DE102023113688A1 - Solid state battery and vehicle - Google Patents
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Abstract
Festkörperbatterie (1) umfassend eine Kathode (2), eine Anode (4) und einen Elektrolyten (6), wobei die Kathode (2) wenigstens eine organische elektroaktive Verbindung umfasst. Die organische elektroaktive Verbindung ist ein Chinon umfassend eine elektronenziehende Gruppe. Die Festkörperbatterie kann in einer Energiespeichervorrichtung (4) eines Fahrzeugs (11) verwendet werden.Solid-state battery (1) comprising a cathode (2), an anode (4) and an electrolyte (6), the cathode (2) comprising at least one organic electroactive compound. The organic electroactive compound is a quinone comprising an electron-withdrawing group. The solid-state battery can be used in an energy storage device (4) of a vehicle (11).
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL FIELD
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen eine Festkörperbatterie. Die vorliegende Offenbarung betrifft ferner im Allgemeinen ein Fahrzeug umfassend eine Festkörperbatterie.The present disclosure generally relates to a solid-state battery. The present disclosure further relates generally to a vehicle including a solid-state battery.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Die Elektrifizierung von Fahrzeugen führte zu starkem Fokus auf die Entwicklung verbesserter Energiespeichervorrichtungen zur Energieversorgung von Antriebseinheiten von Fahrzeugen. Diese Energiespeichervorrichtungen benötigen viele Batteriezellen, um die gewünschte Kapazität zu erreichen. Eine Energiespeichervorrichtung, die für die Stromversorgung eines Fahrzeugs verwendet wird, kann ein oder mehrere Batteriepacks umfassen. Umfasst die Energiespeichervorrichtung eine Vielzahl von Batteriepacks, können diese in Reihe und/oder parallel geschaltet sein. Jeder Batteriepack kann in der Regel eine Vielzahl von in Reihe und/oder parallel geschalteten Batteriemodulen umfassen. Ein Batteriemodul umfasst in der Regel mehrere in Reihe und/oder parallel geschaltete Batteriezellen, die teilweise oder vollständig von einer mechanischen Struktur umschlossen sind.The electrification of vehicles has led to strong focus on developing improved energy storage devices to power vehicle powertrains. These energy storage devices require many battery cells to achieve the desired capacity. An energy storage device used to power a vehicle may include one or more battery packs. If the energy storage device comprises a large number of battery packs, these can be connected in series and/or parallel. Each battery pack can generally include a large number of battery modules connected in series and/or parallel. A battery module usually includes several battery cells connected in series and/or parallel, which are partially or completely enclosed by a mechanical structure.
Die heutzutage am häufigsten verwendeten Batteriezellen für Energiespeichervorrichtungen von Fahrzeugen sind Lithium-Ionen-Batteriezellen. Diese Lithium-Ionen-Batteriezellen umfassen eine Anode, eine Kathode, einen flüssigen Elektrolyten und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Separator. Der Separator ist derart konfiguriert, dass er den Elektrolyten enthält und einen Kurzschluss zwischen der Anode und der Kathode verhindert. Der in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batteriezellen verwendete Elektrolyt basiert in der Regel auf Ethylencarbonat und ist eine entflammbare Flüssigkeit. Diese kann eine Brandgefahr darstellen, zum Beispiel im Falle eines Kurzschlusses. Aus diesem Grund müssen in der Regel verschiedene Sicherheitskomponenten und/oder -mechanismen in diese Energiespeichervorrichtungen (sowie in jede Batteriezelle) eingebaut sein, beispielsweise Stromunterbrechungsvorrichtungen verschiedener Art.The most commonly used battery cells for vehicle energy storage devices today are lithium-ion battery cells. These lithium-ion battery cells include an anode, a cathode, a liquid electrolyte, and a separator disposed between the anode and the cathode. The separator is configured to contain the electrolyte and prevent a short circuit between the anode and the cathode. The electrolyte used in traditional lithium-ion battery cells is typically ethylene carbonate-based and is a flammable liquid. This can pose a fire hazard, for example in the event of a short circuit. For this reason, various safety components and/or mechanisms typically need to be incorporated into these energy storage devices (as well as into each battery cell), such as power interruption devices of various types.
Die Bemühungen um eine Verringerung der Brandgefahr in Fahrzeugen haben zu einem zunehmenden Interesse an der Entwicklung von Festkörperbatterien geführt. Efforts to reduce the risk of fire in vehicles have led to increasing interest in the development of solid-state batteries.
Festkörperbatterien enthalten keinen entflammbaren flüssigen Elektrolyten, sondern verwenden stattdessen einen im Wesentlichen nicht brennbaren Festkörperelektrolyten. Festkörperbatterien stellen somit eine sicherere Option dar. Durch die Verwendung eines Festkörperelektrolyten kann ferner die Gefahr von thermischem Durchgehen verringert werden, was eine dichtere Packung der Zellen ermöglicht. Dies wäre in der Automobilindustrie angesichts des begrenzten Platzangebots in Fahrzeugen ein erheblicher Vorteil. Ein weiterer Vorteil von Festkörperbatterien besteht darin, dass sie beispielsweise die Verwendung von Lithiummetall-Anoden und damit eine höhere Energiedichte ermöglichen.Solid-state batteries do not contain a flammable liquid electrolyte, but instead use a substantially non-flammable solid-state electrolyte. Solid-state batteries therefore represent a safer option. By using a solid-state electrolyte, the risk of thermal runaway can also be reduced, allowing for denser cell packing. This would be a significant advantage in the automotive industry given the limited space available in vehicles. Another advantage of solid-state batteries is that they enable the use of lithium metal anodes, for example, and thus a higher energy density.
Festkörperbatterien umfassen heutzutage in der Regel ein anorganisches Kathodenmaterial. Herkömmliche anorganische Kathodenmaterialien müssen gefördert und bei hohen Temperaturen raffiniert werden und sind daher mit einer erheblichen Umweltbelastung verbunden. Ferner können sie einen erheblichen Teil der Gesamtkosten der Batterie ausmachen. Beispielsweise entfallen bei NMC-Kathoden in der Regel etwa 30 % der Gesamtkosten der Batterie auf die Kathode. Darüber hinaus können herkömmliche anorganische Kathodenmaterialien eine relativ niedrige Belastungsfähigkeit („rate capability“) aufweisen, was wiederum die nutzbaren Laderaten begrenzt. Eine höhere Laderate ist vor allem bei schweren Nutzfahrzeugen von Vorteil, deren ladebedingte Ausfallzeiten für den Spediteur teuer werden können.Nowadays, solid-state batteries typically include an inorganic cathode material. Traditional inorganic cathode materials must be mined and refined at high temperatures and therefore have a significant environmental impact. Furthermore, they can make up a significant portion of the overall cost of the battery. For example, with NMC cathodes, the cathode typically accounts for about 30% of the total cost of the battery. In addition, traditional inorganic cathode materials can have relatively low rate capability, which in turn limits usable charging rates. A higher charging rate is particularly advantageous for heavy commercial vehicles, where downtime due to charging can be expensive for the freight forwarder.
Um die Kosten zu senken und die Umweltbelastung zu reduzieren, wurde angeregt, organische Materialien in Elektroden von Festkörperbatterien zu verwenden. So wurde zum Beispiel Pyren-4,5,9,10-tetraon (PTO) als Kathodenmaterial einer Festkörperbatterie vorgeschlagen. Organische Batteriematerialien sind für ihre schnellen Redoxprozesse bekannt und daher auch unter dem Gesichtspunkt interessant, dass sie die Möglichkeit von Batterien mit hohen Belastungsfähigkeiten eröffnen. Die bisher bekannten organischen Materialien für Festkörperbatterien haben jedoch den Nachteil, dass sie eine recht niedrige Zellspannung aufweisen (etwa 2 V im Falle von PTO) und daher vermutlich nicht für den Einsatz in Energiespeichervorrichtungen von Schwerfahrzeugen geeignet sind.To reduce costs and reduce environmental impact, it has been suggested to use organic materials in electrodes of solid-state batteries. For example, pyrene-4,5,9,10-tetraone (PTO) has been proposed as the cathode material of a solid-state battery. Organic battery materials are known for their fast redox processes and are therefore also interesting from the point of view of opening up the possibility of batteries with high load capabilities. However, the previously known organic materials for solid-state batteries have the disadvantage that they have a quite low cell voltage (about 2 V in the case of PTO) and are therefore probably not suitable for use in energy storage devices of heavy vehicles.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Festkörperbatterie bereitzustellen, die das Potenzial hat, herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien (umfassend einen flüssigen Elektrolyten) in Fahrzeugen zu ersetzen, um die Fahrzeugsicherheit zu erhöhen.The object of the present invention is to provide an improved solid-state battery that has the potential to replace conventional lithium-ion batteries (comprising a liquid electrolyte) in vehicles to increase vehicle safety.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des (der) beigefügten unabhängigen Anspruchs (Ansprüche) gelöst.The task is solved by the subject matter of the attached independent claim(s).
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird eine Festkörperbatterie bereitgestellt. Die Festkörperbatterie umfasst eine Kathode, eine Anode und einen Elektrolyten. Die Kathode umfasst wenigstens eine organische elektroaktive Verbindung der nachstehend angegebenen Formel I oder Formel II.
R1 bis R6 sind jeweils unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, F, CI, Br, I, C1-C3-Alkyl, OH, SH, CN, O(C1-3-Alkyl), S(C1-C3-Alkyl), SO2H, SO3H, SO2NH2, NH2, NH(C1-C3-Alkyl), N(C1-C3-Alkyl)2, COH, CO2H, CO2(C1-C3-Alkyl), CONH2, NHCOH, NHCO-C1-3-Alkyl, OCONH-C=CH, CH=CH2 und Ph.R1 to R6 are each independently selected from the group consisting of H, F, CI, Br, I, C 1 -C 3 alkyl, OH, SH, CN, O(C 1-3 alkyl), S(C 1 -C 3 -alkyl), SO 2 H, SO 3 H, SO 2 NH 2 , NH 2 , NH(C 1 -C 3 -alkyl), N(C 1 -C 3 -alkyl) 2 , COH, CO 2 H, CO 2 (C 1 -C 3 alkyl), CONH 2 , NHCOH, NHCO-C 1-3 alkyl, OCONH-C=CH, CH=CH 2 and Ph.
L ist entweder eine direkte Bindung oder ein kovalenter Linkeranteil mit einer Struktur - (CH2)s-G1-(CH2)t-G2- oder -G2-(CH2)t-G1-(CH2)s-, wobei s zwischen 0 und 6 ist und t zwischen 0 und 6 ist.L is either a direct bond or a covalent linker moiety with a structure - (CH 2 ) s -G 1 -(CH 2 ) t -G 2 - or -G 2 -(CH 2 ) t -G 1 -(CH 2 ) s - where s is between 0 and 6 and t is between 0 and 6.
G1 und G2 sind jeweils unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer direkten Bindung, O, S, SO2, SO3, O3S, SO2NH, NHSO2, NH, N(C1-C6-Alkyl), C(O), CO2, O2C, C(O)NH, NHC(O), OC(O)O, NHC(O)NH, NHC(O)O, OC(O)NH, C=C, CH=CH, Ph und Hy.G 1 and G 2 are each independently selected from the group consisting of a direct bond, O, S, SO 2 , SO 3 , O 3 S, SO 2 NH, NHSO 2 , NH, N(C 1 -C 6 - alkyl), C(O), CO 2 , O 2 C, C(O)NH, NHC(O), OC(O)O, NHC(O)NH, NHC(O)O, OC(O)NH, C=C, CH=CH, Ph and Hy.
Darüber hinaus ist R7 eine Polymerkette oder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Terephthalat-, Naphthochinon-, Anthrachinon-, Catechin-, Chinon-, Chinizarin-, Naphthazarin-, Indigo-, TEMPO-, Galvinoxyl-, Phenol-, Naphthalindiimid-, Pyrendiimid-, Perylendimid- und Dibenzothiophensulfon-Gruppen oder substituierten Derivaten davon.In addition, R7 is a polymer chain or selected from the group consisting of terephthalate, naphthoquinone, anthraquinone, catechol, quinone, quinizarin, naphthazarin, indigo, TEMPO, galvinoxyl, phenol, naphthalene diimide, pyrenediimide -, perylenedimide and dibenzothiophenesulfone groups or substituted derivatives thereof.
Die Tatsache, dass die Kathode der offenbarungsgemäßen Festkörperbatterie wenigstens eine organische elektroaktive Verbindung der Formel I oder der Formel II umfasst, die chinoid ist, führt zu einer Erhöhung der möglichen Zellspannung. Dies ist auf die kovalent gebundenen Sauerstoffgruppen am ersten Ring zurückzuführen, die als elektronenziehende Gruppe wirken, was dazu führt, dass sich das Potenzial der Hydrochinongruppe nach oben verschiebt. Das Vorhandensein dieser dem Hauptchinonring hinzugefügten elektronenziehenden Gruppen ermöglicht somit eine Erhöhung des Potenzials der Redoxreaktion um etwa 0,5 V im Vergleich zu einem nicht substituierten Ring bzw. eine Erhöhung um etwa 1 V gegenüber Ringen mit elektronenabgebenden Gruppen, z. B. im Fall von Pyren-4,5,9,10-tetraon (PTO).The fact that the cathode of the solid-state battery according to the disclosure comprises at least one organic electroactive compound of the formula I or the formula II, which is quinoid, leads to an increase in the possible cell voltage. This is due to the covalently bonded oxygen groups on the first ring, which act as an electron-withdrawing group, causing the potential of the hydroquinone group to shift upward. The presence of these electron-withdrawing groups added to the main quinone ring thus allows an increase in the potential of the redox reaction by about 0.5 V compared to an unsubstituted ring or an increase of about 1 V compared to rings with electron-donating groups, e.g. B. in the case of pyrene-4,5,9,10-tetraone (PTO).
Organische Moleküle können durch Additionsreaktionen an Positionen in den Molekülen, die zu einer geringeren Stabilität führen, leicht zerfallen. Die wenigstens eine organische elektroaktive Verbindung der Formel I oder der Formel II weist jedoch eine sehr hohe Stabilität auf. Dies ist auf die Besetzung aller Positionen an den Chinonringen zurückzuführen, was die Möglichkeit von Additionsreaktionen stark einschränkt.Organic molecules can easily break down through addition reactions at positions in the molecules that result in less stability. However, the at least one organic electroactive compound of the formula I or the formula II has a very high stability. This is due to the occupation of all positions on the quinone rings, which severely limits the possibility of addition reactions.
Darüber hinaus weist die wenigstens eine organische elektroaktive Verbindung der Formel I oder der Formel II eine ausgezeichnete Belastungsfähigkeit auf.In addition, the at least one organic electroactive compound of formula I or formula II has excellent load capacity.
Die Kathode kann ferner wenigstens ein Bindemittel umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyethylenoxid, Poly(3,4-ethylendioxythiophen), Polystyrolsulfonat, Polyacrylate, Polyvinylpyrrolidon und Carboxymethylcellulose. Dies führt dazu, dass die wenigstens eine organische elektroaktive Verbindung ausreichend in der Kathode gebunden ist. Darüber hinaus kann dies die Herstellung der Kathode vereinfachen und auch ihre mechanische Stabilität verbessern.The cathode may further comprise at least one binder selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, poly(3,4-ethylenedioxythiophene), polystyrene sulfonate, polyacrylates, polyvinylpyrrolidone and carboxymethylcellulose. This results in the at least one organic electroactive compound being sufficiently bound in the cathode. In addition, this can simplify the production of the cathode and also improve its mechanical stability.
Die Kathode kann ferner wenigstens ein leitfähiges Additiv umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ruß, Graphitpulver, Graphen, Kohlenstoff-Nanostäbchen und Kohlenstoff-Nanoröhren. Sind ein oder mehrere leitfähige Additive vorhanden, kann sich die elektrische Leitfähigkeit in der Kathode verbessern.The cathode may further comprise at least one conductive additive selected from the group consisting of carbon black, graphite powder, graphene, carbon nanorods and carbon nanotubes. If one or more conductive additives are present, the electrical conductivity in the cathode can be improved.
Die wenigstens eine organische elektroaktive Verbindung der Formel I oder der Formel II kann in einer Menge vorhanden sein, die wenigstens 30 Gew.-% der Kathode entspricht. Zweckmäßig kann die wenigstens eine organische elektroaktive Verbindung der Formel I oder der Formel II in einer Menge vorhanden sein, die wenigstens 50 Gew.-% der Kathode entspricht. Dies gewährleistet eine hohe Kapazität der Kathode, und die Kathodenkapazität erhöht sich mit zunehmender Menge der wenigstens einen organischen elektroaktiven Verbindung.The at least one organic electroactive compound of formula I or formula II can be present in an amount corresponding to at least 30% by weight of the cathode. The at least one organic electroactive compound of the formula I or the formula II can expediently be present in an amount which corresponds to at least 50% by weight of the cathode. This ensures a high capacity of the cathode, and the cathode capacity increases as the amount of the at least one organic electroactive compound increases.
Die Anode kann Lithiummetall, Natriummetall oder eine Legierung auf Basis von Lithium und/oder Natrium umfassen. Daraus ergibt sich eine hohe Energiedichte der Festkörperbatterie. Die Anode weist in diesem Fall eine höhere Kapazität auf als beispielsweise eine herkömmliche Graphitanode.The anode may comprise lithium metal, sodium metal or an alloy based on lithium and/or sodium. This results in a high energy density of the solid-state battery. In this case, the anode has a higher capacity than, for example, a conventional graphite anode.
Gemäß einer Alternative kann der Elektrolyt ein anorganischer Festkörperelektrolyt sein. Der anorganische Elektrolyt kann eine ionenleitende Verbindung umfassen, ausgewählt aus einem lithium- und/oder natriumhaltigen Oxid und/oder einem lithium- und/oder natriumhaltigen Sulfid. Ein anorganischer Festkörperelektrolyt bietet den Vorteil einer hohen lonenleitfähigkeit, eines hohen Young-Moduls und einer hohen Temperaturbeständigkeit. Ein anorganischer Festkörperelektrolyt kann jedoch mitunter eine relativ geringe Stabilität gegenüber Elektroden aufweisen, was in einigen Fällen zu einem relativ hohen Grenzflächenwiderstand führen kann.According to an alternative, the electrolyte may be an inorganic solid electrolyte. The inorganic electrolyte may comprise an ion-conducting compound selected from a lithium- and/or sodium-containing oxide and/or a lithium- and/or sodium-containing sulfide. An inorganic solid electrolyte offers the advantage of high ionic conductivity, a high Young's modulus and high temperature resistance. However, an inorganic solid electrolyte can sometimes have relatively low stability with respect to electrodes, which in some cases can lead to a relatively high interfacial resistance.
Gemäß einer weiteren Alternative kann der Elektrolyt ein fester Polymerelektrolyt sein. Der feste Polymerelektrolyt kann Poly(ethylenoxid), Poly(propylenoxid), Poly(acrylnitril), Poly(methylmethacrylat), Poly(vinylchlorid), Poly(vinylidenfluorid) und/oder Poly(vinylidenfluorid-hexafluorpropylen) umfassen. Ein fester Polymerelektrolyt bietet gegenüber einem anorganischen Festkörperelektrolyten den Vorteil eines vereinfachten Herstellungsprozesses, da er einfacher verarbeitet werden kann. Darüber hinaus weist ein fester Polymerelektrolyt eine höhere Elastizität (und Plastizität) auf als ein anorganischer Festkörperelektrolyt, wodurch die Gefahr einer geringen Stabilität an der Grenzfläche zu den Elektroden minimiert wird. Ein fester Polymerelektrolyt weist allerdings im Allgemeinen eine geringere lonenleitfähigkeit auf als ein anorganischer Festkörperelektrolyt, und die Belastungsfähigkeit ist im Allgemeinen ebenfalls geringer.According to a further alternative, the electrolyte can be a solid polymer electrolyte. The solid polymer electrolyte may include poly(ethylene oxide), poly(propylene oxide), poly(acrylonitrile), poly(methyl methacrylate), poly(vinyl chloride), poly(vinylidene fluoride) and/or poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene). A solid polymer electrolyte offers the advantage of a simplified manufacturing process compared to an inorganic solid electrolyte because it can be processed more easily. In addition, a solid polymer electrolyte has higher elasticity (and plasticity) than an inorganic solid electrolyte, which minimizes the risk of low stability at the interface with the electrodes. However, a solid polymer electrolyte generally has a lower ionic conductivity than an inorganic solid electrolyte, and the load capacity is also generally lower.
Gemäß einer Ausführungsform der offenbarungsgemäßen Festkörperbatterie umfasst die Kathode wenigstens eine organische elektroaktive Verbindung der Formel I und sind R1 bis R4 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, F, CI, Br, I, C1-C3-Alkyl, OH, SH, CN, O(C1-3-Alkyl), S(C1-C3-Alkyl) und NH(C1-C3-Alkyl).According to one embodiment of the solid-state battery according to the disclosure, the cathode comprises at least one organic electroactive compound of the formula I and R1 to R4 are each independently selected from the group consisting of H, F, CI, Br, I, C 1 -C 3 alkyl, OH , SH, CN, O(C 1-3 alkyl), S(C 1 -C 3 alkyl) and NH(C 1 -C 3 alkyl).
Wie vorstehend bereits erwähnt, ist R7 eine Polymerkette oder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Terephthalat-, Naphthochinon-, Anthrachinon-, Catechin-, Chinon-, Chinizarin-, Naphthazarin-, Indigo-, TEMPO-, Galvinoxyl-, Phenol-, Naphthalindiimid-, Pyrendiimid-, Perylendimid- und Dibenzothiophensulfon-Gruppen oder substituierten Derivaten davon. Dies kann die Herstellung der Festkörperbatterie vereinfachen, da die Kathode mittels herkömmlicher Verarbeitungsverfahren für organische Kathodenmaterialien hergestellt werden kann, z. B. Lösungsgießen oder Ähnliches.As already mentioned above, R7 is a polymer chain or selected from the group consisting of terephthalate, naphthoquinone, anthraquinone, catechol, quinone, quinizarin, naphthazarin, indigo, TEMPO, galvinoxyl, phenol, naphthalene diimide -, pyrenedimide, perylenedimide and dibenzothiophenesulfone groups or substituted derivatives thereof. This can simplify the manufacture of the solid-state battery since the cathode can be manufactured using conventional processing methods for organic cathode materials, e.g. B. solution casting or similar.
Die vorliegende Offenbarung stellt ferner ein Fahrzeug bereit, welches die oben beschriebene Festkörperbatterie umfasst. Das Fahrzeug ist vorzugsweise mit einer Vielzahl der oben beschriebenen Festkörperbatterien ausgestattet. Das Fahrzeug kann ein schweres Landfahrzeug sein, z. B. ein Lkw oder ein Bus, ist aber nicht darauf beschränkt. Das Fahrzeug kann ferner ein vollelektrisches, ein Hybrid- oder ein Brennstoffzellenfahrzeug sein.The present disclosure further provides a vehicle that includes the solid-state battery described above. The vehicle is preferably equipped with a plurality of the solid-state batteries described above. The vehicle can be a heavy land vehicle, e.g. B. a truck or a bus, but is not limited to this. The vehicle can also be a fully electric, hybrid or fuel cell vehicle.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
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1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer offenbarungsgemäßen Festkörperbatterie,1 shows schematically a cross-sectional view of an example of a solid-state battery according to the disclosure, -
2 zeigt die Redoxreaktion einer organischen elektroaktiven Verbindung der Formel I,2 shows the redox reaction of an organic electroactive compound of the formula I, -
3 zeigt ein beispielhaftes Fahrzeug an einer Ladestation.3 shows an example vehicle at a charging station.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen und die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die erörterten und/oder in den Zeichnungen dargestellten beispielhaften Ausführungsformen beschränkt, sondern kann im Rahmen der beigefügten Ansprüche variiert werden. Ferner gelten die Zeichnungen nicht als maßstabsgetreu, da einige Merkmale zur besseren Veranschaulichung der Erfindung oder ihrer Merkmale übertrieben dargestellt sein können.The invention is described in more detail below with reference to exemplary embodiments and the accompanying drawings. However, the invention is not limited to the exemplary embodiments discussed and/or shown in the drawings, but may be varied within the scope of the appended claims. Furthermore, the drawings are not to be considered to scale as some features may be exaggerated to better illustrate the invention or its features.
Unter einer Festkörperbatterie wird in der vorliegenden Offenbarung eine Batterie verstanden, bei der alle Komponenten der Batterie einschließlich des Elektrolyten fest sind. Eine derartige Batterie wird manchmal auch als reine Festkörperbatterie („all-solid-state battery“) oder reine Festkörperzelle („all-solid-state cell“) bezeichnet.In the present disclosure, a solid-state battery is understood to mean a battery in which all components of the battery, including the electrolyte, are solid. Such a battery is sometimes referred to as a pure solid-state battery or a pure solid-state cell.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird eine Festkörperbatterie bereitgestellt. Die hierin beschriebene Festkörperbatterie wurde in erster Linie für den Einsatz in Fahrzeugen, insbesondere in Landfahrzeugen (z. B. in schweren Landfahrzeugen), entwickelt, um Lithiumlonen-Batterien mit einem flüssigen Elektrolyten zu ersetzen. Gemäß einem Beispiel kann es sich bei der Festkörperbatterie also um eine Festkörperbatterie für ein Fahrzeug handeln. Es ist jedoch zu beachten, dass die hierin beschriebene Festkörperbatterie auch in verschiedenen anderen Anwendungen zum Einsatz kommen kann. Neben Landfahrzeugen können, ohne darauf beschränkt zu sein, verschiedene elektrifizierte Stromversorgungssysteme, Stromerzeugungssysteme, Reservestromquellen, Bau- und Materialhandhabungsausrüstung, landwirtschaftliche Maschinen, Wasserfahrzeuge usw. geeignete Anwendungen für die hierin offenbarte Festkörperbatterie sein.According to the present disclosure, a solid-state battery is provided. The solid-state battery described herein was developed primarily for use in vehicles, particularly land vehicles (e.g., heavy land vehicles), to replace lithium-ion batteries with a liquid electrolyte. According to one example, the solid-state battery can be a solid-state battery for a vehicle. However, it should be noted that the solid-state battery described herein may also be used in various other applications. In addition to land vehicles, but not limited to, various electrified power systems, power generation systems, backup power sources, construction and material handling equipment, agricultural machinery, watercraft, etc. may be suitable applications for the solid state battery disclosed herein.
Die Festkörperbatterie umfasst eine Kathode, eine Anode und einen festen Elektrolyten. Der Elektrolyt ist zwischen der Kathode und der Anode angeordnet und trennt somit die Kathode von der Anode. Der Elektrolyt ist ein elektrisch isolierender fester lonenleiter, der die Bewegung von Ionen zwischen der Kathode und der Anode ermöglicht. Die Anode ist zweckmäßig eine metallische Anode (d. h. sie wird aus elementarem Metall und/oder einer oder mehreren metallischen Legierungen gebildet).The solid-state battery includes a cathode, an anode and a solid electrolyte. The electrolyte is arranged between the cathode and the anode and thus separates the cathode from the anode. The electrolyte is an electrically insulating solid ionic conductor that allows the movement of ions between the cathode and the anode. The anode is suitably a metallic anode (i.e. it is formed from elemental metal and/or one or more metallic alloys).
Die Kathode kann in direktem Kontakt mit dem Festkörperelektrolyten angeordnet sein oder über eine erste Verbindungsschicht mit dem Elektrolyten verbunden sein. In ähnlicher Weise kann die Anode in direktem Kontakt mit dem Festkörperelektrolyten stehen oder über eine zweite Verbindungsschicht mit dem Festkörperelektrolyten verbunden sein. Die erste und die zweite Verbindungsschicht können jeweils aus einem Bindemittel gebildet sein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyethylenoxid, Poly(3,4-ethylendioxythiophen), Polystyrolsulfonat, Polyacrylate, Polyvinylpyrrolidon und Carboxymethylcellulose. Es ist vorteilhaft, die Kathode und die Anode zu verbinden, da dies die lonenleitung an der Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten und den jeweiligen Elektroden (d. h. der Kathode und der Anode) erleichtert.The cathode can be arranged in direct contact with the solid electrolyte or connected to the electrolyte via a first connecting layer. Similarly, the anode can be in direct contact with the solid electrolyte or connected to the solid electrolyte via a second connection layer. The first and second bonding layers may each be formed from a binder selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, poly(3,4-ethylenedioxythiophene), polystyrene sulfonate, polyacrylates, polyvinylpyrrolidone and carboxymethylcellulose. It is advantageous to connect the cathode and the anode because this facilitates ionic conduction at the interface between the electrolyte and the respective electrodes (i.e., the cathode and the anode).
Ferner können die Kathode und die Anode in der Regel jeweils mit einem entsprechenden Stromkollektor verbunden sein. Ein derartiger Stromkollektor ist auf einer dem Elektrolyten gegenüberliegenden Seite der Kathode/Anode angeordnet. Jeder Stromkollektor kann beispielsweise aus Graphit oder einem anderen bisher bekannten Stromkollektormaterial, das für Festkörperbatterien geeignet ist, gebildet sein.Furthermore, the cathode and the anode can generally each be connected to a corresponding current collector. Such a current collector is arranged on a side of the cathode/anode opposite the electrolyte. Each current collector may be formed, for example, from graphite or another previously known current collector material suitable for solid-state batteries.
Gemäß einer ersten Alternative umfasst die Kathode der offenbarungsgemäßen Festkörperbatterie wenigstens eine organische elektroaktive Verbindung der Formel I:
R1, R2, R3 und R4 sind jeweils unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, F, CI, Br, I, C1-C3-Alkyl, OH, SH, CN, O(C1-3-Alkyl), S(C1-C3-Alkyl), SO2H, SO3H, SO2NH2, NH2, NH(C1-C3-Alkyl), N(C1-C3-Alkyl)2, COH, CO2H, CO2(C1-C3-Alkyl), CONH2, NHCOH, NHCO-C1-3-Alkyl, OCONH-C=CH, CH=CH2 und Ph.R1, R2, R3 and R4 are each independently selected from the group consisting of H, F, CI, Br, I, C 1 -C 3 alkyl, OH, SH, CN, O(C 1-3 alkyl) , S(C 1 -C 3 -alkyl), SO 2 H, SO 3 H, SO 2 NH 2 , NH 2 , NH(C 1 -C 3 -alkyl), N(C 1 -C 3 -alkyl) 2 , COH, CO 2 H, CO 2 (C 1 -C 3 -alkyl), CONH 2 , NHCOH, NHCO-C 1-3 -alkyl, OCONH-C=CH, CH=CH 2 and Ph.
Vorzugsweise sind R1, R2, R3 und R4 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, F, CI, Br, I, C1-C3-Alkyl, OH, SH, CN, O(C1-3-Alkyl), S(C1-C3-Alkyl) und NH(C1-C3-Alkyl).Preferably, R1, R2, R3 and R4 are each independently selected from the group consisting of H, F, CI, Br, I, C 1 -C 3 alkyl, OH, SH, CN, O(C 1-3 alkyl ), S(C 1 -C 3 alkyl) and NH(C 1 -C 3 alkyl).
Gemäß einer zweiten Alternative umfasst die Kathode der offenbarungsgemäßen Festkörperbatterie wenigstens eine organische elektroaktive Verbindung der Formel II:
R5 und R6 sind jeweils unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, F, CI, Br, I, C1-C3-Alkyl, OH, SH, CN, O(C1-3-Alkyl), S(C1-C3-Alkyl), SO2H, SO3H, SO2NH2, NH2, NH(C1-C3-Alkyl), N(C1-C3-Alkyl)2, COH, CO2H, CO2(C1-C3-Alkyl), CONH2, NHCOH, NHCO-C1-3-Alkyl, OCONH-C=CH, CH=CH2 und Ph.R5 and R6 are each independently selected from the group consisting of H, F, CI, Br, I, C 1 -C 3 alkyl, OH, SH, CN, O(C 1-3 alkyl), S(C 1 -C 3 -alkyl), SO 2 H, SO 3 H, SO 2 NH 2 , NH 2 , NH(C 1 -C 3 -alkyl), N(C 1 -C 3 -alkyl) 2 , COH, CO 2 H, CO 2 (C 1 -C 3 alkyl), CONH 2 , NHCOH, NHCO-C 1-3 alkyl, OCONH-C=CH, CH=CH 2 and Ph.
L kann eine direkte Bindung sein. Alternativ ist L ein kovalenter Linkeranteil mit einer Struktur -(CH2)s-G1-(CH2)t-G2- oder -G2-(CH2)t-G1-(CH2)s-, wobei s zwischen 0 und 6 ist und t zwischen 0 und 6 ist. G1 und G2 sind jeweils unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer direkten Bindung, O, S, SO2, SO3, O3S, SO2NH, NHSO2, NH, N(C1-C6-Alkyl), C(O), CO2, O2C, C(O)NH, NHC(O), OC(O)O, NHC(O)NH, NHC(O)O, OC(O)NH, C=C, CH=CH, Ph und Hy.L can be a direct bond. Alternatively, L is a covalent linker moiety with a structure -(CH 2 ) s -G 1 -(CH 2 ) t -G 2 - or -G 2 -(CH 2 ) t -G 1 -(CH 2 ) s -, where s is between 0 and 6 and t is between 0 and 6. G 1 and G 2 are each independently selected from the group consisting of a direct bond, O, S, SO 2 , SO 3 , O 3 S, SO 2 NH, NHSO 2 , NH, N(C 1 -C 6 - alkyl), C(O), CO 2 , O 2 C, C(O)NH, NHC(O), OC(O)O, NHC(O)NH, NHC(O)O, OC(O)NH, C=C, CH=CH, Ph and Hy.
Darüber hinaus ist R7 eine Polymerkette oder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Terephthalat-, Naphthochinon-, Anthrachinon-, Catechin-, Chinon-, Chinizarin-, Naphthazarin-, Indigo-, TEMPO-, Galvinoxyl-, Phenol-, Naphthalindiimid-, Pyrendiimid-, Perylendimid- und Dibenzothiophensulfon-Gruppen oder substituierten Derivaten davon. Unter substituierten Derivaten davon sind Derivate zu verstehen, die eine oder mehrere geeignete organische Substituentengruppen umfassen, beispielsweise eine bis fünf unabhängig voneinander ausgewählte organische Substituentengruppen. Geeignete organische Substituentengruppen sind insbesondere F, CI, Br, I, C1-C6-Alkyl, OH, SH, CN, O(C1-6-Alkyl), S(C1-C6-Alkyl). R7 ist zweckmäßig ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Terephthalat-, Naphthochinon-, Anthrachinon-, Catechin-, Chinon-, Chinizarin-, Naphthazarin-, Indigo-, TEMPO-, Galvinoxyl-, Phenol-, Naphthalindiimid-, Pyrendiimid-, Perylendimid- und Dibenzothiophensulfon-Gruppen oder substituierten Derivaten davon.In addition, R7 is a polymer chain or selected from the group consisting of terephthalate, naphthoquinone, anthraquinone, catechol, quinone, quinizarin, naphthazarin, indigo, TEMPO, galvinoxyl, phenol, naphthalene diimide, pyrenediimide -, perylenedimide and dibenzothiophenesulfone groups or substituted derivatives thereof. Substituted derivatives thereof are to be understood as meaning derivatives which comprise one or more suitable organic substituent groups, for example one to five independently selected organic substituent groups. Suitable organic substituent groups are in particular F, CI, Br, I, C 1 -C 6 alkyl, OH, SH, CN, O(C 1-6 alkyl), S(C 1 -C 6 alkyl). R7 is suitably selected from the group consisting of terephthalate, naphthoquinone, anthraquinone, catechin, quinone, quinizarin, naphthazarin, indigo, TEMPO, galvinoxyl, phenol, naphthalene diimide, pyrenediimide, perylene diimide. and dibenzothiophenesulfone groups or substituted derivatives thereof.
Die organische elektroaktive Verbindung der Formel I und die organische elektroaktive Verbindung der Formel II sind jeweils ein Chinoid und enthalten (i) eine elektronenziehende Gruppe (einen Benzolring mit kovalent gebundenen Sauerstoffatomen), die das Redoxpotenzial erhöht, und (ii) Schutzgruppen an den Positionen 2,3 und 7,8, um einen Abbau durch Addition unmöglich zu machen.The organic electroactive compound of formula I and the organic electroactive compound of formula II are each a quinoid and contain (i) an electron-withdrawing group (a benzene ring with covalently bonded oxygen atoms), which increases the redox potential, and (ii) protecting groups at
Die organische elektroaktive Verbindung der Formel II (bei der es sich um ein Polymer handelt) hat gegenüber der organischen elektroaktiven Verbindung der Formel I die Vorteile, dass sie eine höhere Stabilität aufweist und eine ähnliche Verarbeitung wie andere Polymerkomponenten in Festkörperbatterien ermöglicht. Die organische elektroaktive Verbindung der Formel I (bei der es sich um ein Molekül handelt) hat gegenüber der organischen elektroaktiven Verbindung der Formel II allerdings den Vorteil, dass sie leichter ist und dadurch eine höhere spezifische Kapazität der Kathode ermöglicht.The organic electroactive compound of Formula II (which is a polymer) has the advantages over the organic electroactive compound of Formula I that it has higher stability and enables similar processing to other polymer components in solid-state batteries. However, the organic electroactive compound of the formula I (which is a molecule) has the advantage over the organic electroactive compound of the formula II that it is lighter and thereby enables a higher specific capacity of the cathode.
Gemäß einer dritten Alternative umfasst die Kathode der offenbarungsgemäßen Festkörperbatterie eine erste organische elektroaktive Verbindung der oben beschriebenen Formel I und eine zweite organische elektroaktive Verbindung der oben beschriebenen Formel II. Gemäß einer weiteren Alternative umfasst die Kathode zwei oder mehr organische elektroaktive Verbindungen der Formel I, wobei sich die zwei oder mehr organischen elektroaktiven Verbindungen der Formel I voneinander unterscheiden. Gemäß einer weiteren Alternative umfasst die Kathode zwei oder mehr organische elektroaktive Verbindungen der Formel II, wobei sich die zwei oder mehr organischen elektroaktiven Verbindungen der Formel II voneinander unterscheiden.According to a third alternative, the cathode of the solid-state battery according to the disclosure comprises a first organic electroactive compound of the formula I described above and a second organic electroactive compound of the formula II described above. According to a further alternative, the cathode comprises two or more organic electroactive compounds of the formula I, wherein the two or more organic electroactive compounds of the formula I differ from one another. According to a further alternative, the cathode comprises two or more organic electroactive compounds of the formula II, wherein the two or more organic electroactive compounds of the formula II differ from one another.
Unabhängig von den oben beschriebenen Alternativen kann die Kathode zusätzlich zu der wenigstens einen elektroaktiven Verbindung der Formel I oder der Formel II weitere Bestandteile umfassen. Insbesondere kann die Kathode zweckmäßig einen oder mehrere Bindemittel und/oder ein oder mehrere leitfähige Additive umfassen. Zweckmäßig kann dieses Bindemittel aus der Gruppe bestehend aus Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyethylenoxid, Poly(3,4-ethylendioxythiophen), Polystyrolsulfonat, Polyacrylate, Polyvinylpyrrolidon und Carboxymethylcellulose ausgewählt sein. Das eine oder die mehreren leitfähigen Additive können zweckmäßig aus der Gruppe bestehend aus Ruß, Graphitpulver, Graphen, Kohlenstoff-Nanostäbchen und Kohlenstoff-Nanoröhren ausgewählt sein. Auf Wunsch kann die Kathode auch eine oder mehrere andere elektroaktive Verbindungen als die elektroaktive Verbindung der Formel I oder die elektroaktive Verbindung der Formel II umfassen.Regardless of the alternatives described above, the cathode can comprise further components in addition to the at least one electroactive compound of the formula I or the formula II. In particular, the cathode can expediently comprise one or more binders and/or one or more conductive additives. This binder can expediently be selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, poly (3,4-ethylenedioxythiophene), polystyrene sulfonate, polyacrylates, polyvinylpyrrolidone and carboxymethyl cellulose. The one or more conductive additives may suitably be selected from the group consisting of carbon black, graphite powder, graphene, carbon nanorods and carbon nanotubes. If desired, the cathode may also comprise one or more electroactive compounds other than the electroactive compound of Formula I or the electroactive compound of Formula II.
Die wenigstens eine oben beschriebene organische elektroaktive Verbindung der Formel I oder der Formel II kann zweckmäßig in einer Menge vorhanden sein, die wenigstens 30 Gew.-% der Kathode entspricht. Dabei ist zu beachten, dass der Stromkollektor, an dem die Kathode angebracht ist, nicht zum Gesamtgewicht der Kathode gerechnet werden sollte. Die spezifische Kapazität der Kathode steigt mit zunehmender Menge der wenigstens einen organischen elektroaktiven Verbindung. Zweckmäßig ist die wenigstens eine organische elektroaktive Verbindung der Formel I oder der Formel II in einer Menge vorhanden, die wenigstens 50 Gew.-% der Kathode entspricht. Die Menge der organischen elektroaktiven Verbindung der Formel I oder der organischen elektroaktiven Verbindung der Formel II (bzw. bei Vorhandensein beider Verbindungen deren Gesamtmenge) sollte jedoch nicht zu hoch sein, da dies beispielsweise zu einer verminderten Stabilität der Kathode und/oder zu einer schlechteren Ladungsübertragung vom elektroaktiven Material der Kathode zum benachbarten Stromkollektor führen kann. Zweckmäßig ist die wenigstens eine organische elektroaktive Verbindung der Formel I oder der Formel II in einer Menge von bis zu 90 Gew.-% der Kathode vorhanden (bei einer Kathode, die sowohl die Verbindung der Formel I als auch die Verbindung der Formel II umfasst, sollte die Gesamtmenge der organischen elektroaktiven Verbindungen 90 Gew.-% der Kathode nicht überschreiten). Der Rest kann gemäß einer Alternative aus einem oder mehreren Bindemitteln und/oder einem oder mehreren leitfähigen Additiven bestehen.The at least one organic electroactive compound of the formula I or the formula II described above can expediently be present in an amount which corresponds to at least 30% by weight of the cathode. It should be noted that the current collector to which the cathode is attached should not be counted in the total weight of the cathode. The specific capacity of the cathode increases as the amount of the at least one organic electroactive compound increases. The at least one organic electroactive compound of the formula I or the formula II is expediently present in an amount which corresponds to at least 50% by weight of the cathode. However, the amount of the organic electroactive compound of the formula I or the organic electroactive compound of the formula II (or, if both compounds are present, their total amount) should not be too high, as this will, for example, result in reduced stability of the cathode and/or poorer charge transfer from the electroactive material of the cathode to the neighboring current collector. The at least one organic electroactive compound of the formula I or the formula II is expediently present in an amount of up to 90% by weight of the cathode (in the case of a cathode which comprises both the compound of the formula I and the compound of the formula II, The total amount of organic electroactive compounds should not exceed 90% by weight of the cathode). According to an alternative, the remainder may consist of one or more binders and/or one or more conductive additives.
Zweckmäßig umfasst die Kathode zu höchstens 75 Gew.-% die organischen elektroaktive Verbindung der Formel I und ferner wenigstens ein Bindemittel wie oben beschrieben (oder alternativ auch die elektroaktive Verbindung der Formel II). Dadurch wird eine ausreichende Stabilität der Kathode gewährleistet. Die Kathode kann in diesem Fall zweckmäßig auch ein oder mehrere leitfähige Additive wie oben beschrieben umfassen, um eine gewünschte Ladungsübertragung zwischen der elektroaktiven Verbindung der Kathode und dem Stromkollektor zu gewährleisten. Gemäß einer Ausführungsform besteht die Kathode zu 30 bis 75 Gew.-% (einschließlich der Endwerte) aus der organischen elektroaktiven Verbindung der Formel I, wobei der Rest ein oder mehrere Bindemittel und ein oder mehrere leitfähige Additive ausmacht.The cathode expediently comprises at most 75% by weight of the organic electroactive compound of the formula I and also at least one binder as described above (or alternatively also the electroactive compound of the formula II). This ensures sufficient stability of the cathode. In this case, the cathode can expediently also comprise one or more conductive additives as described above in order to ensure a desired charge transfer between the electroactive connection of the cathode and the current collector. According to one embodiment, the cathode consists of 30 to 75% by weight (including the final values) of the organic electroactive compound of formula I, the remainder being one or more binders and one or more conductive additives.
Umfasst die Kathode die organische elektroaktive Verbindung der Formel II, benötigt die Kathode nicht unbedingt ein Bindemittel, kann aber vorteilhafterweise wenigstens ein leitfähiges Additiv umfassen, um eine gewünschte Ladungsübertragung vom elektroaktiven Material zum Stromkollektor zu gewährleisten. Anders ausgedrückt: Die Kathode kann in diesem Fall nur die organische elektroaktive Verbindung der Formel II und auf Wunsch ein oder mehrere leitfähige Additive umfassen.If the cathode comprises the organic electroactive compound of formula II, the cathode does not necessarily require a binder, but may advantageously comprise at least one conductive additive to ensure a desired charge transfer from the electroactive material to the current collector. In other words: In this case, the cathode can only comprise the organic electroactive compound of formula II and, if desired, one or more conductive additives.
Die Anode der Festkörperbatterie kann zweckmäßig Lithium (Li) umfassen oder daraus bestehen. Die Anode kann beispielsweise aus Lithiummetall oder einer Legierung auf Lithiumbasis gebildet sein. Alternativ kann die Anode der Festkörperbatterie Natrium (Na) umfassen oder daraus bestehen. Die Anode kann beispielsweise aus Natriummetall oder einer Legierung auf Natriumbasis gebildet sein. Nach einem weiteren Beispiel kann die Anode aus einer Legierung auf Lithium-Natriumbasis gebildet sein.The anode of the solid-state battery can expediently comprise or consist of lithium (Li). The anode may be formed, for example, from lithium metal or a lithium-based alloy. Alternatively, the anode of the solid-state battery may include or consist of sodium (Na). The anode may be formed, for example, from sodium metal or a sodium-based alloy. According to another example, the anode may be formed from a lithium-sodium based alloy.
Wie oben erwähnt, handelt es sich bei dem Elektrolyten der Festkörperbatterie um einen ionisch leitfähigen Festkörperelektrolyten. Der Elektrolyt kann beispielsweise ein anorganischer Festkörperelektrolyt sein, z. B. ein Elektrolyt auf Oxidbasis, ein Elektrolyt auf Sulfidbasis oder ein Elektrolyt auf Phosphatbasis. Zweckmäßig umfasst der anorganische Festkörperelektrolyt oder besteht er aus einer ionenleitenden Verbindung, ausgewählt aus einem lithiumhaltigen Oxid, einem natriumhaltigen Oxid, einem lithium- und natriumhaltigen Oxid, einem lithiumhaltigen Sulfid, einem natriumhaltigen Sulfid oder einem lithium- und natriumhaltigen Sulfid. Beispiele für geeignete anorganische Festkörperelektrolyte sind insbesondere LISICON oder LISICON-ähnliche Elektrolyte (wie Li2+2xZn1-xGeO4, Li(3+x)GexV(1- x)O4 oder Li(4-x)Ge(1-x)PxS4, Li10MP2S12 (M = Si, Ge oder Sn) oder Li11Si2PS12) oder NASICON oder NASICON-ähnliche Elektrolyte (wie Na1+xZr2SixP3-xO12 oder Li1+xAlxGe2-x(PO4)3). Solche anorganischen Festkörperelektrolyte sind an sich bereits bekannt und werden daher in der vorliegenden Offenbarung nicht weiter beschrieben.As mentioned above, the electrolyte of the solid-state battery is an ionically conductive solid-state electrolyte. The electrolyte can be, for example, an inorganic solid electrolyte, e.g. B. an oxide-based electrolyte, a sulfide-based electrolyte or a phosphate-based electrolyte. The inorganic solid electrolyte expediently comprises or consists of an ion-conducting compound selected from a lithium-containing oxide, a sodium-containing oxide, a lithium and sodium-containing oxide, a lithium-containing sulfide, a sodium-containing sulfide or a lithium and sodium-containing sulfide. Examples of suitable inorganic solid electrolytes are in particular LISICON or LISICON-like electrolytes (such as Li 2+2x Zn 1-x GeO 4 , Li (3+x) Ge x V (1- x) O 4 or Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 , Li 10 MP 2 S 12 (M = Si, Ge or Sn) or Li 11 Si 2 PS 12 ) or NASICON or NASICON-like electrolytes (such as Na 1+x Zr 2 Si x P 3-x O 12 or Li 1+x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 ). Such inorganic solid electrolytes are already known per se and are therefore not described further in the present disclosure.
Alternativ kann der Elektrolyt ein fester Polymerelektrolyt sein. Der feste Polymerelektrolyt kann beispielsweise einen oder mehrere der folgenden Stoffe umfassen: Poly(ethylenoxid), Poly(propylenoxid), Poly(acrylnitril), Poly(methylmethacrylat), Poly(vinylchlorid), Poly(vinylidenfluorid) und/oder Poly(vinylidenfluorid-hexafluorpropylen).Alternatively, the electrolyte can be a solid polymer electrolyte. The solid polymer electrolyte may comprise, for example, one or more of the following materials: poly(ethylene oxide), poly(propylene oxide), poly(acrylonitrile), poly(methyl methacrylate), poly(vinyl chloride), poly(vinylidene fluoride) and/or poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene ).
Die wenigstens eine organische elektroaktive Verbindung der Formel I ist an sich bereits bekannt und kann nach jedem bereits bekannten Verfahren synthetisiert werden. Ebenso ist die wenigstens eine organische elektroaktive Verbindung der Formel II an sich bereits bekannt und kann nach jedem bereits bekannten Verfahren hergestellt sein.The at least one organic electroactive compound of the formula I is already known per se and can be synthesized by any already known process. Likewise, the at least one organic electroactive compound of the formula II is already known per se and can be prepared by any already known process.
Darüber hinaus kann die Kathode nach bereits bekannten Verfahren hergestellt sein. Beispielsweise können die Bestandteile der Kathode (d. h. einschließlich der (den) organischen elektroaktiven Verbindung(en), des (der) Bindemittel(s) und/oder des (der) leitfähigen Additivs(e) mit einem Lösungsmittel gemischt und die sich daraus ergebende Mischung auf einen Stromkollektor aufgetragen werden, worauf das Lösungsmittel verdampft wird. Alternativ kann die Kathode separat hergestellt (z. B. durch ein Trockenverfahren) und unter Verwendung eines Bindemittels an den Stromkollektor angeheftet werden. Der Elektrolyt kann anschließend kaltgepresst werden und/oder unter Verwendung eines Bindemittels an die Kathode angeheftet werden. Entsprechend kann die Anode unter Verwendung eines Bindemittels an den Elektrolyten angeheftet werden.In addition, the cathode can be produced using already known processes. For example, the components of the cathode (i.e. including the organic electroactive compound(s), the binder(s) and/or the conductive additive(s) may be mixed with a solvent and the resulting mixture can be applied to a current collector and the solvent is evaporated. Alternatively, the cathode can be manufactured separately (e.g. by a dry process) and attached to the current collector using a binder. The electrolyte can then be cold pressed and/or using a binder can be attached to the cathode. Similarly, the anode can be attached to the electrolyte using a binder.
Obwohl dies nicht dargestellt ist, ist die Redoxreaktion der organischen elektroaktiven Verbindung der Formel II der in
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