DE102017125383A1 - Hochkonzentrierter elektrolyt für eine magnesiumbatterie, mit einem carboranylmagnesiumsalz im etherlösungsmittelgemisch - Google Patents

Hochkonzentrierter elektrolyt für eine magnesiumbatterie, mit einem carboranylmagnesiumsalz im etherlösungsmittelgemisch Download PDF

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Abstract

Elektrochemische Vorrichtungen und Verfahren zum Herstellen derselben enthalten eine Anode mit Magnesium, eine Kathode, und einen Elektrolyt im Kontakt mit der Anode und der Kathode. Der Elektrolyt enthält ein Carboranylmagnesiumsalz und ein Etherlösungsmittelgemisch, in dem das Carboranylmagnesiumsalz gelöst ist. Das Etherlösungsmittelgemisch enthält ein erstes Etherlösungsmittel und ein zweites Etherlösungsmittel, welches sich vom ersten Etherlösungsmittel unterscheidet.

Description

  • QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen U.S. Anmeldung Nr. 62/427,070 , eingereicht am 28. November 2016.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein elektrochemische Zellen, die Elektrolyte mit einem Etherlösungsmittelgemisch aufweisen, und insbesondere Magnesiumbatterien, die Elektrolyte mit in derartigen Lösungsmitteln gelösten Carboranylmagnesiumsalzen aufweisen.
  • HINTERGRUND
  • Carboranylmagnesiumsalze sind mit Magnesiumanoden kompatibel und weisen eine hohe elektrochemische Stabilität auf, wenn sie in Magnesiumbatterien eingebaut sind. Daher stellen diese Salze die Grundlage für sehr vielversprechende Magnesiumelektrolyte dar. Jedoch weisen in einigen Fällen Carboranylmagnesiumsalze eine geringere Löslichkeit in elektrochemisch kompatiblen Lösungsmitteln auf, als gewünscht. Das Carboranylanion eines Carboranylmagnesiumsalzes kann in vernünftiger Weise funktionalisiert werden, um die Löslichkeit zu verbessern, aber dies kann ökonomisch ungünstig sein. In einigen Fällen kann die Löslichkeit durch die Verwendung eines mehrzähnigen Etherlösungsmittels hohen Molekulargewichts verbessert werden. Jedoch weisen derartige Lösungsmittel üblicherweise eine hohe Viskosität auf, welche die Leitfähigkeit der Magnesiumionen verringert und deshalb die Elektrolytleistung schädigt.
  • Dementsprechend gibt es einen Bedarf für einen verbesserten Elektrolyten, der ein Carboranylmagnesiumsalz verwendet und die nötige Löslichkeit erreicht, um eine hohe Ionenleitfähigkeit bei möglichst geringen Kosten bereitzustellen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Offenbart, in verschiedenen nicht-beschränkenden Ausführungsformen, sind elektrochemische Vorrichtungen, die einen Etherlösungsmittelgemisch-Elektrolyten aufweisen und ein Verfahren zur Herstellung dieser elektrochemischen Vorrichtungen.
  • In einer Ausführungsform wird eine elektrochemische Vorrichtung bereitgestellt, welche eine Anode mit Magnesium, eine Kathode und einen Elektrolyten aufweist, der in Kontakt mit der Anode und der Kathode ist. Der Elektrolyt enthält ein Carboranylmagnesiumsalz und ein Etherlösungsmittelgemisch, in welchem das Carboranylmagnesiumsalz gelöst ist. Das Etherlösungsmittelgemisch enthält ein erstes Etherlösungsmittel und ein zweites Etherlösungsmittel, das sich vom ersten Etherlösungsmittel unterscheidet.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Vorrichtung vorgesehen. Das Verfahren enthält einen Schritt des Verbindens, der eine Magnesium aufweisende Anode mit einer Kathode durch eine äußere elektrisch leitenden Struktur und einen Schritt des in Verbindung Bringens bzw. in Berührung Bringens der Anode und Kathode mit einem Elektrolyten. Der Elektrolyt enthält ein Carboranylmagnesiumsalz und ein Etherlösungsmittelgemisch, in dem das Carboranylmagnesiumsalz gelöst ist. Das Etherlösungmittelgemisch enthält ein erstes Etherlösungsmittel und ein zweites Etherlösungsmittel, welches sich von dem ersten Etherlösungsmittel unterscheidet.
  • Diese und andere Merkmale der elektrochemischen Vorrichtung, die einen Carboranylmagnesiumelektrolyten aufweist, und das Verfahren zu dessen Herstellung wird durch die folgende detaillierte Beschreibung beim Lesen in Verbindung mit den Figuren und Beispielen, welche beispielhaft, aber nicht beschränkend sind, ersichtlich werden. Der Carboranylmagnesiumelektrolyt kann wie beschrieben alleine oder in Kombination mit anderen Elektrolytmaterialien verwendet werden.
  • Figurenliste
  • Für ein besseres Verständnis der Verfahren und der Vorrichtungen, die einen Carboranylmagnesiumelektrolyt aufweisen, wird im Hinblick auf hierbei diskutierte, spezielle Variationen und Beispiele Bezug auf die beigefügten Figuren genommen, wobei:
    • 1 ein zyklisches Voltammogram einer Platin-(Pt)-Arbeitselektrode im Kontakt mit 0,35 molal Mg(CB11H12)2 in Tetraethylenglycoldimethylether (Tetraglyme) ist, wobei das Voltammogram bei einer Abtastrate bzw. Scannrate von 5 mV/s durchgeführt wurde;
    • 2 ein zyklisches Voltammogram einer Platin-Arbeitselektrode im Kontakt mit 0,50 molal Mg(CB11H12)2 in einem Etherlösungsmittelgemisch der vorliegenden Offenbarung ist, das ein 1:1 Gewichtsverhältnis von 1,2-Dimethoxyethan:Diglyme aufweist, wobei das Voltammogram mit einer Abtastrate von 35 mV/s durchgeführt wurde; und
    • 3 ein zyklisches Voltammogram einer Pt-Arbeitselektrode im Kontakt mit 0,54 molal Mg(CB11H12)2 in einem Etherlösungsmittelgemisch der vorliegenden Offenbarung ist, das ein 1:1 Gewichtsverhältnis von Tetrahydrofuran:Diglyme aufweist, wobei das Voltammogram mit einer Abtastrate von 35 mV/s durchgeführt wurde.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Offenbarung sieht elektrochemische Vorrichtungen mit Elektrolyten vor, die Carboranylmagnesiumsalze enthalten. Carboranylmagnesiumsalze sind geeignet reversible Magnesiumablagerungen an einer Magnesiumanode zu vermitteln, während sie vergleichsweise korrosionsfrei und oxidativ stabil am kathodischen Stromabnehmer sind, in einer Art wie vorher für carboranylmagnesiumfreie Elektrolyte gezeigt wurde. Die Elektrolyte der vorliegenden Technologie können am Carboranylanion mit einer oder mehreren Komponenten bzw. Teilchen funktionalisiert werden.
  • Die Carboranylmagnesiumsalze können deshalb besonders vorteilhaft für die Verwendung als Elektrolyten in Magnesiumbatterien eingesetzt werden, die einen kathodischen Stromabnehmer, hergestellt aus nicht-edlen Metallen, wie beispielsweise aus Edelstahl, aufweisen. Die vorliegend offenbarten Carboranylmagnesiumsalze kombinieren die Eigenschaften elektrochemischer Kompatibilität mit reversibler und wiederholter Magnesiumablagerung an der Magnesiumanode, mangelnder Korrosionsneigung am kathodischen Stromabnehmer, und genügend hoher Löslichkeit, um eine hohe Ionenleitfähigkeit und einer verbesserten Zyklenratenleistung (cycling rate performance) zu liefern.
  • Dementsprechend ist hier eine elektrochemische Vorrichtung vorgesehen, welche eine Anode; eine Kathode; und einen Lösungsmittelgemisch-Carboranylelektrolyten, welcher im Kontakt mit der Anode und der Kathode ist, enthält. Im Allgemeinen, enthält der Lösungsmittelgemisch-Carboranylmagnesiumelektrolyt (alternativ hier vereinfacht als „der Elektrolyt“ bezeichnet) ein Carboranylmagnesiumsalz, welches mindestens ein Magnesiumkation (Mg2+) und mindestens ein Carboranylanion pro stöchiometrischer Einheit aufweist. In einigen Fällen hat das Carboranylmagnesiumsalz eine Formel: Mg(CBiH[(i+1)-j-k]XjRk)2, Formel I: Mg(C2B(i-1)H(i-j-k)XjRk)2, Formel II: Mg(CBiH[(i+1)-j-k]XjRk)X, Formel III: Mg(C2B(i-1)H(i-j-k)XjRk)X, Formel IV: or eine Kombination aus mindestens zwei der Vorangehenden, wobei i eine ganze Zahl innerhalb eines Bereiches von 5 bis einschließlich 11 ist; j eine ganze Zahl innerhalb eines Bereiches von 0 bis einschließlich i ist; k eine ganze Zahl von 0 bis einschließlich i ist; jedes X, unabhängig von jedem anderen X, Fluor, Chlor, Brom oder Iod ist; und jedes R, unabhängig von jedem anderen R, ein Alkyl, Aryl, Alkoxy, Aryloxy, deren teilweise oder vollständig fluorierten Analoga ist, oder eine Komponente, welche die obengenannten Funktionalitäten kombiniert. In vielen Verwirklichungen bzw. Ausführungsformen sind j, k oder j+k geringer oder gleich 2. Zumindest in einigen Verwirklichungen sind j und k niedriger oder gleich 7. In einigen speziellen Verwirklichungen sind j, k oder beide gleich 0. In einigen speziellen Verwirklichungen ist j gleich 11.
  • Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Alkyl“ auf eine verzweigte oder geradkettige Alkylgruppe mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen (C1-C18), welche wahlweise teilweise oder vollständig fluoriert sein kann. Der hier verwendete Begriff „Aryl“ bezieht sich auf eine aromatische Kohlenwasserstoffgruppe mit 6 bis 14 Kohenstoffatomen (C6-14), wie Phenyl oder Naphthyl. Ein Aryl kann wahlweise auch teilweise oder vollständig fluoriert sein. Der hier verwendete Begriff „Alkoxy“ bezieht sich auf eine Gruppe mit der Formel -ORalk, wobei Ralk ein Alkyl, wie vorstehend definiert, ist. Eine Alkoxygruppe kann wahlweise teilweise oder vollständig fluoriert sein. Der hier verwendete Begriff „Aryloxy“ bezieht sich auf eine Gruppe mit der Formel -ORaryl, wobei Raryl eine Arylgruppe, wie vorstehend definiert, ist. Eine Aryloxygruppe kann wahlweise teilweise oder vollständig fluoriert sein.
  • Im Allgemeinen ist das Carboranylanion, vorstehend dargestellt mit einer der Formeln I bis IV, ein Anion der closo-Carborane. In einigen Fällen ist es ein Anion der icosaedrischen closo-Carborane, wobei die Gesamtzahl der Kohlenstoff- und Boratome, ausschließlich der H-, X- und R-Gruppen, 12 ist.
  • In einigen Verwirklichungen bzw. Umsetzungen der offenbarten elektrochemischen Vorrichtung, in der das Carboranylmagnesiumsalz ein Salz nach den Formeln I bis IV ist, kann R kovalent an den Kohlenstoff des Carboranylanions gebunden sein. In einigen Verwirklichungen in denen das Carboranylmagnesiumsalz ein Salz nach den Formeln I bis IV ist, kann R ein Alkyl- sein. In einigen dieser Verwirklichungen kann R Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl-, Pentyl- oder Hexyl- sein.
  • In einigen Verwirklichungen der offenbarten elektrochemischen Vorrichtung, in denen das Carboranylmagnesiumsalz ein Salz nach den Formeln I bis IV ist, kann X kovalent an das Boratom des Carboranylanions gebunden sein. In einigen Verwirklichungen, in denen das Carboranylmagnesiumsalz ein Salz nach den Formeln I bis IV ist, kann j 1, 6 oder 11 sein.
  • Der Lösungsmittelgemisch-Carboranylelektrolyt enthält weiterhin ein Lösungsmittelgemisch-System, in dem das Carboranylmagnesiumsalz gelöst ist. Das Lösungsmittelgemisch-System enthält ein erstes Etherlösungsmittel und ein zweites Etherlösungsmittel, welches sich vom ersten Etherlösungsmittel unterscheidet. Jedes des ersten und des zweiten Etherlösungsmittels kann jedes beliebige Etherlösungsmittel sein, welches geeignet ist das Carboranylmagnesiumsalz, unter normalen Betriebsbedingungen der zugehörigen elektrochemischen Vorrichtung, zu lösen oder teilweise zu lösen. Nicht-beschränkende Beispiele der Etherlösungsmittel, welche sich zur Verwendung als entweder erstes Etherlösungsmittel, zweites Etherlösungsmittel oder für beides eignen, umfassen: Tetrahydrofuran (THF), 1,2-Dimethoxyethan (Glyme), Bis(2-Methoxyethyl) Ether (Diglyme), Triethylenglykol Dimethylether (Triglyme), Tetraethylenglykol Dimethylether (Tetraglyme), oder jedes andere etherische Lösungmittel, welches geeignet ist, die Teillöslichkeit des verwendeten Carboranylmagnesiumsalzes zu fördern und zu der Anordnung und den Anforderungen der elektrochemischen Vorrichtung passt. In bestimmten Ausführungsformen, hat das Carboranylmagnesiumsalz eine Löslichkeit in entweder dem ersten, oder zweiten oder beiden Etherlösungsmitteln von mindestens 0,001 molal bei 25 °C und Atmosphärendruck.
  • In einigen Ausführungsformen weist mindestens eines des ersten oder zweiten Etherlösungmittels eine Viskosität von weniger als 2 cP, oder weniger als 1 cP, bei Standardbedingungen von 25 °C und Atmosphärendruck auf. In einigen Ausführungsformen weist das gemischte Etherlösungmittel eine Viskosität von weniger als 2 cP bei Standardbedingungen von 25 °C und Atmosphärendruck auf.
  • Es ist verständlich, dass Carboranylmagnesiumsalze allgemein eine größere molale Löslichkeit in Etherlösungsmitteln mit einer höheren Anzahl an Sauerstoffatomen aufweisen, welche eine größere Viskosität aufweisen, als ihre Löslichkeit in Etherlösungmitteln mit einer geringeren Anzahl von Sauerstoffatomen und mit geringerer Viskosität. Andererseits ist die Magnesiumionenmobilität und deshalb die Leitfähigkeit im Allgemeinen in Lösungsmitteln geringerer Viskosität höher. In Bezug auf die untenstehende Tabelle 1 wurde entdeckt, dass die Etherlösungsmittelgemische der vorliegenden Offenbarung allgemein eine hohe Löslichkeit der Carboranylmagnesiumsalze aufweisen, sogar in Verwirklichungen, bei denen jedes einzelne des ersten und des zweiten Etherlösungsmittels eine geringe Löslichkeit aufweist. Tabelle I zeigt die Löslichkeit von Mg(CB11H12)2 in verschiedenen einzelnen oder gemischten Etherlösungsmitteln, wobei sich DME auf 1,2-Dimethoxyethan bezieht, wobei sich G2 auf Diglyme bezieht, wobei sich G3 auf Triglyme bezieht, und wobei sich G4 auf Tetraglyme bezieht. Tabelle I zeigt außerdem die gemessenen oder geschätzten Viskositäten der verschiedenen einzelnen oder gemischten Etherlösungmittel. Tabelle I. Löslichkeit von Mg(CB11H12)2 in verschiedenen Lösungsmitteln oder Lösungsmittelmischungen bei 25 °C
    Löslichkeit (molal) Lösungsmittelviskosität
    (cP)
    THF <0,004 0,46
    DME 0,008 0,42
    G2 0,015 0,94
    G3 > 1 1,96
    G4 > 1 3,3
    THF/DME (1:1) 0,37 0,44a
    THF/G2 (1:1) 0,82 0,59a
    DME/G2 (1:1) 0,55 0,58a
    a geschätzt.
  • Es ist beispielsweise ersichtlich, dass ein 1:1 Gewichtsverhältnis von THF:DME eine Löslichkeit von annähernd 50-mal größer als die von DME alleine, und annähernd 100-mal größer als die von THF alleine liefert. Es ist außerdem ersichtlich, dass die Löslichkeit in einem 1:1 Gewichtsverhältnis von THF:G2 mit der von G3 oder G4 alleine vergleichbar ist, aber die Viskosität des 1:1 Gewichtsverhältnisses von THF:G2 um jeweils 70 % beziehungsweise 82 % hinsichtlich G3 beziehungsweise G4 alleine reduziert ist.
  • Außerdem, wie mit Bezug auf Tabelle II ersichtlich wird, liefert das Etherlösungsmittelgemisch in allen Fällen eine erheblich höhere Ionenleitfähigkeit als die von entweder dem ersten Etherlösungsmittel oder dem zweiten Etherlösungsmittel alleine. Tabelle II. Maximale Ionenleitfähigkeit erhalten durch Lösungen von Mg(CB11H12)2.
    Lösungsmittelviskosität Maximale Ionenleitfähigkeit Konzentration bei der maximalen
    (cP) (mS/cm) Leitfähigkeit (molar)
    G4 3,3 1,3 0,43
    THF/G2 (1:1) 0,59a 5,7 0,63
    DME/G2 (1:1) 0,58a 6,1 0,52
    a berechnet.
  • Dadurch ist beispielsweise ersichtlich, dass die Etherlösungsmittelgemische mit THF:G2 oder DME:G2 bei einem 1:1 Gewichtsverhältnis eine annähernd 5-mal höhere maximale Ionenleitfähigkeit als die von Tetraglyme aufweisen. Ohne an irgendeine bestimmte Theorie gebunden zu sein, wird vermutet, dass die erheblich höhere Ionenleitfähigkeit des Etherlösungsmittelgemischs, hauptsächlich auf die geringe Viskosität des Etherlösungmittelgemischs zurückzuführen ist. Zum Beispiel und mit Bezug auf die Tabellen I und II ist ersichtlich, dass die 1:1 Mischungen von THF:G2 eine Carboranylmagnesiumlöslichkeit vergleichbar mit der von größeren Glymes aufweisen, während sie eine weit geringere Viskosität besitzen.
  • In verschiedenen Verwirklichungen ist das Carboranylmagnesiumsalz im gemischten Etherlösungsmittel in einer Konzentration von mindestens 0,1 molal oder mindestens 0,25 molal, oder mindestens 0,5 molal vorhanden. In einigen Verwirklichungen weist der gemischte Lösungsmittelelektrolyt eine Magnesiumionenleitfähigkeit von größer als 1 mS/cm, oder größer als 3 mS/cm, oder größer als 6 mS/cm auf.
  • Eine elektrochemische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung und mit einem Elektrolyten, der ein Carboranylmagnesiumsalz enthält, ist in vielen Verwirklichungen eine Magnesiumbatterie, in der eine Reduktions-/Oxidationsreaktion nach Reaktion A abläuft: Mg0 ↔ Mg2+ + 2e- A.
  • In vielen Verwirklichungen ist die elektrochemische Vorrichtung ein Akkumulator oder eine Untereinheit eines Akkumulators. In derartigen Verwirklichungen versteht es sich, dass sich der hier verwendete Begriff „Anode“ auf eine Elektrode bezieht, an der Magnesiumoxidation während der Entladung der Vorrichtung auftritt und an der Magnesiumreduktion während der Ladung der Vorrichtung auftritt. Entsprechend versteht es sich, dass sich der Begriff „Kathode“ in derartigen Verwirklichungen auf eine Elektrode bezieht, an der eine Reduktion des Kathodenmaterials während der Entladung der Vorrichtung auftritt und an der eine Oxidation des Kathodenmaterials während der Ladung der Vorrichtung auftritt.
  • In derartigen Verwirklichungen kann die Anode jegliches Material oder jegliche Materialienkombination aufweisen, welche wirksam an einer elektrochemischen Oxidation von Magnesium während einer Entladung der Vorrichtung teilhaben. Entsprechend kann die Anode jegliches Material oder jegliche Materialienkombination aufweisen, welche wirksam an der elektrochemischen Reduktion von Magnesiumkationen teilnehmen und reduziertes Magnesium während eines Ladungsprozesses bzw. Ladungsereignisses der Vorrichtung einsetzen bzw. einbringen. In einigen Verwirklichungen kann die Anode im Wesentlichen aus elementarem Magnesium (d.h. Magnesiumatome, ohne formelle Ladung) bestehen oder mindestens eine Oberflächenschicht von elementarem Magnesium enthalten. In anderen Verwirklichungen kann die Anode eine magnesiumenthaltende Legierung und/oder eine Magnesiumelektrode vom Einsatztyp, wie eine Zinnelektrode, enthalten, welche Magnesium in einem Komplex oder in einer Legierung mit anderen Materialien in einem Umfang enthält wie die Zelle geladen ist.
  • Die Kathode kann jegliches Material, oder jegliche Materialienkombination enthalten, welche wirksam beim elektrochemischen Einsetzen eines Kathodenmaterials während einer Entladung der Vorrichtung teilhaben. Entsprechend kann die Kathode jegliches Material oder jegliche Materialienkombination enthalten, welche wirksam an der elektrochemischen Extraktion des besagten Kathodenmaterials während eines Ladungsprozesses der Vorrichtung teilhaben. In einigen Varianten kann das Kathodenmaterial, welches an der Kathode während einer Entladung der Vorrichtung eingesetzt wird, und von der Kathode während des Ladungsprozesses der Vorrichtung extrahiert wird, Magnesium enthalten. Geeignete, aber nicht ausschließende Beispiele der Kathodenmaterialien können eine Chevrel-Phase Molybdänzusammensetzung wie Mo6S8, FeSiO4 (reversibel MgFeSiO4), MnO2, MgFePO4, Schwefel, Organoschwefelverbindungen, ein organisches Kathodenmaterial wie Poly(2,2,6,6-Tetramethyl-Piperidinyl-1-oxy-4-yl Methacrylat) (PTMA), Luft oder jegliches andere geeignete Material enthalten.
  • Die elektrochemische Vorrichtung kann zusätzlich mindestens einen Außenleiter bzw. geerdeten Außenleiter enthalten, der konfiguriert ist, um eine elektrische Verbindung zwischen der Anode und der Kathode zu ermöglichen. In einer einfachen Verwirklichung kann der mindestens eine Außenleiter ein Einleiter bzw. ein einzelner Leiter sein, wie z.B. ein Kabel, das an einem Ende der Anode und an dem anderen Ende der Kathode verbunden ist. In anderen Verwirklichungen kann der mindestens eine Außenleiter eine Mehrzahl von Leitern enthalten, welche die Anode und die Kathode in eine elektrische Verbindung mit einer Stromversorgungsvorrichtung bringen, welche konfiguriert ist, um ein elektrisches Potential auf die elektrochemischen Vorrichtung während eines Ladungsprozesses anzulegen, mit anderen elektrischen Vorrichtungen, die angeordnet sind, um Strom von der elektrochemischen Vorrichtung zu empfangen, oder beides.
  • Die 1 bis 3 zeigen zyklische Voltammogramme von elektrochemischen Vorrichtungen, die bis auf den Elektrolyten identisch sind. 1 zeigt Daten für eine elektrochemische Vorrichtung, ähnlich zu jener der vorliegenden Offenbarung mit Ausnahme, dass der Elektrolyt 0,35 molal Mg(CB11H12)2 in Tetraglym ist. Die 2 und 3 zeigen zyklische Voltammogramme gleichwertiger elektrochemischer Vorrichtungen, wobei jedoch der Elektrolyt jeweils 0,50 molal Mg(CB11H12)2 in 1:1 DME:Diglym beziehungsweise 0,54 molal Mg(CB11H12)2 in 1:1 THF:Diglyme ist. Die Ergebnisse zeigen, dass die elektrochemischen Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung (2 bis 3) eine ungefähr 5 bis 10 mal höhere maximale Stromdichte aufweisen, als die der elektrochemischen Vorrichtung ohne ein Etherlösungsmittelgemisch (1). Dieses Ergebnis stimmt mit dem oben diskutierten Ergebnis überein, dass die Elektrolyten der vorliegenden Offenbarung eine überlegene Ionenleitfähigkeit im Vergleich zu früheren Elektrolyten haben.
  • Außerdem wird hier ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Vorrichtung bereitgestellt. Das Verfahren enthält einen Schritt, des in Kontakt Bringens einer Anode und einer Kathode mit einem Lösungsmittelgemisch-Carboranylelektrolyt mit einem Carboranylmagnesiumsalz, einem ersten Etherlösungsmittel, und einem zweiten Etherlösungsmittel. Die Anode, die Kathode und der Lösungsmittelgemisch-Carboranylelektrolyt sind alle wie vorstehend mit Bezug auf die offenbarte elektrochemische Vorrichtung beschrieben. Das Verfahren kann einen zusätzlichen Schritt enthalten, bei dem die Anode und die Kathode in elektrische Verbindung miteinander über mindestens einen Außenleiter gebracht werden. Der mindestens eine Außenleiter ist, falls vorhanden, ebenso wie oben beschrieben mit Bezug auf die elektrochemische Vorrichtung.
  • Verschiedene Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden weiter hinsichtlich den folgenden Beispielen dargestellt. Es versteht sich, dass diese Beispiele zur Darstellung spezifischer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt werden und sollen nicht als Beschränkung des Geltungsbereichs der vorliegenden Offenbarung hinsichtlich eines besonderen Aspekts ausgelegt werden.
  • Beispiel 1. Herstellung der elektrochemischen Vorrichtungen und deren Untersuchung
  • Die elektrochemische Untersuchung wird in einer Dreielektrodenröhre bzw. Triode BASi 4 Dram Mantelgefäß, die sich in einem MBraun Handschuhkasten (glove box) befindet, bei 25 °C bei weniger als 0,1 ppm O2- und H2O-Gehalt durchgeführt. Die Elektroden, die in allen Experimenten verwendet wurden, sind wie nachfolgend beschrieben: Arbeitselektrode - 0,02 cm2 Platinscheibe (BASi); Gegenelektrode - Magnesiumband; Referenzelektrode - Magnesiumdraht. Die Arbeitselektrode wird vor jedem Experiment poliert, im Ultraschallbad behandelt, und in einem trockenen Vakuumofen bei 80 °C aufbewahrt. Die Oberflächen aller Magnesiumelektroden werden gründlich mit einer Glasplatte bzw. Objektträger im Handschuhkasten vor dem Gebrauch abgerieben, um mögliche Oxide zu entfernen.
  • Die elektrochemische Untersuchung wird unter Verwendung eines BioLogic Potentiostaten ausgeführt, und die Daten werden mit EC-lab Software® erhalten und analysiert.
  • Während einzelne Ausführungsformen beschrieben wurden, können den Anwendern oder anderen Fachleuten Alternativen, Modifizierungen, Variationen, Verbesserungen, und wesentliche Äquivalente kommen, welche unvorhersehbar sind oder derzeitig scheinen. Dementsprechend sollen die angefügten Ansprüche, wie sie eingereicht und wie sie abgeändert werden können, alle diese Alternativen, Modifizierungen, Varianten, Verbesserungen, und wesentliche Äquivalente erfassen.
  • 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
    • US 62/427070 [0001]

Claims (14)

  1. Elektrochemische Vorrichtung, mit: einer Anode, die Magnesium enthält; einer Kathode; und einem Elektrolyten, der in Kontakt mit der Anode und der Kathode ist, wobei der Elektrolyt enthält: ein Carboranylmagnesiumsalz; und ein Etherlösungsmittelgemisch, in dem das Carboranylmagnesiumsalz gelöst ist, wobei das Etherlösungsmittelgemisch enthält: ein erstes Etherlösungsmittel; und ein zweites Etherlösungsmittel, welches sich vom ersten Etherlösungsmittel unterscheidet.
  2. Die elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Carboranylmagnesiumsalz in einer Konzentration von mindestens 0,1 molal vorhanden ist.
  3. Die elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Carboranylmagnesiumsalz in einer Konzentration von mindestens 0,25 molal vorhanden ist.
  4. Die elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt eine Ionenleitfähigkeit größer als 1 mS/cm aufweist.
  5. Die elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt eine Ionenleitfähigkeit größer als 3 mS/cm aufweist.
  6. Die elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Etherlösungsmittelgemisch eine Viskosität von weniger als 2 cP bei Standardbedingungen bei Atmosphärendruck und 25 °C aufweist.
  7. Die elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Carboranylmagnesiumsalz eine Formel aufweist, welche ausgewählt ist aus der Gruppe, welche besteht aus: Mg(CBiH[(i+1)-j-k]XjRk)2, Mg(C2B(i-1)H(i-j-k)XjRk)2, Mg(CBiH[(i+1)-j-k]XjRk)X, Mg(C2B(i-1)H(i-j-k)XjRk)X, oder einer Kombination von mindestens zwei der vorstehenden, wobei i eine ganze Zahl innerhalb eines Bereichs von 5 bis einschließlich 11 ist; j eine ganze Zahl innerhalb eines Bereichs von 0 bis einschließlich i ist; k eine ganze Zahl zwischen 0 und einschließlich i ist; jedes X, unabhängig von jedem anderem X, Fluor, Chlor, Brom oder Iod ist; und jedes R, unabhängig von jedem anderen R, ein Alkyl, Aryl, Alkoxy, Aryloxy, ihre teilweisen oder vollständig fluorierten Analoga ist, oder eine Komponente , welche die obengenannten Funktionalitäten kombiniert.
  8. Die elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anion des Carboranylmagnesiumsalzes ein ikosaedrisches closo-Carboranylanion ist.
  9. Die elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt bei einem elektrischen Potential von mindestens 3,0 V stabil ist.
  10. Die elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode ein organisches Kathodenmaterial enthält.
  11. Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Vorrichtung, mit: Kontaktieren einer Anode und einer Kathode mit einem Elektrolyt aufweisend: ein Carboranylmagnesiumsalz; und ein Etherlösungsmittelgemisch, in dem das Carboranylmagnesiumsalz gelöst ist, wobei das Etherlösungsmittelgemisch enthält: ein erstes Etherlösungsmittel; und ein zweites Etherlösungsmittel, das sich vom ersten Etherlösungsmittel unterscheidet.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Carboranylmagnesiumsalz eine Formel aus der folgenden Gruppe aufweist: Mg(CBiH[(i+1)-j-k]XjRk)2, Mg(C2B(i-1)H(i-j-k)XjRk)2, Mg(CBiH[(i+1)-j-k]XjRk)X, Mg(C2B(i-1)H(i-j-k)XjRk)X, oder einer Kombination von mindestens zwei der vorstehenden, wobei i eine ganze Zahl innerhalb des Bereichs von 5 bis einschließlich 11 ist; j eine ganze Zahl innerhalb eines Bereichs von 0 und einschließlich i ist; k eine ganze Zahl zwischen 0 und einschließlich i ist; jedes X unabhängig von jedem anderen X, Fluor, Chlor, Brom, oder Iod ist; und wobei jedes R, unabhängig von jedem anderen R ein Alkyl, Aryl, Alkoxy, Aryloxy, ihre teilweisen oder vollständig fluorierten Analoga ist, oder eine Komponente, welche die obengenannten Funktionalitäten kombiniert.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Carboranylmagnesiumsalz ein ikosaedrisches closo-Carboranylanion enthält.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt bei einem elektrischen Potential von mindestens 3,0 V stabil ist.
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