das Verfahren zum Herstellen eines Elektrolyts gemäß Anspruch 7 sowie die Verwendung eines Additivs gemäß Anspruch 8. Vorteilhafte Weiterbildungen des Elektrolyts sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß wird ein Elektrolyt für eine wiederaufladbar Magnesium-Ionen-Batterie oder eine wiederaufladbare Magnesium-Batterie, insbesondere eine wiederaufladbare Magnesium-Schwefel-Batterie vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er eine Mischung aus einem Derivat einer Thiobarbitursäure, bevorzugt Thiobarbital (5,5-Diethyldihydro-2-thioxo-(1H,5H)-pyrimidin-4,6-dion; [CAS 77-32-7])
    Figure DE102017007426A1_0003
    und einer Thiobarbitursäure, bevorzugt 2-Thiobarbitursäure (C4H4N2O2S [CAS 504-17-6])
    Figure DE102017007426A1_0004
    als Additiv enthält.
  • Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Elektrolyts konnte der Erfinder überraschender Weise erreichen, dass die chemische Leistungsfähigkeit von mit einem erfindungsgemäßen Elektrolyt versehenen, wiederaufladbaren Magnesium-Ionen-Batterien nicht nur mit derjenigen von Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar ist, sondern diese sogar signifikant übersteigt.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird somit ein Elektrolyt mit einem Additiv in Form einer Mischung von zwei Additiven zur Verfügung gestellt, bei dem das Abstreifen der Solvathülle um Magnesium-Ionen im Vergleich zum vorbekannten Stand der Technik offenbar deutlich beschleunigt bzw. erleichtert ist.
  • Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektrolyts enthält dieser die Mischung aus dem Derivat der Thiobarbitursäure, bevorzugt Thiobarbital, und der Thiobarbitursäure, bevorzugt 2-Thiobarbitursäure, in dem Elektrolyt mit einer Konzentration von 0,005 Gew.-% bis 2,5 Gew.-%, bevorzugt von 0,01 Gew.-% bis 1,9 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyts.
  • Nach den derzeitigen Erkenntnissen des Erfinders kann ein steigender positiver Effekt des Additivs bis zu einer Konzentration von etwa 2,5 Gew.-%, jedenfalls bis zu einer Konzentration bis etwa 1,9 Gew.-% festgestellt werden. Positive Effekte des Additivs treten aber bereits bei einer deutlich niedrigeren Konzentration ab etwa 0,005 Gew.-% auf, und ein deutlich positiver Effekte kann bereits ab etwa 0,01 Gew.-% des Additivs in dem Elektrolyt festgestellt werden. Eine möglichst geringe Konzentration des Additivs ist zum einen unter toxikologischen Gesichtspunkten unbedenklich und zum anderen unter Kostengesichtspunkten vorteilhaft.
  • Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektrolyts sind das Derivat der Thiobarbitursäure, bevorzugt das Thiobarbital, und die Thiobarbitursäure, bevorzugt die 2-Thiobarbitursäure, in dem Elektrolyt in einem gewichtsmäßigen Verhältnis von 4:1 bis 1:1, bevorzugt in einem gewichtsmäßigen Verhältnis von 2:1 enthalten.
  • Als ein geeignetes Beispiel sei hier angegeben ein Elektrolyt gemäß der vorliegenden Erfindung, der 0,02 Gew.-% Thiobarbital und 0,01 Gew.-% 2-Thiobarbitursäure enthält.
  • Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn der Elektrolyt als Elektrolytlösung
    • a) AlCl3-(PhMgCl)2 und Tetrahydrofuran,
    • b) AlCl3-HMDSMgCl und Tetrahydrofuran, oder
    • c) MgF2-THFPB und 1,2-Dimethoxyethan
    sowie ein Additiv gemäß den obigen Ausführungen aufweist.
  • Von der vorliegenden Erfindung umfasst ist auch eine wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batteriezelle oder wiederaufladbare Magnesium-Batteriezelle, bevorzugt wiederaufladbare Magnesium-Schwefel-Batteriezelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen erfindungsgemäßen Elektrolyt oder einen seiner vorteilhaften Weiterbildungen enthält.
  • Die wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batteriezelle und die wiederaufladbare Magnesium-Batteriezelle kann jeden bekannt Aufbau und jede bekannte Konfiguration aufweisen und ist nicht auf eine spezielle Ausgestaltung beschränkt.
  • Von der vorliegenden Erfindung umfasst ist weiter eine wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batterie oder wiederaufladbare Magnesium-Batterie mit einer Mehrzahl an wiederaufladbaren Magnesium-Ionen-Batteriezellen oder wiederaufladbaren Magnesium-Batteriezellen. Hierbei können die einzelnen Batteriezellen, wie Fachleuten bekannt ist, parallel und/oder seriell verschaltet sein.
  • Da Fachleuten die weiteren Bestandteile und Komponenten einer wiederaufladbaren Magnesium-Ionen-Batterie oder wiederaufladbaren Magnesium-Batterie sowie deren mögliches Zusammenwirken bekannt sind, braucht in der vorliegenden Anmeldung hierauf nicht näher eingegangen zu werden.
  • Mit einem erfindungsgemäßen Elektrolyt oder einem seiner vorteilhaften Weiterbildungen versehene wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batterien oder wiederaufladbare Magnesium-Batterien weisen ein erhebliches Potenzial zur Kosteneinsparung auf, da Magnesium günstiger, zugänglicher, und besser verteilt auf dem Weltmarkt erhältlich ist als Lithium. Zudem ist der Preis für Magnesium als Rein-Material wesentlich geringer als für Lithium. Die Recyclingfähigkeit von Magnesium ist gegeben, wegen der sehr guten Verfügbarkeit wird Recycling aber nicht zwingend benötigt.
  • Insgesamt betrachtet dient die vorliegende Erfindung somit dazu, wiederaufladbare Magnesium-Ionen- oder wiederaufladbare Magnesium-Batterien, insbesondere wiederaufladbare Magnesium-Schwefel-Batterien wirtschaftlich betreibbar zu machen und bei diesen überhaupt erst eine elektrochemische Leistungsfähigkeit zu erreichen, die für die elektrische Traktion in Fahrzeugen oder für ein stationäres Speichern erforderlich ist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft weiter auch ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Elektrolyts oder eines seiner vorteilhaften Weiterbildungen, umfassend die Schritte:
    • – Zugabe eines erfindungsgemäßen Additivs oder eines seiner vorteilhaften Weiterbildungen zu einer Elektrolytlösung, bevorzugt zu einer Elektrolytlösung gemäß obigen Beispielen a) bis c) (d. h. einer Elektrolytlösung, wie sie im Anspruch 4 unter den dortigen Punkten a) bis c) angegeben ist), gleichmäßiges Vermischen des Additivs in der Elektrolytlösung, und Stehen lassen des so hergestellten Elektrolyts für einen Zeitraum von wenigstens 6 Stunden, bevorzugt für einen Zeitraum von wenigstens 8 Stunden.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Zugabe des Additivs (wobei die beiden Komponenten des Additivs gemeinsam oder nacheinander zugegeben werden können) in die insoweit bereits fertiggestellte Elektrolytlösung [etwa eine gemäß den obigen Beispielen a) bis c)], wobei bezüglich der Herstellung dieser und anderer Elektrolytlösungen auf aus der Literatur bekannte Herstellungsverfahren zurückgegriffen werden kann).
  • Die Zugabe des Additivs hat zwingend wenigstens 6 Stunden vor, bevorzugt 8 Stunden vor dem Befüllen der Batteriezellen mit dem Elektrolyt zu erfolgen und es ist darauf zu achten, dass das Additiv gleichmäßig in der Elektrolytlösung verteilt wird. Die Elektrolytlösung-Additiv-Mischung muss während dem angegebenen Zeitraum nur ruhen, d. h. es ist kein Rühren erforderlich (aber möglich). Wie vom Erfinder vermutet wird, werden in dem angegebenen Zeitraum komplexähnliche, metallorganische Strukturen ausgebildet. Es kann eine (jeweils) geeignete Temperatur für die Zugabe/das Vermischen und/oder das Stehen lassen vorgegeben werden, wobei die Temperaturen unterschiedlich hoch sein können.
  • Von der vorliegenden Anmeldung umfasst sind auch alle weiteren Verfahren, die sich für einen Fachmann aus der Beschreibung des Elektrolyts gemäß der vorliegenden Erfindung, den wiederaufladbaren Batteriezellen gemäß der vorliegenden Erfindung, den wiederaufladbaren Batterien gemäß der vorliegenden Erfindung sowie den Ansprüchen ohne weiteres ergeben.
  • Von der vorliegenden Erfindung umfasst ist schließlich auch die Verwendung einer Mischung aus einem Derivat einer Thiobarbitursäure, bevorzugt Thiobarbital
    Figure DE102017007426A1_0005
    und einer Thiobarbitursäure, bevorzugt 2-Thiobarbitursäure
    Figure DE102017007426A1_0006
    als Additiv für einen Elektrolyt für eine wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batterie oder eine wiederaufladbare Magnesium-Batterie.
  • Von der vorliegenden Anmeldung umfasst sind auch alle weiteren Verwendungen, die sich für einen Fachmann aus der Beschreibung des Elektrolyts gemäß der vorliegenden Erfindung, den wiederaufladbaren Batteriezellen gemäß der vorliegenden Erfindung, den wiederaufladbaren Batterien gemäß der vorliegenden Erfindung, dem Verfahren zum Herstellen eines Elektrolyts gemäß der vorliegenden Erfindung sowie den Ansprüchen ohne weiteres ergeben.
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • Zhonghua Zhang, et al.: ”Novel Design Concepts of Efficient Mg-Ion Electrolytes toward High-Performance Magnesium-Selenium and Magnesium-Sulfur Batteries”; Adv. Energy Mater., 17. Januar, 2017, Seiten 1–10 [0018]

Claims (8)

  1. Elektrolyt für eine wiederaufladbar Magnesium-Ionen-Batterie oder eine wiederaufladbare Magnesium-Batterie, insbesondere eine wiederaufladbare Magnesium-Schwefel-Batterie dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt eine Mischung aus einem Derivat einer Thiobarbitursäure, bevorzugt Thiobarbital
    Figure DE102017007426A1_0007
    und einer Thiobarbitursäure, bevorzugt 2-Thiobarbitursäure
    Figure DE102017007426A1_0008
    als Additiv enthält.
  2. Elektrolyt gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung aus dem Derivat der Thiobarbitursäure, bevorzugt Thiobarbital, und einer Thiobarbitursäure, bevorzugt 2-Thiobarbitursäure, in dem Elektrolyt in einer Konzentration von 0,002 Gew.-% bis 2,5 Gew.-%, bevorzugt von 0,005 Gew.-% bis 1,9 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten enthalten ist.
  3. Elektrolyt gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Derivat der Thiobarbitursäure, bevorzugt das Thiobarbital, und die Thiobarbitursäure, bevorzugt die 2-Thiobarbitursäure, in dem Elektrolyt in einem gewichtsmäßigen Verhältnis von 4:1 bis 1:1, bevorzugt in einem gewichtsmäßigen Verhältnis von 2:1 enthalten sind.
  4. Elektrolyt gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als Elektrolytlösung a) AlCl3-(PhMgCl)2 und Tetrahydrofuran, b) AlCl3-HMDSMgCl und Tetrahydrofuran, oder c) MgF2-THFPB und 1,2-Dimethoxyethan sowie ein Additiv gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 aufweist.
  5. Wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batteriezelle oder wiederaufladbare Magnesium-Batteriezelle, bevorzugt wiederaufladbare Magnesium-Schwefel-Batteriezelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Elektrolyt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 enthält.
  6. Wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batterie oder wiederaufladbare Magnesium-Batterie, bevorzugt wiederaufladbare Magnesium-Schwefel-Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Mehrzahl an Batteriezellen gemäß Anspruch 5 aufweist.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Elektrolyts gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend die Schritte: Zugabe des Additivs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 zu einer Elektrolytlösung, bevorzugt zu einer Elektrolytlösung gemäß Anspruch 4, Optionen a) bis c), gleichmäßiges Vermischen des Additivs in der Elektrolytlösung und Stehen lassen des so hergestellten Elektrolyts für einen Zeitraum von wenigstens 6 Stunden, bevorzugt für einen Zeitraum von wenigstens 8 Stunden.
  8. Verwendung einer Mischung aus einem Derivat einer Thiobarbitursäure, bevorzugt Thiobarbital
    Figure DE102017007426A1_0009
    und einer Thiobarbitursäure, bevorzugt 2-Thiobarbitursäure
    Figure DE102017007426A1_0010
    als Additiv für einen Elektrolyt für eine wiederaufladbare Magnesium-Ionen-Batterie oder eine wiederaufladbare Magnesium-Batterie.
DE102017007426.7A 2017-08-05 2017-08-05 Elektrolyt für wiederaufladbare Magnesium-lonen- und Magnesium-Batterien sowie wiederaufladbare Magnesium-lonen- und Magnesium-Batterien mit dem Elektrolyt Withdrawn DE102017007426A1 (de)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112271334A (zh) * 2020-10-26 2021-01-26 哈尔滨工业大学 一种以金属镁为负极材料的镁金属电池用负极成膜添加剂及其应用
US11031630B2 (en) * 2019-01-25 2021-06-08 Ningde Amperex Technology Limited Electrolyte and electrochemical device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Zhonghua Zhang, et al.: "Novel Design Concepts of Efficient Mg-Ion Electrolytes toward High-Performance Magnesium-Selenium and Magnesium-Sulfur Batteries"; Adv. Energy Mater., 17. Januar, 2017, Seiten 1–10

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11031630B2 (en) * 2019-01-25 2021-06-08 Ningde Amperex Technology Limited Electrolyte and electrochemical device
CN112271334A (zh) * 2020-10-26 2021-01-26 哈尔滨工业大学 一种以金属镁为负极材料的镁金属电池用负极成膜添加剂及其应用
CN112271334B (zh) * 2020-10-26 2022-01-25 哈尔滨工业大学 一种以金属镁为负极材料的镁金属电池用负极成膜添加剂及其应用

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