DE102022116245A1 - Electrolyte solution for high performance rechargeable batteries and capacitors - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Batterien und Kondensatoren und deren Herstellung.Beschrieben wird die Verwendung einer Elektrolyt-Lösung für Batterien oder Kondensatoren, umfassend einen• Zink-Komplex, enthalten Zink, den Liganden Betain und ein Anion, ausgewählt aus NTf2, OTf, CI und Br, und• das Lösungsmittel Acetonitril, wobei die Batterie und der Kondensator eine Graphit-Elektrode enthalten.Beschrieben ist auch die Herstellung solcher Batterien bzw. Kondensatoren mittels dieser Elektrolyt-Lösung.The invention relates to batteries and capacitors and their production. What is described is the use of an electrolyte solution for batteries or capacitors, comprising a zinc complex, containing zinc, the ligand betaine and an anion selected from NTf2, OTf, CI and Br, and • the solvent acetonitrile, whereby the battery and the capacitor contain a graphite electrode. The production of such batteries or capacitors using this electrolyte solution is also described.

Description

Die Erfindung betrifft Batterien und Kondensatoren und deren Herstellung.The invention relates to batteries and capacitors and their manufacture.

Stand der TechnikState of the art

Zink-Batterien kombinieren verschiedene vorteilhafte Eigenschaften, wie eine hohe spezifische Kapazität, ein geringes elektrochemisches Potential, geringe Kosten, Umweltverträglichkeit und gute Kompatibilität mit wässrigen und organischen Elektrolyten. Nachteile sind jedoch eine unzureichende Stabilität über hohe Zyklenzahlen, eine geringe coulombsche Effizient (Verhältnis zwischen Lade- und Entladekapazität) und eine geringe Batteriespannung. Hervorgerufen wird dies unter anderem durch ein Dendriten-Wachstum.Zinc batteries combine various advantageous properties, such as high specific capacity, low electrochemical potential, low cost, environmental friendliness and good compatibility with aqueous and organic electrolytes. However, disadvantages include inadequate stability over high cycle numbers, low coulombic efficiency (ratio between charging and discharging capacity) and low battery voltage. This is caused, among other things, by dendrite growth.

Konventionelle alkalische Zink-Batterien mit KOH-Elektrolyt leiden unter starkem dendritischen Wachstum an der Elektrode sowie unter einer Bildung von festem ZnO oder [Zn(OH)4]2+. All das führt mit der Zeit zu starkem Kapazitätsabbau der Batterie und einer geringen coulombschen Effizienz.Conventional alkaline zinc batteries with KOH electrolyte suffer from heavy dendritic growth on the electrode as well as the formation of solid ZnO or [Zn(OH) 4 ] 2+ . Over time, all of this leads to a significant reduction in battery capacity and low Coulombic efficiency.

Auch organische Lösungsmittel, basierend auf organische Phosphaten oder Mischungen aus Propylencarbonat mit Triethylphosphat etc., wurden getestet. Auch solche Lösungen führen allerdings zu einem dendritischen Wachstum an der Elektrode.Organic solvents based on organic phosphates or mixtures of propylene carbonate with triethyl phosphate etc. were also tested. However, such solutions also lead to dendritic growth on the electrode.

Chen et al. (2021) beschreiben Elektrolyte mit einem Komplex aus ZnO und [Hbet][NTf2] für Zink-Graphit-Batterien. Als Lösungsmittel im Elektrolyt wurde EMC (Ethyl-methyl-carbonat) genutzt.Chen et al. (2021) describe electrolytes with a complex of ZnO and [Hbet][NTf 2 ] for zinc-graphite batteries. EMC (ethyl methyl carbonate) was used as a solvent in the electrolyte.

Chen et al. (2022) offenbaren den Gebrauch eines Zn-Betain-Komplexes in unterschiedlichen Lösungsmittel, wie bspw. Acetonitril, in Zink-Luft-Batterien.Chen et al. (2022) disclose the use of a Zn-betaine complex in different solvents, such as acetonitrile, in zinc-air batteries.

Dong et al. (2021) beschreiben das Salz Zn(OTf)2 in wässrigen Elektrolyt-Lösungen unter Zusatz von DMC (Dimethylcarbonat).Dong et al. (2021) describe the salt Zn(OTf) 2 in aqueous electrolyte solutions with the addition of DMC (dimethyl carbonate).

Alle bekannten Batterien leiden an dendritischem Wachstum auf einer Elektrode, was die Langzeitnutzbarkeit erheblich reduziert.All known batteries suffer from dendritic growth on an electrode, which significantly reduces long-term usability.

Aufgabe der ErfindungTask of the invention

Aufgabe ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Es soll eine Batterie bereitgestellt werden, die gute Leistungskennwerte aufweist. Dendritisches Wachstum an der Elektrode soll so weit wie möglich verhindert werden. Die Leistung der Batterie soll über eine möglichst hohe Zahl von Lade-/Entladezyklen erhalten bleiben. Insbesondere sollte sie nach 1000 Zyklen noch bei >95% und nach 10 000 Zyklen noch bei >60% liegen.The task is to overcome the disadvantages of the state of the art. A battery should be provided that has good performance characteristics. Dendritic growth on the electrode should be prevented as much as possible. The performance of the battery should be maintained over the highest possible number of charge/discharge cycles. In particular, it should still be >95% after 1000 cycles and >60% after 10,000 cycles.

Die Ladung/Entladung sollte möglichst schnell von statten gehen, so dass der Aufbau auch für die Nutzung als Kondensator in Frage kommt.The charge/discharge should take place as quickly as possible so that the structure can also be used as a capacitor.

Lösung der AufgabeSolution to the task

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.According to the invention the object is achieved by the features according to the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer Elektrolyt-Lösung für Batterien oder Kondensatoren, umfassend einen

  • • Zink-Komplex, enthalten Zink, den Liganden Betain (abgekürzt durch bet) und ein Anion, ausgewählt aus NTf2, OTf, CI und Br, und
  • • das Lösungsmittel Acetonitril,
wobei die Batterie und der Kondensator eine Graphit-Elektrode enthält.The subject of the invention is the use of an electrolyte solution for batteries or capacitors, comprising a
  • • Zinc complex, containing zinc, the ligand betaine (abbreviated to bet) and an anion selected from NTf 2 , OTf, CI and Br, and
  • • the solvent acetonitrile,
wherein the battery and capacitor contains a graphite electrode.

NTf2 ist bis(trifluoromethyl(sulfonyl)imid und trägt bekanntermaßen eine negative Ladung OTf ist das Anion der Trifluormethansulfonsäure. [Hbet]+ ist das Betainium-Kation mit der Formel Me3N(+)-CH2-COOH. Das Proton dieser COOH-Gruppe reagiert bei Herstellung des Zink-Komplexes aus ZnO mit dem ZnO zu Wasser, welches sinnvollerweise zu verdampfen ist, bevorzugt bei 175°C±15°C.NTf 2 is bis(trifluoromethyl(sulfonyl)imide and is known to carry a negative charge OTf is the anion of trifluoromethanesulfonic acid. [Hbet] + is the betainium cation with the formula Me 3 N( + )-CH 2 -COOH. When producing the zinc complex from ZnO, the proton of this COOH group reacts with the ZnO to form water, which is useful to evaporate, preferably at 175°C ± 15°C.

Überraschenderweise zeigte die erfindungsgemäße Auswahl eine besonders gute Eignung für Batterien, bei denen eine Elektrode Graphit umfasst. Aufgrund der schnellen Lade-/Entladezeiten hat sich überraschend auch eine Eignung für Kondensatoren mit Graphit-Elektrode ergeben.Surprisingly, the selection according to the invention showed a particularly good suitability for batteries in which an electrode comprises graphite. Due to the fast charging/discharging times, capacitors with graphite electrodes have surprisingly also been suitable.

Vorteil der Auswahl der Anionen ist, dass sie nicht direkt am Zink-Zentralatom des Zink-Komplexes anlagern, sondern am Betain. Es ergibt sich somit eine „lineare Koordination“ am Zink-Kation. Das Betain ist dabei ein monodentater Ligand. Es ist auch möglich, eine Mischung der Zinkkomplexe mit verschiedenen solcher Anionen einzusetzen.The advantage of selecting the anions is that they do not attach directly to the zinc central atom of the zinc complex, but rather to the betaine. This results in a “linear coordination” on the zinc cation. The betaine is a monodentate ligand. It is also possible to use a mixture of the zinc complexes with various such anions.

Das Acetonitril ist nach quantenchemischen Rechnungen selbst Teil des Zink-Komplexes, wird hier aber separat als Lösungsmittel benannt. Das Acetonitril lagert sich höchstwahrscheinlich ebenfalls als Ligand an das Zink-Zentralatom des Zink-Komplexes an. Erfindungsgemäß bilden sich verschiedene Zink-Komplexe, wobei die beiden hauptsächlich vorliegenden Komplexe die Folgenden sind:

  • Ein oktaedrischer Komplex aus Zn als Zentralatom mit vier Acetonitril-Liganden und zwei Betain-Liganden, sowie ein tetraedrischer Komplex mit Zink als Zentralatom und zwei Acetonitril-Liganden sowie zwei Betain-Liganden.
According to quantum chemical calculations, acetonitrile is itself part of the zinc complex, but is mentioned separately here as a solvent. The acetonitrile most likely also attaches itself as a ligand to the zinc central atom of the zinc complex. According to the invention, various zinc complexes are formed, the two main complexes being the following:
  • An octahedral complex with Zn as the central atom with four acetonitrile ligands and two betaine ligands, as well as a tetrahedral complex with zinc as the central atom and two acetonitrile ligands and two betaine ligands.

Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie oder eines Kondensators, mit den Schritten:

  1. a) Bereitstellen einer Graphit-Elektrode in einem Gehäuse
  2. b) Einbringen einer Elektrolyt-Lösung (insbesondere der erfindungsgemäß verwendeten Elektrolyt-Lösung), umfassend einen
    • • Zink-Komplex, enthaltend Zink, Betain und ein Anion, ausgewählt aus NTf2, OTf, CI und Br, und
    • • das Lösungsmittel Acetonitril,
in das Gehäuse.The invention furthermore relates to a method for producing a battery or a capacitor, with the steps:
  1. a) Providing a graphite electrode in a housing
  2. b) introducing an electrolyte solution (in particular the electrolyte solution used according to the invention), comprising a
    • • Zinc complex containing zinc, betaine and an anion selected from NTf 2 , OTf, CI and Br, and
    • • the solvent acetonitrile,
into the housing.

Ausführungen betreffend das Verfahren gelten demnach spiegelbildlich auch für die Verwendung der Elektrolyt-Lösung und umgekehrt.Statements regarding the process therefore also apply in mirror image to the use of the electrolyte solution and vice versa.

VorteileAdvantages

Vorteilhaft kann mit der erfindungsgenmäßen Kombination in der Elektrolyt-Lösung aus Zink-Betain-Komplex mit den entsprechenden Anionen in Acetonitril bei der Metall-Graphit-Batterie (wie bspw. Zink-Graphit-Batterien als Knopfzellen) eine Spannung von 2,6 V mit mittlerer Entladespannung von 2,4 V erreicht werden. Die Ladungshaltung bei 3 A/g (150C) ist 97% nach 1000 Zyklen und 68% nach 1000 Zyklen. Insgesamt hat die mit dieser Elektrolyt-Lösung herstellbare Batterie bzw. der Kondensator exzellente Kennwerte, wie am Ende des Ausführungsbeispiels 1 in Tabelle 1 dargestellt ist.Advantageously, with the combination according to the invention in the electrolyte solution of zinc-betaine complex with the corresponding anions in acetonitrile in the metal-graphite battery (such as zinc-graphite batteries as button cells) a voltage of 2.6 V can be achieved an average discharge voltage of 2.4 V can be achieved. The charge retention at 3 A/g (150C) is 97% after 1000 cycles and 68% after 1000 cycles. Overall, the battery or capacitor that can be produced with this electrolyte solution has excellent characteristics, as shown in Table 1 at the end of exemplary embodiment 1.

Es hat sich überraschend gezeigt, dass dieser Komplex mit Acetonitril als Lösungsmittel für eine Batterie oder Kondensator mit Graphit-Elektrode diese besonderen Vorteile bietet.It has surprisingly been shown that this complex with acetonitrile as a solvent for a battery or capacitor with a graphite electrode offers these particular advantages.

Die Erfindung eignet sich für Anwendungen, bei denen es auf die Lade-/Entladegeschwindigkeit ankommt (wie bspw. in Kondensatoren), denn diese ist sehr schnell.The invention is suitable for applications where the charging/discharging speed is important (such as in capacitors), because this is very fast.

Die Entladespannung ist stabil und die Herstellung der Elektrolytlösung aufgrund der Verfügbarkeit der Inhaltsstoffe kostengünstig möglich. Vorteilhaft ist die Elektrolyt-Lösung schwer oder nicht entzündlich, je nach Konzentration des Zink-Komplexes.The discharge voltage is stable and the electrolyte solution can be produced cost-effectively due to the availability of the ingredients. The electrolyte solution is advantageously difficult or non-flammable, depending on the concentration of the zinc complex.

Bevorzugte AusführungsformenPreferred Embodiments

in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Elektrode (der Batterie bzw. des Kondensators) eine Zink-Elektrode, so dass die Batterie eine Zink-Graphit-Batterie und der Kondensator ein Zink-Graphit-Kondensator ist. Entsprechend wird bevorzugt im Verfahren in Schritt a) eine zweite Elektrode bereitgestellt, welche eine Zink-Elektrode ist, so dass die Batterie eine Zink-Graphit-Batterie und der Kondensator ein Zink-Graphit-Kondensator ist.In a preferred embodiment of the invention, the second electrode (of the battery or capacitor) is a zinc electrode, so that the battery is a zinc-graphite battery and the capacitor is a zinc-graphite capacitor. Accordingly, a second electrode is preferred in the process in step a). provided, which is a zinc electrode, so that the battery is a zinc-graphite battery and the capacitor is a zinc-graphite capacitor.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Elektrolyt-Lösung auch ein Metallsalz, ausgewählt aus LiPF6, MnSO4, Na2SO4 und Zn[NTf2]2.In a further preferred embodiment of the invention, the electrolyte solution also comprises a metal salt selected from LiPF 6 , MnSO 4 , Na 2 SO 4 and Zn[NTf 2 ] 2 .

In einer Ausführung der Erfindung umfasst die Elektrolyt-Lösung als Lösungsmittel eine Mischung des Acetonitrils mit einem weiteren Lösungsmittel, ausgewählt aus Aceton, Sulfolanen, Methanol, Dimethylformamid und Propylencarbonat, bzw. Mischungen daraus.In one embodiment of the invention, the electrolyte solution comprises as a solvent a mixture of acetonitrile with a further solvent selected from acetone, sulfolanes, methanol, dimethylformamide and propylene carbonate, or mixtures thereof.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Konzentration des Zink-Komplexes in der Elektrolyt-Lösung 0,3-1 mol/L im Lösungsmittel. Besonders bevorzugt ist es 0,5 mol/L ±0,1 mol/L. Insbesondere kann das Lösungsmittel auch nur Acetonitril umfassen. Vorteilhaft sind in dieser Ausführungsform die Kennwerte von Batterie bzw. Kondensator besonders gut.In a preferred embodiment of the invention, the concentration of the zinc complex in the electrolyte solution is 0.3-1 mol/L in the solvent. It is particularly preferred 0.5 mol/L ±0.1 mol/L. In particular, the solvent can also only comprise acetonitrile. In this embodiment, the characteristics of the battery or capacitor are particularly good.

In ebenfalls bevorzugter Ausführungsform der Erfindung enthält der Zink-Komplex Zink, den Liganden Betain und das Anion NTf2. Dies hat sich für Graphit-Elektroden als besonders günstig erwiesen.In a likewise preferred embodiment of the invention, the zinc complex contains zinc, the ligand betaine and the anion NTf 2 . This has proven to be particularly beneficial for graphite electrodes.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens ist in Schritt b) vor dem Einbringen (der Elektrolyt-Lösung) in das Gehäuse die Herstellung des Zink-Komplexes aus Zinkoxid ZnO und [Hbet][NTf2] und/oder [Hbet][OTf] und/oder [Hbet]CI und/oder [Hbet]Br umfasst. Sinnvollerweise wird entstehendes Wasser entfernt, bevorzugt bei einer Temperatur von 175°C ±20°C. In a preferred embodiment of the production method according to the invention, in step b) before introducing (the electrolyte solution) into the housing, the zinc complex is produced from zinc oxide ZnO and [Hbet][NTf 2 ] and/or [Hbet][OTf] and/or [Hbet]CI and/or [Hbet]Br. It makes sense to remove any water that forms, preferably at a temperature of 175°C ±20°C.

In einer ganz bevorzugten Variante dieser Ausführung mit Herstellung aus ZnO etc. ist in Schritt b) vor dem Einbringen in das Gehäuse die Herstellung des Zink-Komplexes aus Zinkoxid ZnO, Betain und einer Säure, ausgewählt aus HNTf2, HOTf, HCl und HBr, umfasst.In a very preferred variant of this embodiment with production from ZnO etc., in step b) before introduction into the housing, the zinc complex is produced from zinc oxide ZnO, betaine and an acid selected from HNTf 2 , HOTf, HCl and HBr, includes.

Insbesondere ist es bevorzugt, wenn das Verhältnis von ZnO zur Säure 1:1,5 bis 1:2,5 ist., insbesondere 1:2.In particular, it is preferred if the ratio of ZnO to acid is 1:1.5 to 1:2.5, in particular 1:2.

Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche miteinander zu kombinieren.

  • 1 zeigt eine Ausführungsform (Ausführungsbeispiel 1) der Erfindung anhand einer Batterie-Knopfzelle (Zink-Graphit) mittels SEM (Rasterelektronenmikroskopie). Die Bilder a) bis c) zeigen die glatte Oberfläche der Zn-Elektrode nach Zyklisierung bei 1,0 mA/cm2 nach 1235 h Zyklen, in verschiedenen Vergrößerungsstufen. Die Oberfläche erscheint noch immer glatt ohne dendritische Formen.
  • 2 dagegen zeigt das Vergleichsbeispiel 2, analog wie Ausführungsbeispiel 1, allerdings ohne Betain-Ligand am Zink-Komplex. Die Teile d) bis f) zeigen die gleichen verschiedenen Vergrößerungsstufen, wie 1. Die Unebenheiten an der Zink-Elektrode sind gut zu erkennen.
  • 3 zeigt die elektrochemischen Eigenschaften der Zink-Graphit-Batterie mit dem entsprechenden Elektrolyten aus Ausführungsbeispiel 1 zwischen 0,25 V und 2,6 V mit einem PVDF-Binder bei 3,0 A/g.
  • 4 zeigt die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Kombination aus dem Zink-Komplex mit Betain, den Anionen, dem Lösungsmittel Acetonitril bei einer Zinkbatterie mit Graphit als Material für die zweite Elektrode. Gezeigt werden die Ladungshaltefähigkeiten (capacity retention) in % abhängig von der Zyklenzahl. Graphit als Elektrodenmaterial zeigt im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Elektrolyt-Lösung kaum übersehbare Vorteile.
  • 5 und 6 zeigen die elektrochemischen Eigenschaften der Zink-Graphit-Batterien aus Ausführungsbeispiel 4 bei 3 A/g, bei dem andere Binder für die Graphit-Elektrode eingesetzt wurden.
To implement the invention, it is also expedient to combine the above-described inventive configurations, embodiments and features of the claims with one another.
  • 1 shows an embodiment (embodiment 1) of the invention using a battery button cell (zinc graphite) using SEM (scanning electron microscopy). Images a) to c) show the smooth surface of the Zn electrode after cycling at 1.0 mA/cm 2 after 1235 h cycles, in different magnification levels. The surface still appears smooth without dendritic shapes.
  • 2 In contrast, comparative example 2 shows analogous to exemplary embodiment 1, but without betaine ligand on the zinc complex. Parts d) to f) show the same different magnification levels as 1 . The unevenness on the zinc electrode can be clearly seen.
  • 3 shows the electrochemical properties of the zinc-graphite battery with the corresponding electrolyte from embodiment 1 between 0.25 V and 2.6 V with a PVDF binder at 3.0 A / g.
  • 4 shows the superiority of the combination according to the invention of the zinc complex with betaine, the anions, the solvent acetonitrile in a zinc battery with graphite as the material for the second electrode. The charge retention capabilities (capacity retention) are shown in % depending on the number of cycles. Graphite as an electrode material shows advantages that can hardly be overlooked in connection with the electrolyte solution according to the invention.
  • 5 and 6 show the electrochemical properties of the zinc-graphite batteries from exemplary embodiment 4 at 3 A/g, in which other binders were used for the graphite electrode.

Tabelle 1 zeigt die Kennwerte der nach Ausführungsbeispiel 1 hergestellten Zn-Graphit-Batterie.Table 1 shows the characteristics of the Zn-graphite battery produced according to embodiment 1.

AusführungsbeispieleExamples of embodiments

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels eingehender erläutert werden, ohne darauf beschränkt zu werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment, without being limited thereto.

Ausführungsbeispiel 1:Example 1:

In Ausführungsbeispiel 1 wurde eine Knopfzelle hergestellt, d.h. eine Graphit-Elektrode mit einer Zink-Elektrode bereitgestellt und eine Elektrolytkonzentration von 0,5 mol/l des Zink-Komplexes aus Zink, Betain und dem Anion NTf2 in Acetonitril eingestellt. Die erreichte Spannung betrug 2,6 V mit mittlerer Entladespannung von 2,4 V. Die Ladungshaltung bei 3 A/g (150C) ist 97% nach 1000 Zyklen und 68% nach 1000 Zyklen. Die Lade-(Entladezeit lag bei ca. 24 Sekunden bei 3 A/g mit einer Energiedichte von 46 Wh/kg bei einer Leistungsdichte von 4485 W/kg, basierend auf der Kathode.In exemplary embodiment 1, a button cell was produced, ie a graphite electrode with a zinc electrode was provided and an electrolyte concentration of 0.5 mol/l of the zinc complex of zinc, betaine and the anion NTf 2 in acetonitrile was set. The voltage achieved was 2.6 V with an average discharge voltage of 2.4 V. The charge retention at 3 A/g (150C) is 97% after 1000 cycles and 68% after 1000 cycles. The charge/discharge time was approximately 24 seconds at 3 A/g with an energy density of 46 Wh/kg at a power density of 4485 W/kg, based on the cathode.

Die Zink-Elektrode bleibt flach und es ist kein dendritisches Wachstum zu beobachten - nach 1235 h. Gezeigt wird dies in 1. 3 zeigt die elektrochemischen Eigenschaften. 4 zeigt unter anderem auch für Graphit als Elektrodenmaterial die Ladungshaltung gegenüber den Lade-/Entladezyklen. Demnach betrug die Ladungshaltung 97% nach 1000 Zyklen und 68% nach 10 000 Zyklen. Die Ladungs-/Entladungszeit lag bei weniger als 24 Sekunden bei 3 A/g mit einer Energiedichte von 46 Wh/kg bei einer Leistungsdichte von 4485 W/kg (Kathodenbasiert).The zinc electrode remains flat and no dendritic growth is observed - after 1235 h. This is shown in 1 . 3 shows the electrochemical properties. 4 shows, among other things, the charge retention compared to the charge/discharge cycles for graphite as an electrode material. Accordingly, the charge retention was 97% after 1000 cycles and 68% after 10,000 cycles. The charge/discharge time was less than 24 seconds at 3 A/g with an energy density of 46 Wh/kg at a power density of 4485 W/kg (cathode based).

Der Elektrolyt wurde hergestellt durch Auflösen von ZnO in [Hbet][NTf2] in einem Verhältnis (in dieser Reihenfolge) von 1:2.The electrolyte was prepared by dissolving ZnO in [Hbet][NTf 2 ] in a ratio (in this order) of 1:2.

Für die Graphit-Elektrode wurde ein PVDF-Binder (Polyvinylidenfluorid) verwendet.A PVDF (polyvinylidene fluoride) binder was used for the graphite electrode.

Es wurde zudem auch die Zeit für das Laden und Entladen untersucht. Der kapazitative Effekt in der Batteriechemie folgt den beiden folgenden Gleichungen: i p = a v b

Figure DE102022116245A1_0001
log(ip) = log(a) + b · log(v) , wobei ip der Peak-Strom des Oxidationspeaks in der CV-Kurve ist; v ist die Scanrate des CV-tests und a und b sind die einstellbaren Parameter. Bei einem b-Wert von nahe 1,0 ist die Redoxreaktion hauptsächlich durch die Kapazität bestimmt. Bei einem Wert nahe 0,5 wäre der Prozess vorrangig durch die Faradaysche lonen-Einlagerung bestimmt. Der b-Wert in diesem Ausführungsbeispiel betrug 0,69, so dass man von einer ultraschnellen Zink-Graphit-Batterie sprechen kann. Die Erfindung eignet sich für Anwendungen, bei denen es auf die Lade-/Entladegeschwindigkeit ankommt.The time for loading and unloading was also examined. The capacitive effect in battery chemistry follows the following two equations: i p = a v b
Figure DE102022116245A1_0001
log(i p ) = log(a) + b · log(v) , where i p is the peak current of the oxidation peak in the CV curve; v is the scan rate of the CV test and a and b are the adjustable parameters. At a b value close to 1.0, the redox reaction is mainly determined by capacity. At a value close to 0.5, the process would be primarily determined by Faraday ion incorporation. The b value in this exemplary embodiment was 0.69, so that one can speak of an ultra-fast zinc-graphite battery. The invention is suitable for applications where charging/discharging speed is important.

Zusammenfassend liefert die Batterie aus Ausführungsbeispiel 1 die in Tabelle 1 zusammengefassten Kennwerte. Tabelle 1: Kennwerte der Zn-Graphit-Batterie aus Ausführungsbeispiel 1: Stabile Entladespannung 2.4 - 2.6 V (vs. Zn/Zn2+) Reversible Ladekapazität 43 mAh/g @ 0.1 A/g (2C) 20 mAh/g @ 3.0 A/g (150C) Ladungshaltung 97 % @ 103 Zyklen 68 % @ 104 Zyklen Coulombsche Effizienz 93 % @ 103 Zyklen 73% @ 104 Zyklen Lade-/Entladedauer 24 sek. @ 3.0 A/g Energiedichte 118 Wh/kg @ 0.1 A/g 46 Wh/kg @ 3.0 A/g Leistungsdichte (Kathode) 157 W/kg @ 0.1 A/g 4485 W/kg @ 3.0 A/g Kosten (Prototyp) 0.30 $ (davon 0.13 $ Batteriegehäuse) Kapazität pro Knopfzelle 1 - 2 mAh In summary, the battery from exemplary embodiment 1 provides the characteristics summarized in Table 1. Table 1: Characteristic values of the Zn-graphite battery from exemplary embodiment 1: Stable discharge voltage 2.4 - 2.6 V (vs. Zn/Zn 2+ ) Reversible loading capacity 43mAh/g @ 0.1A/g (2C) 20mAh/g @ 3.0A/g (150C) Cargo holding 97% @ 103 cycles 68% @ 104 cycles Coulombic efficiency 93% @ 103 cycles 73% @ 104 cycles Charge/discharge time 24 sec. @ 3.0 A/g Energy density 118 Wh/kg @ 0.1 A/g 46 Wh/kg @ 3.0 A/g Power density (cathode) 157 W/kg @ 0.1 A/g 4485 W/kg @ 3.0 A/g Cost (prototype) $0.30 (including $0.13 battery case) Capacity per button cell 1-2mAh

Vergleichsbeispiel 2 ohne Betain:Comparative example 2 without betaine:

Dazu wurde ein Betain-freier Elektrolyt getestet: 0,5 mol/L Zn[NTf2]2 in Acetonitril. Hier war die Zink-Elektrode nach 1235 h Zyklen wesentlich rauer und zeigte eine inhomogenere Morphologie. Dies wurde auch mittels SEM bestätigt.For this purpose, a betaine-free electrolyte was tested: 0.5 mol/L Zn[NTf 2 ] 2 in acetonitrile. Here the zinc electrode was significantly rougher after 1235 h cycles and showed a more inhomogeneous morphology. This was also confirmed using SEM.

Vergleichsbeispiel 3 für verschiedene Elektrodenmaterialien:Comparative example 3 for different electrode materials:

Vergleichsbeispiel 3 zeigt die überraschende Eignung der erfindungsgemäßen Elektrolyt-Lösung mit Betain und Acetonitril für Batterien mit einer Graphit-Elektrode. Die Messung erfolgte bei 3 A/g (150C).Comparative example 3 shows the surprising suitability of the electrolyte solution according to the invention with betaine and acetonitrile for batteries with a graphite electrode. The measurement was carried out at 3 A/g (150C).

Eingesetzt wurde also die Elektrolyt-Lösung, wie in Ausführungsbeispiel 1, in einer ZinkBatterie, wobei das Material der zweiten Elektrode variiert wurde. Graphit zeigte eine nennenswert bessere Ladungshaltung.The electrolyte solution, as in exemplary embodiment 1, was used in a zinc battery, with the material of the second electrode being varied. Graphite showed noticeably better charge retention.

Ausführungsbeispiel 4 für verschiedene Graphit-Elektroden:Example 4 for different graphite electrodes:

Ausführungsbeispiel 4 wurde analog Ausführungsbeispiel 1 durchgeführt. Lediglich für die Graphit-Elektrode wurden andere Binder eingesetzt, nämlich Carboxymethylzellulose oder auch das Alginsäure-Natriumsalz. Die elektrochemischen Eigenschaften sind in 5 (für Carboxymethylzellulose) und 6 (für Alginsäure-Natriumsalz) gezeigt.Example 4 was carried out analogously to Example 1. Other binders were only used for the graphite electrode, namely carboxymethyl cellulose or the alginic acid sodium salt. The electrochemical properties are in 5 (for carboxymethylcellulose) and 6 (for alginic acid sodium salt).

Zur Synthese des Zink-Komplexes, enthaltend Zink, den Liganden Betain und das Anion NTf2 - For the synthesis of the zinc complex, containing zinc, the ligand betaine and the anion NTf 2 -

Dieser Komplex wird durch die Formel [Zn(bet)2][NTf2]2 beschrieben.This complex is described by the formula [Zn(bet) 2 ][NTf 2 ] 2 .

0,1 Mol [Hbet]CI und eine Lösung, die 0,1 Mol Li[NTf2] entspricht, wurden in 250 ml deionisiertem Wasser gelöst und 1 h lang gerührt. Anschließend wurde das ausgefallene [Hbet][NTf2] mit einem Ausgabetrichter abgetrennt und fünfmal mit Eiswasser gewaschen, bis der Nachweis mit Silbernitratlösung die Abwesenheit von Cl--Ionen anzeigte. Anschließend wurde [Hbet][NTf2] im dynamischen Vakuum bei 130 °C über Nacht mit einer Schlenk-Linie getrocknet. Die Synthese des Komplexes (abgekürzt mit ZbN) erfolgte durch Rühren von ZnO und [Hbet][NTf2] (abgekürzt mit IL, für ionische Flüssigkeit) im molaren Verhältnis n(ZnO) : n(IL) = 1 : 2 und Erhitzen auf 175 °C in einem luftdurchlässigen Kolben für 12 Stunden und danach Trocknen im dynamischen Vakuum bei 175 °C für 12 Stunden unter Verwendung einer Schlenk-Apparatur. Anschließend wurde der Feststoff bei 175 °C, schnell auf Wiegepapier gegossen und zur Verwendung auf Raumtemperatur abgekühlt.0.1 mol of [Hbet]Cl and a solution corresponding to 0.1 mol of Li[NTf 2 ] were dissolved in 250 mL of deionized water and stirred for 1 h. The precipitated [Hbet][NTf 2 ] was then separated using a dispensing funnel and washed five times with ice water until detection with silver nitrate solution indicated the absence of Cl- ions. Subsequently, [Hbet][NTf 2 ] was dried in a dynamic vacuum at 130 °C overnight using a Schlenk line. The synthesis of the complex (abbreviated ZbN) was carried out by stirring ZnO and [Hbet][NTf 2 ] (abbreviated IL, for ionic liquid) in the molar ratio n(ZnO): n(IL) = 1: 2 and heating 175 °C in an air-permeable flask for 12 hours and then drying in a dynamic vacuum at 175 °C for 12 hours using a Schlenk apparatus. The solid was then quickly poured onto weighing paper at 175 °C and cooled to room temperature for use.

Die Löslichkeit des Komplexes (abgekürzt mit ZbN) in Acetonitril (abgekürzt mit AN), Aceton, Dimethylformamid, Methanol, Propylencarbonat, Sulfolan, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat, H2O, Ethanol, n-Butanol und Ethylenglykol Glykol wurde in einer Konzentration von 0,5 mol/L getestet. Darüber hinaus wurden die erfindungsgemäße Mischung ZbN/AN hergestellt durch Auflösen von ZbN in AN und 5-stündiges Rühren, um Lösungen mit Konzentrationen von 1,0, 2,0, 3,0, 4,0, 4,5 und 5,0 moVL zu erhalten.The solubility of the complex (abbreviated as ZbN) in acetonitrile (abbreviated as AN), acetone, dimethylformamide, methanol, propylene carbonate, sulfolane, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, H2O , ethanol, n-butanol and ethylene glycol glycol was determined at a concentration of 0.5 mol/L tested. In addition, the ZbN/AN mixture according to the invention were prepared by dissolving ZbN in AN and stirring for 5 hours to obtain solutions with concentrations of 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 4.5 and 5.0 to obtain moVL.

Elektrochemische MessungenElectrochemical measurements

Die lineare Sweep-Voltammetrie (LSV) und das zyklische Voltammogramm (CV), die operative optische Charakterisierung, Leerlaufspannung (OCV) und elektrochemisches Impedanzspektrum (EIS) von Batterien wurden auf einem VMP-3 Modell von Biologic SAS durchgeführt, das von der EC-LAB Elektrochemie Software gesteuert. Das EIS wurde im Frequenzbereich von 100 mHz bis 1 MHz bei einer Störspannung Spannung von 10 mV. Alle Batterien wurden vor dem Zyklenstabilitätstest 12 Stunden lang ruhen gelassen. Die Zyklenstabilität der Batterien wurde mit dem NEWARE BTS4000-5 V 10 mA Battery Testing System (XIAMEN AOT ELECTRONICS TECHNOLOGY CO., LTD) bei Raumtemperatur geprüft. Alle Proben wurden gewaschen mit AN und Ethanol gewaschen, dann an der Luft getrocknet und vor der weiteren Charakterisierung in einer Argon-Glovebox gelagert. Für zyklischen Zinkelektroden wurde zusätzlich zu dem oben genannten Reinigungsschritt 10-15 Minuten lang Ultraschall in Ethanol um so viel wie möglich von GF zu entfernen. Das elektrochemische Stabilitätsfenster des ZbN/AN-Elektrolyten wurde mittels LSV über den ersten Zyklus abgeschätzt. Zinkfolie, gestanzt und gepresst zu Scheiben von 12 mm Durchmesser, wurde in der Glovebox in CR2032 ZnllSS Knopfzellenbatterien (Manual Coin Cell Crimper AOT-HCM-20, Verkapselungsdruck Druck ca. 50 kg/cm2) mit GF-Separator in einem Potentialfenster von 1 V bis ca. 5,5 V (vs. Zn/Zn2+) mit einer Sweep-Rate von 2 mV-s-1. Zn||SS und symmetrische Zn||Zn Knopfzellenbatterien mit ZbN/AN-Elektrolyten und mittlerem Celgard 2400 und beidseitigem GF-Separator wurden ebenfalls montiert, um CE und Zyklenstabilität zu testen. Die Zn||SS-Zellen wurden bei 0,2 mA/cm2 für den Entladevorgang und einem Cut-off-Potential von 0,5 V bzw. 1,0 V bei 0,2 mA/cm2 für den Ladeprozess.Linear sweep voltammetry (LSV) and cyclic voltammogram (CV), operational optical characterization, open-circuit voltage (OCV) and electrochemical impedance spectrum (EIS) of batteries were performed on a Biologic SAS VMP-3 model operated by the EC- LAB electrochemistry software controlled. The EIS was performed in the frequency range from 100 mHz to 1 MHz at a noise voltage of 10 mV. All batteries were allowed to rest for 12 hours prior to cycling stability testing. The cycling stability of the batteries was tested using the NEWARE BTS4000-5 V 10 mA Battery Testing System (XIAMEN AOT ELECTRONICS TECHNOLOGY CO., LTD) at room temperature. All samples were washed with AN and ethanol, then air dried and stored in an argon glovebox before further characterization. For cyclic zinc electrodes, in addition to the cleaning step mentioned above, ultrasound was performed in ethanol for 10-15 minutes to remove as much of GF as possible. The electrochemical stability window of the ZbN/AN electrolyte was estimated using LSV over the first cycle. Zinc foil, punched and pressed into disks with a diameter of 12 mm, was placed in the glove box in CR2032 ZnllSS button cell batteries (Manual Coin Cell Crimper AOT-HCM-20, encapsulation pressure approx. 50 kg/cm 2 ) with GF separator in a potential window of 1 V to approx. 5.5 V (vs. Zn/Zn2+) with a sweep rate of 2 mV-s-1. Zn||SS and balanced Zn||Zn button cell batteries with ZbN/AN electrolyte and medium Celgard 2400 and double-sided GF separator were also assembled to test CE and cycling stability. The Zn||SS cells were charged at 0.2 mA/cm 2 for the discharging process and a cut-off potential of 0.5 V or 1.0 V at 0.2 mA/cm 2 for the charging process.

Für die Herstellung von Graphitkathoden für Zink-Graphit-Batterien:For the production of graphite cathodes for zinc-graphite batteries:

Es wurde Graphitpulver mit PVDF-Bindemittel in einem Gewichtsverhältnis von 180 mg : 20 mg unter Verwendung von N-Methyl-2-Pyrrolidon (1-2 ml) als Lösungsmittel vermengt. Die so entstandene Aufschlämmung wurde dann auf eine Stromabnehmerfolie aus rostfreiem Stahl (12 mm Durchmesser) gegossen. Die Graphitelektroden wurden zunächst 3 Stunden lang bei 80 °C auf einem Heiztisch und anschließend über Nacht bei 90 °C in einem Ofen über Nacht. Die Graphitbeladung der Elektroden wurde in einem Bereich zwischen 1,12 und 7,88 mg/cm2. Ähnlich wie bei der oben beschriebenen Methode wurden Carboxymethylcellulose und Alginsäure-Natriumsalz als Bindemittel verwendet. Salzbindemittel, beide mit deionisiertem Wasser als Lösungsmittel, wurden zwei separate Graphitkathoden hergestellt mit einer Graphitladung von 1,19-2,47 mg/cm2 bzw. 1,27-2,15 mg/cm2 hergestellt. Die vorbereiteten Graphitelektroden und Zinkscheiben wurden zu Knopfzellen zusammengebaut, wobei ein doppellagiger GF Separator und optimalem 0,5 M ZbN/AN zusammengebaut, um ihre Zyklus- und Ratenleistung zwischen 0,25-2,6 V bzw. 0,25-2,65 V zu testen. Die spezifische Kapazität und die Stromdichte beziehen sich auf aktiven Graphit. Zn||Graphit-Batterien wurden zunächst mit 0,1 A/g1 für drei Zyklen aktiviert, bevor sie mit anderen Strömen zyklisiert wurden. Für den Test der ersten vollständig geladenen/entladenen Graphitelektroden wurde direkt mit 0,05 A/g zyklisiert.Graphite powder was mixed with PVDF binder in a weight ratio of 180 mg:20 mg using N-methyl-2-pyrrolidone (1-2 ml) as a solvent. The resulting slurry was then poured onto a stainless steel current collector sheet (12 mm diameter). The graphite electrodes were first placed on a hot table at 80 °C for 3 hours and then in an oven at 90 °C overnight. The graphite loading of the electrodes was in a range between 1.12 and 7.88 mg/cm 2 . Similar to the method described above, carboxymethyl cellulose and alginic acid sodium salt were used as binders. Salt binders, both with deionized water as solvent, two separate graphite cathodes were prepared with a graphite charge of 1.19-2.47 mg/cm 2 and 1.27-2.15 mg/cm 2 respectively. The prepared graphite electrodes and zinc disks were assembled into button cells using a double-layer GF separator and optimal 0.5 M ZbN/AN to ensure their cycle and rate performance between 0.25-2.6 V and 0.25-2.65, respectively V to test. The specific capacity and current density refer to active graphite. Zn||graphite batteries were initially activated at 0.1 A/g 1 for three cycles before cycling with other currents. To test the first fully charged/discharged graphite electrodes, cycling was carried out directly at 0.05 A/g.

Zitierte Nichtpatentliteratur:Non-patent literature cited:

  • Chen, P.; Richter, J.; Wang, G.; Li, D.; Pietsch, T.; Ruck, M. lonometallurgical Step-Electrodeposition of Zinc and Lead and its Application in a Cycling-Stable High-Voltage Zinc-Graphite Battery, Small 2021, 17, 2102058.Chen, P.; Richter, J.; Wang, G.; Li, D.; Pietsch, T.; Ruck, M. Ionometallurgical Step-Electrodeposition of Zinc and Lead and its Application in a Cycling-Stable High-Voltage Zinc-Graphite Battery, Small 2021, 17, 2102058.
  • Dong, Y.; Miao, L.; Ma, G.; Di, S.; Wang, Y.; Wang, L.; Xu, J.; Zhang, N. Non-concentrated aqueous electrolytes with organic solvent additives for stable zinc batteries, Chem. Sci. 2021, doi: 10.1039/d0sc06734b.Dong, Y.; Miao, L.; Like.; Di, S.; Wang, Y.; Wang, L.; Xu, J.; Zhang, N. Non-concentrated aqueous electrolytes with organic solvent additives for stable zinc batteries, Chem. Sci. 2021, doi: 10.1039/d0sc06734b.
  • Chen, P.; Wang, X.; Li, D.; Pietsch, T.; Ruck, M. A Kinetically superior rechargeable zinc-air battery derived from efficient electroseparation of zinc, lead and copper in concentrated solutions, ChemSusChem 2022, e202200039.Chen, P.; Wang, X.; Li, D.; Pietsch, T.; Ruck, M. A Kinetically superior rechargeable zinc-air battery derived from efficient electroseparation of zinc, lead and copper in concentrated solutions, ChemSusChem 2022, e202200039.

Claims (12)

Verwendung einer Elektrolyt-Lösung für Batterien oder Kondensatoren, umfassend einen • Zink-Komplex, enthalten Zink, den Liganden Betain und ein Anion, ausgewählt aus NTf2, OTf, CI und Br, und • das Lösungsmittel Acetonitril, wobei die Batterie und der Kondensator eine Graphit-Elektrode enthalten.Use of an electrolyte solution for batteries or capacitors, comprising a • zinc complex, containing zinc, the ligand betaine and an anion selected from NTf 2 , OTf, CI and Br, and • the solvent acetonitrile, the battery and the capacitor contain a graphite electrode. Verwendung nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode eine Zink-Elektrode ist, so dass die Batterie eine Zink-Graphit-Batterie und der Kondensator ein Zink-Graphit-Kondensator ist.Use after Claim 1 , wherein the second electrode is a zinc electrode, so that the battery is a zinc-graphite battery and the capacitor is a zinc-graphite capacitor. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Elektrolyt-Lösung auch ein Metallsalz umfasst, ausgewählt aus LiPF6, MnSO4, Na2SO4, Zn[NTf2]2.Use after one of the Claims 1 or 2 , wherein the electrolyte solution also comprises a metal salt selected from LiPF 6 , MnSO 4 , Na 2 SO 4 , Zn[NTf 2 ] 2 . Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Elektrolyt-Lösung als Lösungsmittel eine Mischung des Acetonitrils mit einem weiteren Lösungsmittel, ausgewählt aus Aceton, Sulfolanen, Methanol, Dimethylformamid und Propylencarbonat, umfasst.Use after one of the Claims 1 until 3 , wherein the electrolyte solution comprises as a solvent a mixture of acetonitrile with a further solvent selected from acetone, sulfolanes, methanol, dimethylformamide and propylene carbonate. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Konzentration des Zink-Komplexes in der Elektrolyt-Lösung 0,3-1 mol/L ist.Use after one of the Claims 1 until 4 , where the concentration of the zinc complex in the electrolyte solution is 0.3-1 mol/L. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Zink-Komplex Zink, den Liganden Betain und das Anion NTf2 enthält.Use after one of the Claims 1 until 5 , where the zinc complex contains zinc, the ligand betaine and the anion NTf 2 . Verfahren zur Herstellung einer Batterie oder eines Kondensators, mit den Schritten: a) Bereitstellen einer Graphit-Elektrode in einem Gehäuse b) Einbringen einer Elektrolyt-Lösung, umfassend einen • Zink-Komplex, enthaltend Zink, Betain und ein Anion, ausgewählt aus NTf2, OTf, CI und Br, und • das Lösungsmittel Acetonitril, in das Gehäuse.Method for producing a battery or a capacitor, comprising the steps: a) Providing a graphite electrode in a housing b) introducing an electrolyte solution comprising a • zinc complex containing zinc, betaine and an anion selected from NTf 2 , OTf, CI and Br, and • the solvent acetonitrile into the housing. Verfahren nach Anspruch 7, wobei in Schritt a) eine zweite Elektrode bereitgestellt wird, welche eine Zink-Elektrode ist, so dass die Batterie eine Zink-Graphit-Batterie und der Kondensator ein Zink-Graphit-Kondensator ist.Procedure according to Claim 7 , wherein in step a) a second electrode is provided, which is a zinc electrode, so that the battery is a zinc-graphite battery and the capacitor is a zinc-graphite capacitor. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Konzentration des Zink-Komplexes in der Elektrolyt-Lösung in Schritt b) 0,3-1 mol/L ist.Procedure according to one of the Claims 7 or 8th , where the concentration of the zinc complex in the electrolyte solution in step b) is 0.3-1 mol/L. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei Schritt b) vor dem Einbringen in das Gehäuse die Herstellung des Zink-Komplexes aus Zinkoxid ZnO und [Hbet][NTf2] und/oder [Hbet][OTf] und/oder [Hbet]CI und/oder [Hbet]Br umfasst.Procedure according to one of the Claims 7 until 9 , wherein step b) before introduction into the housing involves the production of the zinc complex from zinc oxide ZnO and [Hbet][NTf 2 ] and/or [Hbet][OTf] and/or [Hbet]CI and/or [Hbet] Br includes. Verfahren nach Anspruch 10, wobei Schritt b) vor dem Einbringen in das Gehäuse die Herstellung des Zink-Komplexes aus Zinkoxid ZnO, Betain und einer Säure, ausgewählt aus HNTf2, HOTf, HCl und HBr, umfasst.Procedure according to Claim 10 , wherein step b) comprises, before introduction into the housing, the production of the zinc complex from zinc oxide ZnO, betaine and an acid selected from HNTf 2 , HOTf, HCl and HBr. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei der Zink-Komplex Zink, den Liganden Betain und das Anion NTf2 enthält.Procedure according to one of the Claims 7 until 11 , where the zinc complex contains zinc, the ligand betaine and the anion NTf 2 .
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