DE102020101890B4 - Bismut-Ionen-Akkumulator und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bismut-Ionen-Akkumulator (1). Dabei ist vorgesehen, dass der Bismut-Ionen-Akkumulator (1) einen Elektrolyten (5) aufweist, der Bi(OSO2CF3)3enthält.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Bismut-Ionen-Akkumulator. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Bismut-Ionen-Akkumulators.
• Metall-Ionen-Akkumulatoren sind wiederaufladbare Batterien, die auf dem Einsatz von Metallionen in einer oder mehreren Phasen einer elektrochemischen Zelle basieren. Das bekannteste Beispiel eines Metall-Ionen-Akkumulators ist der Lithium-Ionen-Akkumulator. Ein Lithium-Ionen-Akkumulator weist eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und einen Elektrolyten auf, der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Typischerweise weist der Lithium-Ionen-Akkumulator ferner einen Separator auf, der einen direkten Kontakt zwischen der ersten und zweiten Elektrode verhindert. Beim Laden und Entladen des Akkumulators wandern Lithiumionen von einer der beiden Elektroden zur anderen. Die Lithiumionen sind deshalb die Ladungsträger des Lithium-Ionen-Akkumulators.
• Ein anderes Beispiel von Metall-Ionen-Akkumulatoren sind Aluminium-Ionen-Akkumulatoren. Diese Akkumulatoren weisen Aluminiumionen als Ladungsträger auf. Im Vergleich zu den einwertigen Lithiumkationen sind die Aluminiumkationen dreiwertig, d. h. ein Lithiumatom weist nur ein Valenzelektron auf, während das Aluminiumkation drei Valenzelektronen aufweist. Aluminium-Ionen-Akkumulatoren ermöglichen somit Multielektronen-Reaktionen.
• Allerdings haben die bisher bekannten Aluminium-Ionen-Akkumulatoren eine geringe spezifische Kapazität von 60 bis 100 mAh/g (Lin et al., An ultrafast rechargeable aluminiumion battery, Nature 2015, 520, 324-328; Wang et al., Advanced rechargeable aluminium ion battery with a high-quality natural graphite cathode, Nat. Commun. 2017, 8, 14283). Die Aluminium-Ionen-Akkumulatoren erfordern außerdem die Verwendung spezieller flüssiger ionischer Elektrolyten, um den Transport der Ladungsträger zu ermöglichen. Diese Elektrolyten sind nicht nur giftig, sondern auch teuer, was die praktische Verwendung von Aluminium-Ionen-Akkumulatoren wesentlich einschränkt.
• Es sind Versuche unternommen worden, um die spezifische Kapazität von Aluminium-Ionen-Akkumulatoren zu erhöhen. Dabei sollten neue Kathodenmaterialien entwickelt werden. Beispielsweise sollten für die Kathode neue Metalloxide oder organische Moleküle auf Chinin-Basis eingesetzt werden (Koketsu et al., Reversible magnesium and aluminium ions Insertion in cation-deficient anatase TiO2, Nat. Mater. 2017, 16, 1142-1148; Kim et al., Rechargeable aluminium organic batteries, Nature Energy 2019, 4, 51-59). Außerdem wurde versucht, Graphitkatoden für die Einlagerung von AlCl₄ -Ionen zu modifizieren (Lin et al, a. a. O.; Wang et al, a. a. O.). Ferner gab es Versuche, Elektrolyte auf Harnstoffbasis einzusetzen, um die Kosten der flüssigen ionischen Elektrolyten zu reduzieren (Angell et al, High coulombic efficiency aluminum-ion battery using an AlCl3-urea ionic liquid analog electrolyte, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2017, 114, 834-839).
• Trotz dieser Entwicklungen sind die spezifischen Kapazitäten von AluminiumIonen-Akkumulatoren noch immer geringer als 160 mAh/g. Das Aluminium-Stripping/Plating-Potential beträgt nur -1,66 V gegen Normal-Wasserstoffelektrode (SHE), was auf die Verwendung flüssiger organischer oder flüssiger ionischer Elektrolyten zurückzuführen ist. Damit sind allerdings auch schwerwiegende Sicherheits- und Umweltverschmutzungsprobleme verbunden. Unter Strippping wird dabei das Ablösen oder die Extraktion von Aluminiumionen von einer Elektrode des Akkumulators, unter Plating die Ablagerung oder die Einlagerung von Aluminiumionen auf einer Elektrode des Akkumulators verstanden. Die ionische Leitfähigkeit von Elektrolyten auf Harnstoff-Basis ist äußerst gering, was eine schlechte Entladungsrate zur Folge hat.
• Es besteht daher noch immer Bedarf an Einrichtungen zur Speicherung elektrochemischer Energie, die für elektrische Fahrzeuge und mobile elektronische Geräte geeignet sind, ein geringes Volumen aufweisen und Multielektronen-Reaktionen ermöglichen.
• Es sind ferner Bismut-Ionen-Akkumulatoren bekannt (XiongT., et al., Bismuth ion battery - A new member in trivalent battery technology, Energy Storage Materials 2020, 25, 100-104, DOI: 10.1016/j.ensm.2019.10.026) die allerdings ein organisches Lösungsmittel, nämlich Dimethylformamid, für das Leitsalz benötigen. Dimethylformamid ist eine fortpflanzungsgefährdende und leberschädigende Verbindung.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Bismut-Ionen-Akkumulator angegeben werden, der eine hohe Kapazität besitzt und dennoch umweltfreundlich ist. Außerdem sollen seine Herstellung und sein Gebrauch mit geringen Kosten verbunden sein.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
• Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Bismut-Ionen-Akkumulator vorgesehen, der einen Elektrolyten aufweist, der Bi(OSO₂CF₃)₃ enthält.
• Der erfindungsgemäße Bismut-Ionen-Akkumulator wird im Folgenden auch als erfindungsgemäßer Akkumulator bezeichnet. Der Akkumulator weist als Ladungsträger Bismut-Kationen auf. Bei den Bismut-Kationen handelt es sich um Bi³⁺-Ionen. Die Ladungsträger können mobile Ladungsträger sein, die sich in einem Elektrolyten zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode bewegen können, wenn der erfindungsgemäße Akkumulator geladen oder entladen wird.
• Bi(OSO₂CF₃)₃ liegt vorzugsweise als wässerige Lösung vor. Der erfindungsgemäße Akkumulator weist in diesem Fall einen Elektrolyten auf, der eine wässerige Lösung von Bi(OSO₂CF₃)₃ ist. Die Erfindung stellt somit einen Bismut-Ionen-Akkumulator bereit, der als Elektrolyten eine wässerige Lösung von Bi(OSO₂CF₃)₃ aufweist. Er kann daher als wässeriger Bismut-Ionen-Akkumulator bezeichnet werden.
• Der erfindungsgemäße Akkumulator kann eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und den Elektrolyten aufweisen. Er kann ferner einen Separator aufweisen, der einen direkten Kontakt zwischen den Elektroden verhindert. Die erste und die zweite Elektrode können jeweils über einen Stromleiter mit einem Verbraucher zum Entladen oder einer Energiequelle zum Laden verbunden sein. Der erfindungsgemäße Akkumulator kann ein Gehäuse aufweisen, in dem die erste und die zweite Elektrode und der Elektrolyt sowie, falls vorgesehen, der Separator und, falls vorgesehen, die Stromleiter angeordnet sind.
• Bi(OSO₂CF₃)₃ kann als Leitsalz dienen. Bi(OSO₂CF₃)₃ enthält Bismut-Kationen (Bi³⁺-Ionen). Bi(OSO₂CF₃)₃ stellt somit die Bismut-Kationen, die als Ladungsträger dienen, bereit.
• Eine wässerige Lösung von Bi(OSO₂CF₃)₃ ist als Elektrolyt bevorzugt, weil er eine hohe ionische Leitfähigkeit aufweist. Seine ionische Leitfähigkeit ist etwa zweibis dreimal höher als die ionischer Flüssigkeiten und als die von Elektrolyten auf Harnstoffbasis. Damit sind hohe Entladungsraten und demzufolge eine schnelle Ladung des erfindungsgemäßen Akkumulators möglich. Eine wässerige Lösung eines Leitsalzes ist vorteilhaft gegenüber einer Lösung in einem organischen Lösungsmittel wie beispielsweise Dimethylformamid (DMF), und zwar insbesondere aus gesundheitlichen und umweltbezogenen Gründen. Dimetylformamid ist beispielsweise als fortpflanzungsgefährdende Substanz bekannt.
• Der Akkumulator kann eine erste Elektrode aufweisen, die elementares Bismut umfasst. Die erste Elektrode kann aus metallischem Bismut bestehen. Die erste Elektrode ist die negative Elektrode des erfindungsgemäßen Akkumulators. Sie bildet bei der Entladung des Akkumulators dessen Anode. Im Folgenden wird die erste Elektrode auch im Zusammenhang mit dem Laden des Akkumulators als Anode bezeichnet.
• Der Akkumulator kann eine zweite Elektrode aufweisen, die die reversible Insertion und Extraktion von Bismut-Kationen (Bi³⁺-Ionen) ermöglicht. Die Insertion kann auch als Interkalation bezeichnet werden, die Extraktion als Deinterkalation. Die zweite Elektrode kann alternativ zur reversiblen Insertion und Extraktion die Konversion von Bismut-Kationen (Bi³⁺-Ionen) mittels Konversionsreaktion ermöglichen. Die zweite Elektrode ist die positive Elektrode des erfindungsgemäßen Akkumulators. Sie bildet bei der Entladung des Akkumulators dessen Kathode. Im Folgenden wird die zweite Elektrode auch im Zusammenhang mit dem Laden des Akkumulators als Kathode bezeichnet.
• Die zweite Elektrode kann ein Aktivmaterial aufweisen, das eine reversible Insertion und Extraktion oder alternativ eine Konversionsreaktion ermöglicht. Ein Aktivmaterial, das die reversible Insertion und Extraktion ermöglicht, wird als Interkalationsmaterial bezeichnet. Ein Aktivmaterial, das eine Konversionsreaktion ermöglicht, wird als Konversionsmaterial bezeichnet. Das Aktivmaterial kann beispielsweise aus der Gruppe ausgewählt sein, die Polythiophen/I₂, VOPO₄, VS₂ und aktivierten Kohlenstoff umfasst. VOPO₄ und VS₂ sind Beispiele für Interkalationsmaterialien für die Einlagerung von Bismut-Kationen. Polythiophen/I₂ ist ein Beispiel eines Konversionsmaterials für die Einlagerung von Bismut-Kationen. Eine Elektrode, die aktivierten Kohlenstoff als Aktivmaterial aufweist, lagert Bismut-Kationen auf der Basis physikalisch elektrostatischer Adsorptions-/Desorptions-Prozesse ein, d. h. sie kann eine Elektrode mit der Kapazität einer elektrischen Doppelschicht („electric-double-layer capacitive electrode“) sein. Das Aktivmaterial kann in Form von Nanosheets oder als geschichtetes Material vorliegen. Nanosheets sind zweidimensionale Strukturen. VOPO₄ liegt vorzugsweise in Form von Nanosheets vor. VS₂ liegt vorzugsweise als geschichtetes Material vor. Polythiophen/I₂ ist ein Phasen-Transfer-Komplex, bei dem Polythiophen mit I₂ dotiert ist. Die Redoxreaktion basiert dabei auf der Gleichung 3 I₂ + 2 Bi³⁺ + 6e^- = 2 BiI₃). Reines I₂ ist ein Isolator, der nicht direkt als Elektrode für eine Batterie genutzt werden kann. Ein mit I₂ dotiertes konjugiertes Polymer wie Polythiophen kann jedoch ein Leiter wie ein Metall sein. Aus diesem Grund kann Polythiophen/I₂ als Elektrodenmaterial verwendet werden. Es können auch andere Aktivmaterialien verwendet werden. Insbesondere können auch andere geschichtete Materialien oder Nanosheets verwendet werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Akkumulator auf:
• - eine erste Elektrode, die metallisches Bismut umfasst oder aus metallischem Bismut besteht;
• - eine zweite Elektrode, die die reversible Insertion und Extraktion von Bismut-Kationen oder eine Konversionsreaktion mit Bismut-Kationen ermöglicht; und
• - einen Elektrolyten, der eine wässerige Lösung von Bi(OSO₂CF₃)₃ ist.
• Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Akkumulators weist eine hohe spezifische Kapazität auf. Die spezifische Kapazität der erfindungsgemäßen Akkumulatoren kann beispielsweise in einem Bereich von 80 bis 300 mA/h liegen. Der erfindungsgemäße Akkumulator kann eine Arbeitsspannung von 0 bis 1 V aufweisen. Er kann eine hohe Zahl von Lade-/Entladenzyklen ermöglichen. Beispielsweise kann er 50 Lade-/Entladenzyklen ermöglichen. Die Betriebstemperatur des erfindungsgemäßen Akkumulators kann zwischen 1 und 50 °C liegen. Sie kann beispielsweise bei Raumtemperatur liegen.
• Der erfindungsgemäße Akkumulator kann einen Separator aufweisen. Der Separator sollte für Bismut-Kationen durchlässig sein. Der Separator kann beispielsweise aus einem Material wie Glasfasern, Filterpapier oder einer Kombination davon bestehen.
• Der erfindungsgemäße Akkumulator zeichnet sich durch eine hohe Kapazität, geringe Kosten und umweltfreundliche Eigenschaften aus. Der erfindungsgemäße Akkumulator beruht auf dem Einsatz von Bismut-Kationen als Ladungsträger während des Lade- und Entladevorgangs. Er ermöglicht das reversible Ablagern und Ablösen von Bismut-Kationen in einer wässerigen Lösung, die Bismut-Kationen enthält.
• Der erfindungsgemäße Akkumulator ist ein Bismut-Ionen-Akkumulator. Der erfindungsgemäße Akkumulator besitzt höhere Kapazitäten als die aus dem Stand der Technik bekannten Aluminium-Ionen-Akkumulatoren. Er ist außerdem billiger als ein Aluminium-Ionen-Akkumulator. Der erfindungsgemäße Akkumulator ist sicher, weil die Verwendung brennbarer organischer Elektrolyten nicht erforderlich ist.
• Der erfindungsgemäße Akkumulator kann an der Luft hergestellt werden. Er kann bei Raumtemperatur hergestellt werden. Damit kann der erfindungsgemäße Akkumulator in kostengünstiger und umweltschonender Weise hergestellt werden.
• Nach Maßgabe der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Akkumulators vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte:
1. (a) Bereitstellen einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und eines Elektrolyten, der Bi(OSO₂CF₃)₃ enthält; und
2. (b) Anordnen des Elektrolyten zwischen der ersten und der zweiten Elektrode unter Erhalt des Akkumulators.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann an der Luft durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei Umgebungstemperatur durchgeführt werden. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Temperatur von 10 bis 40 °C durchgeführt, wobei Raumtemperatur bevorzugt ist. Unter Raumtemperatur wird eine Temperatur in einem Bereich von 20 bis 25 °C verstanden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner das Bereitstellen eines Separators und das Anordnen des Separators zwischen der ersten und der zweiten Elektrode umfassen. Dabei kann der Separator in den Elektrolyten eingebracht werden. Es kann alternativ vorgesehen sein, dass der Separator zwischen den beiden Elektroden angeordnet wird und anschließend der Elektrolyt in die Zwischenräume, die zwischen den beiden Elektroden und dem Separator ausgebildet sind, eingebracht wird.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die die Erfindung nicht einschränken sollen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
• 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Akkumulators, wobei das Laden des Akkumulators veranschaulicht wird;
• 2 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Akkumulators, wobei das Entladen des Akkumulators veranschaulicht wird:
• 3 zyklische Voltammogramme einer beispielhaften Bi//VOPO₄-Zelle und
• 4 ein Digramm, das Lade- und Entladekurven der beispielhaften Bi//VOPO₄-Zelle zeigt.
• Die in den 1 und 2 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Akkumulators 1 weist eine erste Elektrode 2 und eine zweite Elektrode 3 auf, die von einander beanstandet sind. Zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 ist ein Separator 4 angeordnet, der sowohl von der ersten Elektrode 2 als auch von der zweiten Elektrode 3 beabstandet ist. In dem Zwischenraum zwischen der ersten Elektrode 2 und dem Separator 4 und in dem Zwischenraum zwischen der zweiten Elektrode 3 und dem Separator 4 befindet sich ein Elektrolyt 5, der eine wässerige Lösung von Bi(OSO₂CF₃)₃ ist.
• Die erste Elektrode 2 ist über einen ersten Stromleiter 6, der sich gabelt, mit einer Ladungsquelle 8 und einem elektrischen Verbraucher 9 verbunden. Die zweite Elektrode 3 ist über einen zweiten Stromleiter 7 mit einer Ladungsquelle 8 verbunden. Dazu ist ein Schalter 12 vorgesehen, der eine Umschaltung zwischen der Ladungsquelle 8 und einem elektrischen Verbraucher 9, beispielsweise einer Glühlampe, ermöglicht. In 1 stellt der Schalter 12 eine elektrische Verbindung zwischen der Ladungsquelle 8 und dem zweiten Stromleiter 7 her. In 2 stellt der Schalter 12 eine elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Verbraucher 9 und dem zweiten Stromleiter 7 her.
• Die erste Elektrode 2 ist eine negative Elektrode. Die erste Elektrode 2 ist eine Elektrode aus metallischem Bismut. Die zweite Elektrode 3 ist eine positive Elektrode. Die zweite Elektrode 3 weist ein Aktivmaterial 10 auf. Dabei handelt es sich in diesem Beispiel um einer Interkalationsmaterial, in das Bismut-Kationen eingelagert und aus dem Bismut-Kationen extrahiert werden können. In dem Elektrolyten 5 befinden sich Bismut-Kationen 11 als mobile Ladungsträger.
• In 1 ist das Laden des Akkumulators 1 veranschaulicht. Dabei wandern Bismut-Kationen 11 (Pfeil A) von der zweiten Elektrode 3 zu der ersten Elektrode 2. Elektronen e^- (Pfeil B) strömen von der Ladungsquelle 8 zu der ersten Elektrode 2 und von der der zweiten Elektrode 3 zu der Ladungsquelle 8. An der ersten Elektrode 2 findet bei der Ladung des Akkumulators eine Reduktion statt, d. h. Bismut-Kationen 11 werden zu metallischem Bismut reduziert, wie in Gleichung (1) gezeigt ist: $${\text{Bi}}^{3+}+3{\text{e}}^{-}\to \text{Bi}$$

  

  An der zweiten Elektrode findet hingegen eine Oxidation statt, d. h. die in dem Aktivmaterial 10 eingelagerten Bismut-Kationen 11 werden aus dem Aktivmaterial 10 unter Freigabe von Elektronen extrahiert, wie in Gleichung (2) gezeigt ist: $$\text{BiAM}\to {\text{Bi}}^{3+}+3{\text{e}}^{-}+\text{AM}$$

  

  AM bezeichnet dabei das Aktivmaterial.
• In 2 ist das Entladen des Akkumulators 1 veranschaulicht. Dabei wandern Bismut-Kationen 11 (Pfeil C) von der ersten Elektrode 2 zu der zweiten Elektrode 3. Elektronen e^- (Pfeil D) strömen von der ersten Elektrode 2 zum elektrischen Verbraucher 9 und vom elektrischen Verbraucher 9 zu der zweiten Elektrode 3. An der ersten Elektrode 2 findet bei der Ladung des Akkumulators 1 eine Oxidation statt, d. h. metallisches Bismut wird zu Barium-Kationen 11 oxidiert, wie in Gleichung (3) gezeigt ist: $$\text{Bi}\to {\text{Bi}}^{3+}+3{\text{e}}^{-}$$

  

  An der zweiten Elektrode 3 findet hingegen eine Reduktion statt, d. h. Bismut-Kationen werden in das Aktivmaterial 10 unter Bindung von Elektronen eingelagert, wie in Gleichung (4) gezeigt ist: $${\text{Bi}}^{3+}+3{\text{e}}^{-}+\text{AM}\to \text{BiAM}$$

  

  Der dabei fließende Strom wird in 2 durch die brennende Glühlampe veranschaulicht.
• Die Energie, die dem Akkumulator 1 beim Laden mittels der Ladungsquelle 8 zugeführt wird, wird in dem Akkumulator 1 gespeichert. Die gespeicherte Energie wird beim Entladen des Akkumulators 1 zur Stromversorgung des Verbrauchers 9 eingesetzt. Der erfindungsgemäße Akkumulator kann mehrfach auf- und entladen werden.
• Beispiel 1
• Es wurde eine Zelle hergestellt, die zwei Elektroden, nämlich eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, sowie eine wässerige Lösung von Bi(OSO₂CF₃)₃ als Elektrolyten aufwies. Die Zelle ist ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Akkumulators. Sie wird im Folgenden als Bi//VOPO₄-Zelle bezeichnet.
• Als erste Elektrode wurde eine Elektrode aus metallischem Bismut eingesetzt. Die erste Elektrode diente als Gegen- und Referenzelektrode.
• Die zweite Elektrode wurde hergestellt durch gründliches Vermischen von VOPO₄, Acetylenschwarz und Polytetrafluorethylen (PTFE) in einem Gewichtsverhältnis von 8 : 1 : 1 unter Erhalt eines Gemisches. Die zweite Elektrode enthält als Aktivmaterial VOPO₄. Das Gemisch wurde zu einem Film gepresst und dann bei 100 °C über Nacht getrocknet. Nach dem Trocknen wurde der Film in Scheiben („disks“) geschnitten, die ein Gewicht von jeweils 2 mg aufwiesen. Diese Scheiben wurden auf einen Stromleiter, beispielsweise ein Ni-Grid oder Kohlenpapier, gepresst, wodurch die zweite Elektrode erhalten wurde.
• An der Bi//VOPO₄-Zelle wurden Untersuchungen durchgeführt, um deren Eigenschaften zu bestimmen. Die Zelle wurde mittels zyklischer Voltammetrie getestet, elektrochemische Impedanzen bestimmt und galvanostatische Lade- und Entladeversuche durchgeführt. Dabei betrug der Spannungsbereich 0,1 bis1,2 V.
• In 3 sind zyklische Voltammogramme der Bi//VOPO₄-Zelle gezeigt. Bei 0,5 mV/s wurden zwei Paare von Redox-Peaks erhalten. Die kathodischen Peaks bei 0,72 und 0,54 V weisen auf einen zweistufige Interkalationsprozess, mit dem Bismut-Kationen in die geschichtete Struktur von VOPO₄ unter Erhalt von Bi_xVOPO₄ interkaliert werden hin. Die anodischen Peaks bei 0,76 und 0,91 V entsprechen der Deinterkalation von Bismut-Kationen aus Bi_xVOPO₄. Es ist in 3 zu erkennen, dass die Peakttrennung von 0,5 über 0,8, 1, 2 und 3 mV/s zunimmt und die zwei Paare von Peaks mit der Zunahme der Scann-Geschwindigkeit undeutlich werden, und zwar aufgrund der Überpotentiale, die durch die langsame Interkalation/Deinterkalation-Redoxreaktionen verursacht werden.
• Die Bi//VOPO₄-Zelle weist eine spezifische Kapazität von 180 mAh/g auf ( 4). Die anfängliche Coulomb-Effizienz ist gering (nur 72 %).
• Dieses Projekt wurde aus Mitteln des Forschungs- und Innovationsprogramms „Horizont 2020“ der Europäischen Union im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Graphene FPA 649953 finanziert.
• Bezugszeichenliste

1

Akkumulator

2

erste Elektrode

3

zweite Elektrode

4

Separator

5

Elektrolyt

6

erster Stromleiter

7

zweiter Stromleiter

8

Ladungsquelle

9

Verbraucher

10

Aktivmaterial

11

Bismut-Kation

12

Schalter

Claims (11)

1. Bismut-Ionen-Akkumulator, aufweisend einen Elektrolyten (5), der Bi(OSO₂CF₃)₃ enthält.
2. Bismut-Ionen-Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (5) eine wässerige Lösung von Bi(OSO₂CF₃)₃ ist.
3. Bismut-Ionen-Akkumulator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine erste Elektrode (2) aufweist, wobei die erste Elektrode (2) metallisches Bismut enthält oder aus metallischem Bismut besteht.
4. Bismut-Ionen-Akkumulator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine zweite Elektrode (3) mit einem Aktivmaterial (10) aufweist, wobei das Aktivmaterial (10) ein Interkalationsmaterial oder ein Konversionsmaterial ist.
5. Bismut-Ionen-Akkumulator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine zweite Elektrode (3) mit einem Aktivmaterial (10) aufweist, wobei das Aktivmaterial (10) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polythiophen/I₂, VOPO₄ und aktiviertem Kohlenstoff besteht.
6. Bismut-Ionen-Akkumulator, nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivmaterial in Form von Nanosheets oder als geschichtetes Material vorliegt.
7. Bismut-Ionen-Akkumulator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er aufweist - eine erste Elektrode (2), die metallisches Bismut umfasst oder aus metallischem Bismut besteht; - eine zweite Elektrode (3), die die reversible Insertion und Extraktion von Bismut-Kationen oder eine Konversionsreaktion mit Bismut-Kationen ermöglicht; und - einen Elektrolyten (5), der eine wässerige Lösung von Bi(OSO₂CF₃)₃ ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Bismut-Ionen-Akkumulators gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen einer ersten Elektrode (2), einer zweiten Elektrode (3) und eines Elektrolyten (5), wobei der Elektrolyt (5) Bi(OSO₂CF₃)₃ enthält; und (b) Anordnen des Elektrolyten (5) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (2, 3) unter Erhalt des Bismut-Ionen-Akkumulators (1).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es bei Umgebungstemperatur durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es an der Luft durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner das Bereitstellen eines Separators (4) und das Anordnen des Separators (4) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (2, 3) umfasst.

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