DE102022110199A1 - Anode material for an alkaline ion battery - Google Patents

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Herstellungsverfahren für eine Anode einer Alkali-Ionenbatterie, umfassend: - Bereitstellen eines bevorzugt molekular dispergierten Fullerens Cx, wobei x eine Zahl zwischen 20 und 100 ist und das Fulleren Cx gelöst ist in einem Lösungsmittel oder als ein Molekularstrahl vorliegt, der verdampfte Fulleren-Moleküle umfasst; - Bereitstellen eines elektrisch leitfähigen Substrates; und - Beschichten zumindest einer Oberfläche des elektrisch leitfähigen Substrates mit dem molekular dispergierten Fulleren Cx. Weiter wird ein Batterieanodenmaterial umfassend ein Fulleren Cxvorgeschlagen, das konfiguriert ist, zumindest eines der Kationen Na+, Li+, K+und Cs+reversibel zu binden.What is proposed is a manufacturing process for an anode of an alkali ion battery, comprising: - Providing a preferably molecularly dispersed fullerene Cx, where x is a number between 20 and 100 and the fullerene Cx is dissolved in a solvent or is present as a molecular jet containing vaporized fullerene -molecules includes; - Providing an electrically conductive substrate; and - coating at least one surface of the electrically conductive substrate with the molecularly dispersed fullerene Cx. Further proposed is a battery anode material comprising a fullerene Cx configured to reversibly bind at least one of the cations Na+, Li+, K+ and Cs+.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Batterietechnik und betrifft ein kohlenstoffbasiertes Elektrodenmaterial und ein Herstellungsverfahren dafür.The invention lies in the field of battery technology and relates to a carbon-based electrode material and a manufacturing process therefor.

Vorbekannter Stand der TechnikPreviously known state of the art

Kohlenstoffschichten des Graphit ermöglichen die Interkalation verschiedener Ionen. Aus diesem Grund wird Graphit als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Für die im Vergleich zu Lithium größeren Ionen des Natrium bietet die Graphitstruktur jedoch nicht genug Platz. Daher konzentrieren sich viele Forschungsaktivitäten auf Werkstoffe mit zu Graphit vergleichbaren Eigenschaften, allerdings mit der Fähigkeit, auch Na Ionen interkalieren zu können. Derzeit wird intensiv an Anodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien geforscht, z.B. Hard-Carbon-Anoden mit Mesostrukturen, in die Na+ eingelagert werden kann.Carbon layers of graphite enable the intercalation of various ions. For this reason, graphite is used as an anode material for lithium-ion batteries. However, the graphite structure does not provide enough space for the sodium ions, which are larger than lithium. Therefore, many research activities focus on materials with properties comparable to graphite, but with the ability to also intercalate Na ions. There is currently intensive research into anode materials for sodium-ion batteries, e.g. hard carbon anodes with mesostructures in which Na + can be stored.

Neben zahlreichen anderen Eigenschaften eines für Lithium-Ionen-Batterien geeigneten Anodenmaterials ist wesentlich, dass Lithiumionen in das betreffende Anodenmaterial eingelagert (interkaliert) werden können, um einen Speicher für Li Ionen bereitzustellen. Graphit erfüllt diese Eigenschaften für Lithium, allerdings kann Natrium wegen des größeren Ionenradius im Vergleich zu Lithium nicht eingelagert werden.In addition to numerous other properties of an anode material suitable for lithium-ion batteries, it is essential that lithium ions can be incorporated (intercalated) into the anode material in question in order to provide storage for Li ions. Graphite fulfills these properties for lithium, but sodium cannot be stored because of the larger ionic radius compared to lithium.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Anodenmaterial bereitzustellen, dass zu Graphit vergleichbare Eigenschaften aufweist, jedoch Na Ionen interklaieren kann.It is therefore an object of the present invention to provide an anode material that has properties comparable to graphite, but can intercalate Na ions.

Erfindungsgemäße LösungSolution according to the invention

Überraschend erwies sich, dass Fullerene auf Grund ihrer Fähigkeit, mit Na+ Ionen Interkalationsverbindungen auszubilden, als Anodenmaterial für eine Natrium-Ionen-Batterie geeignet sind. Weitere Alkali Ionen können ebenso eingelagert werden, sodass das vorgeschlagene Anodenmaterial für die Verwendung in Alkali Ionenbatterien geeignet ist und somit für die kostengünstige Herstellung von Alkali Ionenbatterien, beispielsweise von Na Ionenbatterien, prädestiniert ist.Surprisingly, it turned out that fullerenes are suitable as anode material for a sodium-ion battery due to their ability to form intercalation compounds with Na + ions. Further alkali ions can also be stored, so that the proposed anode material is suitable for use in alkali ion batteries and is therefore predestined for the cost-effective production of alkali ion batteries, for example Na ion batteries.

Unter Fullerenen Cx, bzw. unter mit C60 und C70 vergleichbaren Modifikationen werden hierbei allotrope Modifikationen des Kohlenstoffs verstanden, die sich durch eine sp2/sp3 - Hybridisierung der C-Atome und eine 3 - dimensionale Ausdehnung der π - Bindungen benachbarter Kohlenstoffatome auszeichnen. Beispiele sind C32, C36, C44, C46, C48, C50, C60, C70, C76, C80, C82, C84, C86, C90 und C94. Typischerweise weisen Fullerene eine geradzahlige Anzahl C-Atome auf, die in miteinander verknüpften Fünf- und/oder Sechsecken angeordnet sind, wobei die Anzahl beispielsweise im Bereich von 20 bis durchaus 100 liegt. Fullerenes C _ _ _ Distinguish carbon atoms. Examples are C32 , C36 , C44 , C46 , C48, C50 , C60 , C70 , C76 , C80 , C82 , C84, C86 , C90 and C94 . Typically, fullerenes have an even number of carbon atoms, which are arranged in interconnected pentagons and/or hexagons, the number being in the range from 20 to quite 100, for example.

Die bezeichnete Aufgabe, einen Na-Ionenspeicher und damit ein Anodenmaterial für eine Batterie bereitzustellen, wird somit gelöst durch ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, bzw. durch das damit erhaltene Batterieanodenmaterial. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.The stated task of providing a Na ion storage and thus an anode material for a battery is thus solved by a manufacturing method according to claim 1, or by the battery anode material obtained thereby. Further embodiments, modifications and improvements will emerge from the following description and the appended claims.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

Gemäß einer Ausführungsform wird zur Herstellung des erfindungsgemäßen Anodenmaterials für eine Alkaliionenbatterie bevorzugt ein molekular dispergiertes, insbesondere ein in einem Lösungsmittel oder in einem Lösungsmittelgemisch gelöstes Fulleren Cx bereitgestellt oder das Fulleren Cx wird in Form eines Fulleren - Molekularstrahls bereitgestellt. Das Lösungsmittel kann ein organisches Lösungsmittel, z.B. Toluol, Benzol, einen Alkohol und/oder Wasser umfassen. Das damit vorliegende, typischerweise molekular dispergierte Fulleren Cx bzw. die Fulleren-Lösung oder der Fulleren-Molekularstrahl wird in einem Beschichtungsverfahren eingesetzt, in dessen Ergebnis zumindest ein Abschnitt einer Oberfläche eines elektrisch leitfähigen Substrates mit dem Fulleren Cx beschichtet wird. Das dazu bereitgestellte elektrisch leitfähige Substrat kann einen metallischen Werkstoff, eine metallische Legierung, ein elekltrisch leitfähiges Polymer oder eine elektrisch leitfähige Keramik umfassen. Geeignete elektrisch leitfähige Substrate brauchen keine zusätzlichen Funktionalitäten, wie z.B. optische Transparenz, aufzuweisen und sind somit häufig kostengünstig verfügbar.According to one embodiment, to produce the anode material according to the invention for an alkali ion battery, a molecularly dispersed fullerene C x, in particular a fullerene C x dissolved in a solvent or in a solvent mixture, is preferably provided or the fullerene C x is provided in the form of a fullerene molecular beam. The solvent may include an organic solvent such as toluene, benzene, an alcohol and/or water. The typically molecularly dispersed fullerene C The electrically conductive substrate provided for this purpose can comprise a metallic material, a metallic alloy, an electrically conductive polymer or an electrically conductive ceramic. Suitable electrically conductive substrates do not need to have any additional functionalities, such as optical transparency, and are therefore often available inexpensively.

Während des Beschichtens werden die im Wesentlichen molekular dispergierten Fullerene als dünne Schicht auf das leitfähige Substrat aufgebracht. Eine Dicke der erzeugten dünnen Fulleren-Schicht liegt im Bereich der Dicke einer monomolekularen Lage (Monolage) bis zu einer Multilage bis 100 µm Schichtdicke. 1 nm Schichtdicke entspricht etwa einer monomolekularen Lage, d.h. einer Monolage der jeweiligen Fullerene.During coating, the essentially molecularly dispersed fullerenes are applied as a thin layer to the conductive substrate. A thickness of the thin fullerene layer produced is in the range of the thickness of a monomolecular layer (monolayer) to a multilayer with a layer thickness of up to 100 μm. 1 nm layer thickness corresponds approximately to a monomolecular layer, i.e. a monolayer of the respective fullerenes.

Gemäß einer Ausführungsform beträgt ein Feststoffanteil des Fullerens Cx in einer resultierenden Lösung, also in dem Lösungsmittel: 2 - 75 Gewichts-%, bevorzugt 30 - 50 Gewichts-% und das Lösungsmittel ist ausgewählt unter: Wasser, einem organischen Lösungsmittel, einem Gemisch von Wasser mit zumindest einem organischen Lösungsmittel und einem Gemisch verschiedener organischer Lösungsmittel.According to one embodiment, a solid content of the fullerene C x in a resulting solution, i.e. in the solvent, is: 2 - 75% by weight, preferably 30 - 50% by weight and the solvent is selected from: water, an organic solvent, a mixture of Water with at least one organic Solvent and a mixture of different organic solvents.

Hierbei sind von den angegebenen Bereichen 2 bis 75 Gewichts-% und 30-50 Gewichts-% die Werte 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70 und 75 Gewichts-% umfasst. Hierbei ist der jeweilige Wert mit einer Genauigkeit von zumindest ± 1 Gewichts-% problemlos optisch bestimmbar und somit einstellbar. Daraus ergibt sich, dass der Bereich „2 bis 75 Gewichts-%“ auch 1 Gewichts-% und 76 Gewichts-% umfasst. Analog umfasst der Bereich „30 bis 50 Gewichts-%“ auch die Konzentrationen 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50 und 51 Gewichts-%. Vorteilhaft lässt sich die zum Erreichen einer gewünschten Schichtdicke jeweils erforderliche Konzentration des Fullerens Cx in dem gewählten Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch leicht einstellen und deren Einhaltung während eines Beschichtungsprozesses problemlos kontinuierlich, beispielsweise optisch, überwachen.Of the specified ranges 2 to 75% by weight and 30-50% by weight, the values are 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70 and 75% by weight. The respective value can be easily determined optically with an accuracy of at least ± 1% by weight and can therefore be adjusted. This means that the range “2 to 75% by weight” also includes 1% by weight and 76% by weight. Analogously, the range “30 to 50% by weight” also includes the concentrations 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46 , 47, 48, 49, 50 and 51% by weight. Advantageously, the concentration of fullerene C

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Beschichten mit dem gelösten Fulleren mittels eines von: Aufstreichen, Pinseln, Sprühen, Dip Coatig, und Spin Coating auf dem Substrat, z.B. auf einer Folie oder einem Blech, einem Zylinder oder einem Draht. Nach dem Aufbringen verdampft das Lösungsmittel und auf dem Substrat bleiben die Fulleren-Moleküle zurück, während das Lösungsmittel entfernt wird. Dieses Entfernen kann auch mittels kritischer Punkt Trocknung oder Sublimation durch einen direkten Feststoff-Gas Übergang des zuvor eingefrorenen, und so festen Lösungsmittels bzw. der eingefrorenen Flüssigkeit erfolgen, die das typischerweise molekular dispergierte Fulleren umfasst. Hierzu wird nach dem Austragen der Suspension eine Kühlung des Substrats vorgenommen, oder die Suspension wird alternativ auf ein bereits gekühltes Substrat aufgetragen.According to one embodiment, the coating with the dissolved fullerene is carried out by means of one of: brushing, brushing, spraying, dip coating, and spin coating on the substrate, for example on a film or a sheet, a cylinder or a wire. After application, the solvent evaporates and the fullerene molecules remain on the substrate while the solvent is removed. This removal can also be carried out by means of critical point drying or sublimation through a direct solid-gas transition of the previously frozen and thus solid solvent or the frozen liquid, which typically comprises the molecularly dispersed fullerene. For this purpose, the substrate is cooled after the suspension has been discharged, or alternatively the suspension is applied to an already cooled substrate.

Vorteilhaft ermöglichen beide Vorgehensweisen der Entfernung des Lösungsmittels die Erzeugung von Fulleren-Schichten auf dem Substrat, wobei die Entfernung des Lösungsmittels mittels kritischer Punkt-Trocknung die Erzeugung größere Schichtdicken und damit die Herstellung von Multilagen des Fullerens erlaubt.Both approaches to removing the solvent advantageously enable the production of fullerene layers on the substrate, with the removal of the solvent using critical point drying allowing the production of greater layer thicknesses and thus the production of multilayers of fullerene.

Gemäß einer Ausführungsform wird eine Temperatur des Substrats beim Beschichten in Abhängigkeit von einer Gefriertemperatur des Lösungsmittels bei einem gegebenen Umgebungsdruck einer vorliegenden Atmosphäre eingestellt. Erfindungsgemäß werden hierbei sowohl reine organische Lösungsmittel, Wasser und deren Mischungen, die neben einem organischen Lösungsmittel zusätzlich Wasser und/oder ein weiteres organisches Lösungsmittel umfassen, hier als Lösungsmittel bezeichnet. Wenn also beispielsweise eine flüssig aufgetragene Schicht der Fullerensuspension (Lösung) mittels kritischer Punkt Trocknung auf dem Substrat aufgebracht wird, so wird die Temperatur des Substrats in Abhängigkeit von der kritischen Punkt - Temperatur oder der Gefriertemperatur des Lösungsmittels beim gegebenen Umgebungsdruck der vorliegenden Atmosphäre so gewählt, dass für die Beschichtung mittels kritischer Punkt-Trocknung geeignete Bedingungen vorliegen, insbesondere, dass sich das System im korrespondierenden Phasendiagramm des Lösungsmittels oberhalb des kritischen Punktes befindet. Bevorzugt wird die Temperatur des Substrates während des Beschichtens unter Verwendung der kritischen Punkt Trocknung zunächst so eingestellt, dass sie um bis 100 K, bevorzugt um 10 bis 50 K unterhalb der Temperatur eines Tripelpunktes oder eines kritischen Punktes im jeweiligen Phasendiagramm zumindest einer Komponente der eingesetzten Flüssigkeit (Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch) liegt. Damit richtet sich die jeweils ausgewählte Temperatur des Substrats nach der kritischen Punkt Temperatur oder der Gefriertemperatur des eingesetzten Lösungsmittels bei gegebenem Umgebungsdruck der Atmosphäre. Die Phasendiagramme entsprechender Lösungsmittel und die hieraus ableitbaren Druck- und Temperatur-Werte, wie auch der Tripelpunkt, sind dem Fachmann bekannt.According to one embodiment, a temperature of the substrate during coating is adjusted depending on a freezing temperature of the solvent at a given ambient pressure of an existing atmosphere. According to the invention, both pure organic solvents, water and mixtures thereof, which, in addition to an organic solvent, also include water and/or another organic solvent, are referred to here as solvents. For example, if a liquid applied layer of the fullerene suspension (solution) is applied to the substrate by means of critical point drying, the temperature of the substrate is selected depending on the critical point temperature or the freezing temperature of the solvent at the given ambient pressure of the present atmosphere, that suitable conditions exist for coating using critical point drying, in particular that the system is located above the critical point in the corresponding phase diagram of the solvent. Preferably, the temperature of the substrate is initially adjusted during coating using critical point drying so that it is up to 100 K, preferably 10 to 50 K, below the temperature of a triple point or a critical point in the respective phase diagram of at least one component of the liquid used (solvent or solvent mixture). The selected temperature of the substrate therefore depends on the critical point temperature or the freezing temperature of the solvent used at a given ambient pressure of the atmosphere. The phase diagrams of corresponding solvents and the pressure and temperature values that can be derived from them, as well as the triple point, are known to those skilled in the art.

Fullerene können durch die meisten Alkohole und durch unpolare Lösungsmittel wie Benzol leicht gelöst werden. Die Auswahl des Lösungsmittels, auch Wasser, bestimmt sich im Fall einer beabsichtigten Kritischen-Punkt-Trocknung nach den für dessen Gefrieren notwendigen Temperaturen oder dessen kritischem Punkt. Vorteilhaft ermöglicht die oben bezeichnete Temperaturdifferenz der Temperatur des Substrates zum jeweiligen Tripelpunkt des Phasendiagramms eine verbesserte Struktur und Flächendichte der letztlich erzeugten Fulleren-Schicht.Fullerenes can be easily dissolved by most alcohols and by non-polar solvents such as benzene. In the case of intended critical point drying, the selection of the solvent, including water, is determined by the temperatures required for its freezing or its critical point. The above-mentioned temperature difference between the temperature of the substrate and the respective triple point of the phase diagram advantageously enables an improved structure and surface density of the fullerene layer ultimately produced.

Ein Beschichten des Substrats unter Verwendung eines Fulleren-Molekularstrahls umfasst ein Kondensieren des Fullerens Cx eines aus einem Fulleren-Verdampfer austretenden Fulleren-Molekularstrahls auf dem Substrat, wobei der Molekularstrahl ein reiner Strahl von Fullerenmolekülen ist, die beim Verdampfen der durch die Fullerene gebildeten Van-der-Waals Kristalle als Pulver bei ca. 150-400 °C entstehen. Hierzu wird das bei Raumtemperatur feste Fullerenpulver trocken in einen Verdampfer (Knudsen Typ, z.B.) gefüllt, dieser in eine Vakuumkammer eingesetzt, und unter Vakuumbedingungen erhitzt. Das Kondensieren erfolgt ebenfalls in dieser Vakuumumgebung. Der Verdampfer ist bis 500°C beheizbar. Seine Verwendung umfasst dessen Kombination mit einer Vakuumkammer und eine zweckmäßige Anordnung des elektrisch leitfähigen Substrats vor einer Öffnung oder einer Lochblende des Verdampfers in der Vakuumkammer. Bevorzugt ist der Verdampfer ein Knudsen Typ Verdampfer und so eingerichtet, dass er einen Fulleren-Molekularstrahl mit einer über dessen Querschnitt homogenen Intensitätsverteilung erzeugt. Zum Aufbringen der Fulleren-Schicht gemäß dieser Ausführungsform werden die jeweils ausgewählten Fullerene somit als trockenes Pulver in eine beheizbare Zelle, den Verdampfer, eingebracht und in einer Vakuumumgebung auf eine Verdampfungstemperatur bis maximal auf 500 °C erhitzt. Im Vakuum können die Fullerene nach ihrer Verdampfung expandieren (sich mit thermischer Energie ausbreiten) und auf einem kalten Substrat, welches vor einer Öffnung des Verdampfers angeordnet ist oder an dieser kontinuierlich vorbeigeführt wird, kondensieren.Coating the substrate using a fullerene molecular beam includes condensing the fullerene C -der Waals crystals are formed as powder at approx. 150-400 °C. For this purpose, the fullerene powder, which is solid at room temperature, is filled dry into an evaporator (Knudsen type, for example), which is inserted into a vacuum chamber and heated under vacuum conditions. Condensation also occurs in this vacuum environment. The evaporator can be heated up to 500°C. Its use includes its combination with a vacuum chamber and an expedient arrangement of the electrically conductive substrate in front of an opening or a pinhole of the Evaporator in the vacuum chamber. The evaporator is preferably a Knudsen type evaporator and is set up so that it generates a fullerene molecular beam with an intensity distribution that is homogeneous across its cross section. To apply the fullerene layer according to this embodiment, the respectively selected fullerenes are introduced as a dry powder into a heatable cell, the evaporator, and heated in a vacuum environment to an evaporation temperature of up to a maximum of 500 ° C. In a vacuum, after their evaporation, the fullerenes can expand (spread with thermal energy) and condense on a cold substrate, which is arranged in front of an opening of the evaporator or is continuously passed past it.

Vorteilhaft kann so eine geschlossene und rissfreie Fulleren-Schicht einer vorgebbaren Schichtdicke auf dem Substrat erzielt werden. Dadurch wird die standardisierte Herstellung von Anodenmaterial und letztlich von entsprechenden Batterien ermöglicht.In this way, a closed and crack-free fullerene layer of a predeterminable layer thickness can advantageously be achieved on the substrate. This enables the standardized production of anode material and ultimately corresponding batteries.

Die Zahl x der Summenformel Cx des Fullerens ist eine gerade Zahl zwischen 20 und 100, beispielsweise 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94, 96, 98 oder 100. Bevorzugt umfasst das zur Beschichtung verwendete Fulleren mehr als 50 Gewichts-% C60 und/oder C70 gegenüber der Gesamtmasse an Fullerenen. Dabei ist die Zahl x bevorzugt ausgewählt aus 32, 34, 36, 44, 46, 48, 50, 60, 70, 76, 80, 82, 84, 86, 90 und 94. Besonders bevorzugt sind in dem bereitgestellten Fluid Fullerene des Typs C60 und/oder C70 dispergiert, also x=60 und/oder x=70, da diese Fullerene sich mit vergleichbar größter Ausbeute großtechnisch im Lichtbogen erzeugen lassen. Die „Gesamtmasse an Fullerenen“ ist die Masse des als Fulleren verwendeten Materials, unabhängig von dessen Zusammensetzung.The number x in the molecular formula C , 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94, 96, 98 or 100 The fullerene used for the coating preferably comprises more than 50% by weight of C 60 and/or C 70 compared to the total mass of fullerenes. The number x is preferably selected from 32, 34, 36, 44, 46, 48, 50, 60, 70, 76, 80, 82, 84, 86, 90 and 94. Fullerenes of the type are particularly preferred in the fluid provided C 60 and / or C 70 dispersed, i.e. x = 60 and / or x = 70, since these fullerenes can be produced on an industrial scale in an electric arc with a comparable high yield. The “total mass of fullerenes” is the mass of the material used as fullerene, regardless of its composition.

Vorteilhaft ist es so möglich, eine geschlossene Fulleren-Schicht einer jeweils gleichmäßigen Dicke, beispielsweise in einem Bereich von einer monomolekularen Lage (Monolage) bis zu Multilagen von bis zu 100 µm Schichtdicke, auf dem Substrat aufzubringen. Weiter ist vorteilhaft, dass die erzeugte Fulleren-Schicht, bezogen auf eine Flächeneinheit, eine weitestgehend homogene Interkalationsfähigkeit für Na+ aufweist.It is thus advantageously possible to apply a closed fullerene layer of uniform thickness, for example in a range from a monomolecular layer (monolayer) to multilayers with a layer thickness of up to 100 μm, to the substrate. It is also advantageous that the fullerene layer produced has, based on a unit area, a largely homogeneous intercalation ability for Na + .

Gemäß einer Ausführungsform ist das elektrisch leitfähige Substrat ausgewählt unter: einem flachen oder oberflächlich strukturiertem Metallblech, einer flachen oder oberflächlich strukturierten Folie (z.B. einer Metallfolie, einer Polymerfolie, einer Keramikfolie) einem Draht. Das flache und optional zumindest einseitig oberflächlich strukturierte Metallblech oder die zunächst flache und optional zumindest einseitig oberflächlich strukturierte Folie kann ebenso in Form zumindest eines Hohlzylinders oder zumindest eines Stabes vorliegen. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist das elektrisch leitfähige Substrat ein Metallblech, eine Folie (z.B. eine Metallfolie oder ein Metalldrahtgeflecht, oder eine Folie eines elektrisch leitfähigen Polymers). Das leitfähige Material kann hierbei planar und eben sein, oder in Form eines zumindest abschnittsweise hohlen Zylinders geformt und damit gekrümmt sein. Ebenso kann das elektrisch leitfähige Substrat eine anderweitig gebogene oder gekrümmten Fläche umfassen oder als (Polymer-) Faden, Filament oder Draht oder in Form einer oder mehrerer Lamellen des betreffenden leitfähigen Materials vorliegen. Ein Vorteil eines einseitig mit Fulleren beschichteten Substrates ergibt sich daraus, dass die Form der Anode an die durch das jeweilige Einsatzgebiet bedingte und/oder beabsichtigte räumliche Form der Batterie anpassbar ist. Die unbeschichtete Substratseite kann eine Außenseite oder eine Kontaktfläche eines Batteriegehäuses bilden.According to one embodiment, the electrically conductive substrate is selected from: a flat or superficially structured metal sheet, a flat or superficially structured foil (e.g. a metal foil, a polymer foil, a ceramic foil), a wire. The flat and optionally superficially structured metal sheet at least on one side or the initially flat and optionally superficially structured film at least on one side can also be in the form of at least a hollow cylinder or at least a rod. In other words, the electrically conductive substrate is a metal sheet, a foil (e.g. a metal foil or a metal wire mesh, or a foil of an electrically conductive polymer). The conductive material can be planar and flat, or it can be shaped in the form of a cylinder that is at least partially hollow and therefore curved. Likewise, the electrically conductive substrate can comprise a otherwise curved or curved surface or can be present as a (polymer) thread, filament or wire or in the form of one or more lamellae of the relevant conductive material. An advantage of a substrate coated on one side with fullerene results from the fact that the shape of the anode can be adapted to the spatial shape of the battery determined and/or intended by the respective area of application. The uncoated substrate side can form an outside or a contact surface of a battery housing.

Vorteilhaft lassen sich Metallfolien, Draht, Polymerfolien, -fäden, -filamente, Keramikfolien, Vliese, Geflechte, Gewebe und Gewirke typischerweise problemlos aufrollen und so in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess einsetzen. Hohlzylinder bieten den Vorteil einer inneren und einer äußeren Oberfläche. Ein Draht kann als Drahtgeflecht, als Gewirk oder als ungeordnetes Knäuel, als Vlies, oder beispielsweise als Spirale geformt werden. So lässt sich, beispielsweise ausgehend von einem Draht oder einem Vlies, ein jeweils gewünschtes Oberflächen / Volumenverhältnis einstellen oder ein poröser Festkörper, ähnlich einem Schwamm mit ausschließlich offenen Poren und Hohlräumen, erzeugen. Vorteile ergeben sich aus einer gesteigerten spezifischen Oberfläche.Advantageously, metal foils, wire, polymer foils, threads, filaments, ceramic foils, nonwovens, braids, woven and knitted fabrics can typically be rolled up without any problems and thus used in a roll-to-roll process. Hollow cylinders offer the advantage of an inner and an outer surface. A wire can be formed as a wire mesh, as a knitted fabric or as a disordered ball, as a fleece, or, for example, as a spiral. For example, starting from a wire or a fleece, a desired surface/volume ratio can be set or a porous solid, similar to a sponge, with only open pores and cavities can be created. Advantages arise from an increased specific surface area.

Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens ist das bereitgestellte elektrisch leitfähige Substrat zumindest oberflächlich strukturiert und weist somit zumindest an einer Oberfläche eines von Poren, Noppen, Dellen, Wellen, Rillen, Stegen, Lamellen, Waben oder Ähnliches auf. Unter Ähnlichem („etc.“) werden hierbei sowohl regelmäßige als auch unregelmäßig angeordnete Strukturen verstanden, die Erhabenheiten, Vorsprünge, Vertiefungen oder Ausnehmungen bezogen auf eine als Grundfläche interpretierbare TeilFläche des Substrats umfassen. Ebenso kann die Oberfläche des Substrats eine üblicherweise als Rauheit bezeichnete Struktur aufweisen. Das Vorliegen von oberflächlich zugänglichen Poren ist beispielsweise für eine schwammartige Struktur des Substrates typisch.According to one embodiment of the manufacturing method, the electrically conductive substrate provided is structured at least on the surface and thus has one of pores, knobs, dents, waves, grooves, webs, lamellas, honeycombs or the like on at least one surface. The term similar (“etc.”) here means both regular and irregularly arranged structures that include elevations, projections, depressions or recesses in relation to a partial surface of the substrate that can be interpreted as a base area. Likewise, the surface of the substrate may have a structure commonly referred to as roughness. The presence of superficially accessible pores is typical, for example, of a sponge-like structure of the substrate.

Entsprechende Oberflächen werden, beispielsweise durch Prägen, Walzen oder Kalandrieren, ebenso aber beispielsweise auch durch Elektroerosion, Ätzprozesse oder durch eine additive Fertigung leicht und reproduzierbar erzeugt. Vorteile derartig strukturierter Substrate ergeben sich aus der erreichbaren Oberflächenvergrößerung und einer damit einhergehenden Erhöhung einer erreichbaren Stromdichte und einer Leistungsdichte einer das Anodenmaterial umfassenden Batterie.Corresponding surfaces are easily and reproducibly produced, for example by embossing, rolling or calendering, but also, for example, by electrical erosion, etching processes or additive manufacturing. Advantages of substrates structured in this way result from the achievable increase in surface area and an associated increase in the achievable current density and power density of a battery comprising the anode material.

Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens liegt das Substrat quasi als Endlos-Material aufgerollt vor, sodass es durch ein Abrollen kontinuierlich dem Beschichtungsprozess zuführbar ist.According to one embodiment of the manufacturing method, the substrate is rolled up as an endless material so that it can be continuously fed to the coating process by unrolling it.

Die Beschichtung des Substrates mit dem Fulleren erfolgt somit kontinuierlich, indem das Endlos-Material abgerollt, beschichtet und wieder aufgerollt wird. Vorteilhaft sichert das als quasi Endlos-Material bereitgestelltes Substrat den kontinuierlichen Beschichtungsprozess, der also idealerweise mit einem erneut in Form eines aufgerollten, jedoch nun das beschichtete Substrat umfassenden Anodenmaterials abschließt. Das somit kontinuierlich bereitstellbare Anodenmaterial ermöglicht die kontinuierliche Fertigung von Batterien. Vorteile bieten auch die Dimensionierung und Raumersparnis entsprechender Fertigungs-Anlagen. Ähnliche Verfahren werden auch als Rolle-zu-Rolle- oder R2R-Verfahren bezeichnet und sind in der Beschichtungstechnik verbreitet. Ebenso kann in dem beschriebenen R2R-Verfahren eine Vorschubgeschwindigkeit des Substrates auf eine Konzentration des Fullerens im Molekularstrahl oder in der aufgetragenen Lösung und/oder auf weitere Einflussfaktoren, wie Temperatur und Vakuum, so abgestimmt werden, dass eine gewünschte Schichtdicke des auf dem Substrat abgeschiedenen Fullerens erzielt wird.The substrate is coated with the fullerene continuously by unrolling the endless material, coating it and rolling it up again. Advantageously, the substrate provided as a quasi-endless material ensures the continuous coating process, which ideally ends with an anode material again in the form of a rolled-up but now comprising the coated substrate. The anode material, which can therefore be continuously provided, enables the continuous production of batteries. The dimensions and space savings of corresponding production systems also offer advantages. Similar processes are also known as roll-to-roll or R2R processes and are common in coating technology. Likewise, in the R2R method described, a feed rate of the substrate can be adjusted to a concentration of the fullerene in the molecular beam or in the applied solution and/or to other influencing factors, such as temperature and vacuum, so that a desired layer thickness of the fullerene deposited on the substrate is achieved.

Gemäß einer Ausführungsform wird ein Batterieanodenmaterial vorgeschlagen, das ein Fulleren Cx umfasst, wobei das Batterieanodenmaterial konfiguriert ist, zumindest eines der Kationen Na+, Li+, K+und Cs+ zu binden. Vor diesem Hintergrund werden erfindungsgemäß dementsprechend Anodenmaterialien für eine Na+ Ionenbatterie, für eine Li+ Ionenbatterie, für eine K+ Ionenbatterie, und für eine Cs+ Ionenbatterie, hier als Alkali-Ionen-Batterien bezeichnet, vorgeschlagen.According to one embodiment, a battery anode material comprising a fullerene C x is proposed, wherein the battery anode material is configured to bind at least one of the cations Na + , Li + , K + and Cs + . Against this background, anode materials for a Na + ion battery, for a Li + ion battery, for a K + ion battery, and for a Cs + ion battery, referred to here as alkaline ion batteries, are proposed according to the invention.

Bevorzugt erfolgt die Bindung des Kations mittels Interkalation, bzw. durch ein Komplexieren des betreffenden Kations im Fullerenmolekül oder zwischen zueinander benachbarten Fullerenen einer Fulleren-Schicht auf dem elektrisch leitfähigen Substrat des Anodenmaterials. Alternativ formuliert, wird gemäß einem Aspekt der Offenbarung vorgeschlagen, die gemäß dem vorab beschriebenen Herstellungsverfahren erhaltene Anode in einer Alkaliionenbatterie, insbesondere einer Na+-Ionenbatterie zu verwenden. Vorteile ergeben sich beispielsweise aus dem im Vergleich zu Lithium-Ionen geringeren Preis von Natrium-Ionen und Kalium-Ionen und deren leichter Verfügbarkeit.The cation is preferably bound by means of intercalation, or by complexing the relevant cation in the fullerene molecule or between mutually adjacent fullerenes of a fullerene layer on the electrically conductive substrate of the anode material. Alternatively formulated, according to one aspect of the disclosure, it is proposed to use the anode obtained according to the production method described above in an alkali ion battery, in particular a Na + ion battery. Advantages arise, for example, from the lower price of sodium ions and potassium ions compared to lithium ions and their easy availability.

Gemäß einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Batterieanodenmaterials ist x im Fulleren Cx ausgewählt aus einer geraden Zahl zwischen 20 und 100, beispielsweise 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94, 96, 98 oder 100. Bevorzugt ist x ausgewählt unter den Werten: 32, 34, 36, 44, 46, 48, 50, 60, 70, 76, 80, 82, 84, 86, 90 und 94, weiter bevorzugt ist x ausgewählt aus 60 und 70. Besonders bevorzugt umfasst das in dem Fluid dispergierte Fulleren die Fullerene C60 und/oder C70.According to one embodiment of the proposed battery anode material, x in the fullerene C , 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94, 96 , 98 or 100. Preferably x is selected from the following values: 32, 34, 36, 44, 46, 48, 50, 60, 70, 76, 80, 82, 84, 86, 90 and 94, more preferably x is selected from 60 and 70. The fullerene dispersed in the fluid particularly preferably comprises the fullerenes C 60 and/or C 70 .

Vorteilhaft fallen bei etablierten Verfahren der Herstellung von Fullerenen, beispielsweise bei Lichtbogenverfahren, überwiegend C60 und C70 an, können mit organischen Lösungsmitteln leicht aus dem im Lichtbogen erzeugten Feststoff extrahiert werden und sind so gegenüber anderen Fullerenen vergleichsweise kostengünstig erhältlich. Die mit diesen x-Werten bezeichneten Fullerene sind auf Grund ihrer spezifischen räumlichen Konfiguration besonders zur Ausbildung von Interkalationsverbindungen mit Na+ und K+ geeignet.Advantageously, established processes for the production of fullerenes, for example in arc processes, predominantly produce C 60 and C 70 , can be easily extracted from the solid produced in the arc using organic solvents and are therefore available at a comparatively low cost compared to other fullerenes. Due to their specific spatial configuration, the fullerenes designated with these x values are particularly suitable for the formation of intercalation compounds with Na + and K + .

Gemäß einer Ausführungsform wird das als Ladungsträger eingesetzte Alkali-Kation, also Na+, Li+ , K+ oder Cs+, durch das Fulleren reversibel in Form einer Interkalationsverbindung gebunden.According to one embodiment, the alkali cation used as a charge carrier, i.e. Na + , Li + , K + or Cs + , is reversibly bound by the fullerene in the form of an intercalation compound.

Eine derartige Bindung gestattet eine vergleichsweise rasche Diffusion der Kationen und ermöglicht somit vorteilhaft eine hohe Leistungsdichte der Zelle.Such a binding allows a comparatively rapid diffusion of the cations and thus advantageously enables a high power density of the cell.

Erfindungsgemäß werden als Fullere bevorzugt die Fullerene C60 und C70 und ähnliche, in ihrer Häufigkeit bei der Herstellung mit hoher Ausbeute darstellbare Fullerene oder deren Mischungen verwendet. Grundsätzlich sind jedoch alle Fullerene oder ähnliche Kohlenstoffmodifikationen geeignet, die einen bei bis zu über 100 °C stabilen Van-der-Waals Kristall bilden können. Durch die lockere Bindung der Fullerenmoleküle in einem Van-der-Waals Kristall steht ausreichend Mobilität der Moleküle für die Interkalation auch von Alkaliionen mit größerem Ionenradius als Li+, wie Na+ , K+ oder Cs+, zur Verfügung.According to the invention, the fullerenes C 60 and C 70 and similar fullerenes which can be produced with high yield in their frequency or mixtures thereof are preferably used as fulleres. In principle, however, all fullerenes or similar carbon modifications that can form a van der Waals crystal that is stable at up to over 100 °C are suitable. Due to the loose binding of the fullerene molecules in a van der Waals crystal, sufficient mobility of the molecules is available for the intercalation of alkali ions with a larger ionic radius than Li + , such as Na + , K + or Cs + .

Vorteilhaft interkalieren die im Batterieanodenmaterial verwendeten Fullerene der vorgeschlagenen Anoden Kationen wie Li+, Na+, K+ und Cs+.The fullerenes of the proposed anodes used in the battery anode material advantageously intercalate cations such as Li + , Na + , K + and Cs + .

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und Merkmalskombinationen einer Ausführungsform mit Merkmalen und Merkmalskombinationen einer anderen Ausführungsform geeignet zu kombinieren, um zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu gelangen.The embodiments described above can be combined with one another as desired. However, the invention is not limited to the specifically described embodiments, but can be modified and modified in a suitable manner. It is within the scope of the invention to suitably combine individual features and combinations of features of one embodiment with features and combinations of features of another embodiment in order to arrive at further embodiments according to the invention.

Zu der offenbarten Verwendung eines Fulleren-Molekularstrahls wird nochmals angemerkt, dass die Fullerene molekular vom beheizten Pulver bei mehreren hundert Grad Celsius, insbesondere bei ca. 200-400 °C, mit Hilfe eines entsprechenden Verdampfers verdampft werden. Der Fulleren Van-der-Waals Kristall (Molekülkristall), der in Form eines Festkörpers zunächst als Pulver vorliegt, wird dabei in Form einzelner Fulleren-Moleküle verdampft, die den Molekularstrahl ausbilden. Der Molekularstrahl umfasst somit molekular dispers vorliegende Fulleren-Moleküle. Typischerweise wird zur Erzeugung des genutzten Molekularstrahls ein Knudsen-Verdampfer verwendet, der durch seine längliche Verdampferzelle, (bei einem festen Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Verdampferöffnung und der Länge der Zelle) ein besonders homogenes Strahlprofil mit konstantem Flux über den Strahlquerschnitt ausbildet. Das Feststoff-Pulver, welches das gewählte Fulleren Cx umfasst, wird vor dem Verdampfen trocken in die Verdampferzelle gefüllt.Regarding the disclosed use of a fullerene molecular beam, it should be noted again that the fullerenes are molecularly evaporated from the heated powder at several hundred degrees Celsius, in particular at approx. 200-400 ° C, using a corresponding evaporator. The fullerene Van der Waals crystal (molecular crystal), which initially exists as a powder in the form of a solid, is evaporated in the form of individual fullerene molecules, which form the molecular beam. The molecular beam therefore comprises molecularly disperse fullerene molecules. Typically, a Knudsen evaporator is used to generate the molecular beam used, which, thanks to its elongated evaporator cell (with a fixed ratio between the diameter of the evaporator opening and the length of the cell), forms a particularly homogeneous jet profile with a constant flux across the jet cross section. The solid powder, which includes the selected fullerene C x , is filled dry into the evaporator cell before evaporation.

Aspekte der beschriebenen Ausführungsformen umfassen, mit anderen Worten ausgedrückt:

  1. 1. Verwendung von Fullerenen C60, C70 und/oder vergleichbaren Kohlenstoffmodifikationen als Anodenmaterial in Alkali-Ionen-Batterien, Alkali-Batterien, insbesondere in Natrium-Ionen-Batterien und Natrium-Batterien.
  2. 2. Aufdampfen von Fullerenen C60, C70 und/oder vergleichbaren Kohlenstoffmodifikationen unter Vakuum auf einen metallischen Träger (Substrat) zur Verwendung als Anode in einer Natrium-Ionen-Batterie und/oder einer Natrium-Batterie.
  3. 3. Aufstreichen von in Lösungsmittel dispergierten Fullerenen C60, C70 und/oder vergleichbaren Kohlenstoffmodifikationen auf den metallischen Träger (z.B. Metallfolie) und anschließende Trocknung der Dispersion zur Verwendung als Anode in einer Natrium-Ionen-Batterie und/oder einer Natrium-Batterie.
  4. 4. Aufbringen von Fullerenen C60, C70 und/oder vergleichbaren Kohlenstoffmodifikationen auf den metallischen Träger (Metallfolie) durch kritische Punkt-Trocknung einer Molekulardispersion der Fullerene unmittelbar auf dem metallischen Träger (z.B. Metallfolie).
  5. 5. Der metallische Träger, bzw. das metallische Substrat kann eine Metallfolie sein oder ein metallisches Vollmaterial, welches an der Oberfläche strukturiert ist durch Noppen, Dellen, Rillen, Wellen, Stege, Lamellen, Waben oder ähnliches um die Stromdichte und Leistungsdichte zu optimieren.
  6. 6. Aufbringen von Fullerenen C60, C70 und/oder vergleichbaren Kohlenstoffmodifikationen auf den metallischen Träger (Metallfolie) durch Gefrieren und Sublimieren einer Molekulardispersion der Fullerene unmittelbar auf dem metallischen Träger (z.B. Metallfolie).
Aspects of the described embodiments include, in other words:
  1. 1. Use of fullerenes C 60 , C 70 and/or comparable carbon modifications as anode material in alkaline-ion batteries, alkaline batteries, especially in sodium-ion batteries and sodium batteries.
  2. 2. Vapor deposition of fullerenes C 60 , C 70 and/or comparable carbon modifications under vacuum onto a metallic support (substrate) for use as an anode in a sodium-ion battery and/or a sodium battery.
  3. 3. Spreading solvent-dispersed fullerenes C 60 , C 70 and/or comparable carbon modifications onto the metallic support (e.g. metal foil) and subsequent drying of the dispersion for use as an anode in a sodium-ion battery and/or a sodium battery.
  4. 4. Application of fullerenes C 60 , C 70 and/or comparable carbon modifications to the metallic support (metal foil) by critical point drying of a molecular dispersion of the fullerenes directly on the metallic support (eg metal foil).
  5. 5. The metallic carrier or the metallic substrate can be a metal foil or a metallic solid material, which is structured on the surface by knobs, dents, grooves, waves, webs, slats, honeycombs or similar in order to optimize the current density and power density.
  6. 6. Application of fullerenes C 60 , C 70 and/or comparable carbon modifications to the metallic support (metal foil) by freezing and sublimating a molecular dispersion of the fullerenes directly on the metallic support (eg metal foil).

Zusammenfassend lässt sich die Erfindung beschreiben als Bereitstellen eines Anodenmaterials für eine Alkaliionenbatterie, insbesondere eines als Kationenspeicher einsetzbaren Materials und als Verfahren zur Herstellung einer Anode für eine Alkaliionenbatterie.In summary, the invention can be described as providing an anode material for an alkali ion battery, in particular a material that can be used as a cation storage device, and as a method for producing an anode for an alkali ion battery.

Ausführlicher lässt sich eine Kombination vorgeschlagener Ausführungsformen beschreiben als ein Herstellungsverfahren für eine Batterieanode, das umfasst: 1) Bereitstellen eines bevorzugt molekular dispergierten Fullerens Cx, wobei x eine gerade Zahl zwischen 20 und 100 ist; wobei das Fulleren gelöst ist in zumindest einem Lösungsmittel ausgewählt unter: Wasser und einem organischen Lösungsmittel oder in einem Molekularstrahl vorliegt; 2) Bereitstellen eines elektrisch leitfähigen Substrates; und 3) Beschichten zumindest eines Abschnitts der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Substrates mit Fulleren Cx während eines Beschichtungsprozesses, beispielsweise umfassend die Verwendung des im Lösungsmittel dispergierten Fullerens Cx; oder umfassend ein Verdampfen von trocken in einem Verdampfer vorliegenden Fulleren Cx und das Erzeugen eines Fulleren - Molekularstrahls durch Betreiben des Verdampfers im Vakuum. Weiter wird ein Batterieanodenmaterial umfassend ein Fulleren Cx vorgeschlagen, das durch das ausgewählte Fulleren, durch das genutzte Beschichten, durch eine gezielt eingestellte Dicke der Fullerenschicht auf dem Substrat und dessen Oberflächenstruktur konfiguriert ist, zumindest eines der Kationen Na+, Li+, K+und Cs+ effektiv zu binden, bevorzugt zu interkalieren.In more detail, a combination of proposed embodiments can be described as a battery anode manufacturing process comprising: 1) providing a preferably molecularly dispersed fullerene C x , where x is an even number between 20 and 100; wherein the fullerene is dissolved in at least one solvent selected from: water and an organic solvent or in a molecular beam; 2) providing an electrically conductive substrate; and 3) coating at least a portion of the surface of the electrically conductive substrate with fullerene C x during a coating process, for example comprising the use of the fullerene C x dispersed in the solvent; or comprising evaporating fullerene C x present dry in an evaporator and generating a fullerene molecular beam by operating the evaporator in a vacuum. Furthermore, a battery anode material comprising a fullerene C x is proposed, which is configured by the selected fullerene, by the coating used, by a specifically adjusted thickness of the fullerene layer on the substrate and its surface structure, at least one of the cations Na + , Li + , K + and Cs + to bind effectively, preferentially to intercalate.

Mehrere der vorgeschlagenen Ausführungsformen können wie folgt zusammengefasst werden:

  1. 1) Herstellungsverfahren einer Batterieanode mit den Schritten:
    • - Bereitstellen eines bevorzugt molekular dispergierten Fullerens Cx, wobei x eine Zahl zwischen 20 und 100 ist. Das Fulleren Cx liegt entweder gelöst in einem Lösungsmittel vor, das ausgewählt ist unter: Wasser und/oder einem organischen Lösungsmittel, wobei ein Feststoffanteil des Fullerens in der Lösung zwischen 2 und 75 Gewichts-%, bevorzugt zwischen 30 und 50 Gewichts-% beträgt. Das Fulleren Cx kann aber auch in Form eines Molekularstrahls, der aus einem geeigneten Verdampfer austritt, bereitgestellt werden.
    • - Bereitstellen eines elektrisch leitfähigen Substrates, wobei das elektrisch leitfähige Substrat ausgewählt ist unter: einem flachen oder zumindest abschnittsweise oberflächlich strukturiertem Metallblech, einer flachen oder zumindest oberflächlich abschnittsweise strukturierten Folie, beispielsweise einer Metallfolie oder einer Polymerfolie, und einem Draht, wobei das elektrisch leitfähige Substrat optional als quasi Endlos-Material aufgerollt vorliegt, sodass es durch Abrollen kontinuierlich einem Rolle-zu-Rolle Beschichtungsprozess zuführbar ist.
    • - Beschichten zumindest eines Oberflächenabschnitts des elektrisch leitfähigen Substrats mit dem molekular dispergierten Fulleren Cx, umfassend: entweder eines von Aufstreichen, Pinseln, Sprühen, Dip Coatig und Spin Coating mit dem im Lösungsmittel(gemisch) gelösten Cx und jeweils nachfolgendes Entfernen des (der) Lösungsmittel(s) der oben beschriebenen Fulleren-Lösung durch Verdunsten oder durch kritische-Punkt-Trocknung oder durch Sublimation via direkten Feststoff-Gas Übergang des zuvor durch Kühlung des Substrates eingefrorenen Fulleren-Lösungsmittels; oder
    • - Beschichten zumindest eines Oberflächenabschnitts des elektrisch leitfähigen Substrats mit dem molekular in Form eines Molekularstrahls dispergierten Fullerens Cx, umfassend ein Kondensieren des Fullerens Cx des aus einem Fulleren-Verdampfer austretenden Fulleren-Molekularstrahls auf dem elektrisch leitfähigen Substrat, wobei das Kondensieren in einer Vakuumumgebung erfolgt.
  2. 2) Batterieanodenmaterial umfassend ein Fulleren Cx, das durch eine eingestellte Fulleren-Schichtdicke und eine Oberflächenstruktur eines zumindest abschnittsweise mit der Fullerenschicht versehenen elektrisch leitfähigen Substrates konfiguriert ist, um zumindest eines der Kationen Na+, Li+, K+und Cs+ reversibel, bevorzugt durch Interkalation zu binden.
Several of the proposed embodiments can be summarized as follows:
  1. 1) Manufacturing process of a battery anode with the steps:
    • - Providing a preferably molecularly dispersed fullerene C x , where x is a number between between 20 and 100. The fullerene C . However, the fullerene C x can also be provided in the form of a molecular beam that emerges from a suitable evaporator.
    • - Providing an electrically conductive substrate, wherein the electrically conductive substrate is selected from: a flat or at least partially superficially structured metal sheet, a flat or at least superficially partially structured film, for example a metal foil or a polymer film, and a wire, wherein the electrically conductive substrate optionally rolled up as a quasi-continuous material so that it can be continuously fed into a roll-to-roll coating process by unrolling it.
    • - Coating at least one surface section of the electrically conductive substrate with the molecularly dispersed fullerene C x , comprising: either one of brushing, brushing, spraying, dip coating and spin coating with the C x dissolved in the solvent (mixture) and subsequent removal of the ) Solvent(s) of the fullerene solution described above by evaporation or by critical point drying or by sublimation via direct solid-gas transfer of the fullerene solvent previously frozen by cooling the substrate; or
    • - Coating at least a surface portion of the electrically conductive substrate with the fullerene C he follows.
  2. 2 ) Battery anode material comprising a fullerene C preferably bound by intercalation.

Selbstredens sind die Elemente und Merkmale aller Ausführungsformen beispielhaft und können miteinander kombiniert werden. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.Of course, the elements and features of all embodiments are exemplary and can be combined with one another. The following claims represent a first, non-binding attempt to generally define the invention.

Claims (12)

Herstellungsverfahren für eine Anode einer Alkali-Ionenbatterie, umfassend: - Bereitstellen eines bevorzugt molekular dispergierten Fullerens Cx, wobei x eine Zahl zwischen 20 und 100 ist und das Fulleren Cx gelöst ist in einem Lösungsmittel oder als ein Molekularstrahl vorliegt, der verdampfte Fulleren-Moleküle umfasst; - Bereitstellen eines elektrisch leitfähigen Substrates; und - Beschichten zumindest einer Oberfläche des elektrisch leitfähigen Substrates mit dem molekular dispergierten Fulleren Cx.Manufacturing process for an anode of an alkali ion battery, comprising: - Providing a preferably molecularly dispersed fullerene C x , where x is a number between 20 and 100 and the fullerene C molecules includes; - Providing an electrically conductive substrate; and - coating at least one surface of the electrically conductive substrate with the molecularly dispersed fullerene C x . Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Fulleren Cx gelöst vorliegt und das Lösungsmittel ausgewählt ist unter Wasser, einem organischen Lösungsmittel, einem Gemisch von Wasser mit zumindest einem organischen Lösungsmittel und einem Gemisch organischer Lösungsmittel, wobei ein Feststoffanteil des Fullerens Cx im dem Lösungsmittel 2 - 75 Gewichts-%, bevorzugt 30 - 50 Gewichts-% beträgt.Manufacturing process according to Claim 1 , where the fullerene C %, preferably 30 - 50% by weight. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Beschichten eines von Aufstreichen, Pinseln, Sprühen, Dip Coatig und Spin Coating umfasst und ein jeweils nachfolgendes Entfernen des Lösungsmittels durch Verdunsten, ein jeweils nachfolgendes Entfernen des Lösungsmittels während einer kritischen Punkt Trocknung, oder ein jeweils nachfolgendes Entfernen des Lösungsmittels mittels Sublimation über einen direkten Feststoff-Gas Übergang des zuvor durch eine Kühlung des Substrates eingefrorenen Lösungsmittels aufweist.Manufacturing process according to one of the Claims 1 or 2 , wherein the coating comprises one of brushing, brushing, spraying, dip coating and spin coating and a respective subsequent removal of the solvent by evaporation, a respective subsequent removal of the solvent during a critical point drying, or a respective subsequent removal of the solvent by means of sublimation has a direct solid-gas transition of the solvent previously frozen by cooling the substrate. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Temperatur des Substrats beim Beschichten sich nach einer Gefriertemperatur des Lösungsmittels bei einem gegebenen Umgebungsdruck einer vorliegenden Atmosphäre richtet und die Temperatur des Substrates bevorzugt um bis 100 K, weiter bevorzugt um 10 bis 50 K, unterhalb der Temperatur eines Tripelpunktes oder eines kritischen Punktes eines Phasendiagramms des Lösungsmittels liegt.Manufacturing process according to one of the Claims 1 until 3 , wherein a temperature of the substrate during coating depends on a freezing temperature of the solvent at a given ambient pressure of an existing atmosphere and the temperature of the substrate is preferably up to 100 K, more preferably around 10 to 50 K, below the temperature of a triple point or a critical point a phase diagram of the solvent. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Fulleren Cx in Form eines Fulleren-Molekulartrahls bereitgestellt wird und das Beschichten ein Kondensieren des Fullerens Cx des aus einem Fulleren-Verdampfer austretenden Fulleren-Molekularstrahls auf dem elektrisch leitfähigen Substrat umfasst, wobei das Kondensieren in einer Vakuumumgebung erfolgt.Manufacturing process according to Claim 1 , wherein the fullerene C Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei x des Cx eine gerade Zahl zwischen 20 und 100 ist, die bevorzugt ausgewählt ist aus 32, 34, 36, 44, 46, 48, 50, 60, 70, 76, 80, 82, 84, 86, 90 und 94, weiter bevorzugt ausgewählt ist aus 60 und 70 und somit das in dem Fluid dispergierte Fulleren die Fullerene C60 und/oder C70 umfasst.Manufacturing process according to one of the Claims 1 until 5 , where x of C x is a straight line Number is between 20 and 100, which is preferably selected from 32, 34, 36, 44, 46, 48, 50, 60, 70, 76, 80, 82, 84, 86, 90 and 94, more preferably selected from 60 and 70 and thus the fullerene dispersed in the fluid comprises the fullerenes C 60 and/or C 70 . Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das elektrisch leitfähige Substrat ausgewählt ist unter: einem flachen oder oberflächlich strukturiertem Metallblech, einer flachen oder oberflächlich strukturierten Folie und einem Draht.Manufacturing method according to one of the preceding claims, wherein the electrically conductive substrate is selected from: a flat or superficially structured metal sheet, a flat or superficially structured foil and a wire. Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das bereitgestellte elektrisch leitfähige Substrat zumindest oberflächlich strukturiert ist, durch zumindest eines von Poren, Noppen, Dellen, Wellen, Rillen, Stegen, Lamellen, Waben etc.Manufacturing method according to one of the preceding claims, wherein the electrically conductive substrate provided is structured at least on the surface, through at least one of pores, knobs, dents, waves, grooves, webs, lamellas, honeycombs, etc. Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat als quasi Endlos-Material aufgerollt vorliegt, sodass es durch ein Abrollen kontinuierlich einem Beschichtungsprozess zugeführt wird.Manufacturing method according to one of the preceding claims, wherein the substrate is rolled up as a quasi-continuous material so that it is continuously fed to a coating process by unrolling. Batterieanodenmaterial umfassend ein Fulleren Cx, wobei das Batterieanodenmaterial konfiguriert ist, zumindest eines der Alkali-Kationen Na+, Li+, K+und Cs+ zu binden.Battery anode material comprising a fullerene C x , the battery anode material being configured to bind at least one of the alkali cations Na + , Li + , K + and Cs + . Batterieanodenmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei x des Cx eine gerade Zahl zwischen 20 und 100 ist, die bevorzugt ausgewählt ist aus 32, 34, 36, 44, 46, 48, 50, 60, 70, 76, 80, 82, 84, 86, 90 und 94, weiter bevorzugt ausgewählt ist aus 60 und 70 und somit das in dem Fluid dispergierte Fulleren die Fullerene C60 und/oder C70 umfasst.Battery anode material according to one of the preceding claims, wherein x of C x is an even number between 20 and 100, which is preferably selected from 32, 34, 36, 44, 46, 48, 50, 60, 70, 76, 80, 82, 84, 86, 90 and 94, more preferably selected from 60 and 70 and thus the fullerene dispersed in the fluid comprises the fullerenes C 60 and / or C 70 . Batterieanodenmaterial nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Kation reversibel in Form einer Interkalationsverbindung des Fullerens Cx gebunden wird.Battery anode material Claim 10 or 11 , whereby the cation is reversibly bound in the form of an intercalation compound of the fullerene C x .
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