DE112018003716T5

DE112018003716T5 - Redox-Flow Batterie

Info

Publication number: DE112018003716T5
Application number: DE112018003716.9T
Authority: DE
Inventors: F. Guarr Thomas
Original assignee: Michigan State University MSU
Current assignee: Michigan State University MSU
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2038-07-21
Also published as: US11545691B2; AU2018302335B2; DE112018003716B4; JP2020527843A; US20200136165A1; AU2018302335A1; JP6985763B2; WO2019018741A1

Abstract

Eine Redox-Flow-Batterie enthält eine Kathode, eine Anode, einen ladungstragenden Elektrolyt und eine (a) oxidierte und eine (b) reduzierte Form eines Aktivmaterials. Das Aktivmaterial weist die folgende Formel auf:

(D)-(L)-(A)-[(L)-(A)]_v-D_z (F1)

oder

(D)-(L)-(A)-(L-D)_x (F2).

In diesen Formeln ist D jeweils kovalent an ein L gebunden, ist L jeweils kovalent an ein A gebunden, steht x für eine Zahl von 0 bis 5, steht v für eine Zahl von 0 bis 5 und steht z für 0 oder 1. D steht für eine Elektronendonorverbindung, L steht für einen Linker, und A steht für eine Elektronenakzeptorverbindung. D, L und A weisen jeweils eine besondere Struktur auf.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie und insbesondere eine Redox-Flow-Batterie. Spezieller enthält die Redox-Flow-Batterie ein besonderes Aktivmaterial.
HINTERGRUND
Eine Redox-Flow-Batterie ist eine Energiespeichervorrichtung, die zur Speicherung von aus oxidierten und reduzierten chemischen Spezies produzierter elektrischer Energie konzipiert ist. Redox-Flow-Batterien weisen typischerweise eine elektrochemische Zelle mit mindestens zwei Elektroden und mindestens zwei elektroaktive Materialien auf. Jedes der elektroaktiven Materialien liegt typischerweise in Form einer Elektrolytlösung oder -aufschlämmung vor, die ein elektroaktives Material, ein geeignetes Lösungsmittel und gegebenenfalls ein Elektrolytsalz zur Verbesserung der lonenleitfähigkeit enthält. Die Elektrolytlösungen können aus jeweiligen Vorratsbehältern mittels einer Pumpe, Schwerkraft, Druck oder anderen geeigneten Mitteln durch die elektrochemische Zelle bewegt werden.
Elektrochemische Zellen sind typischerweise durch eine lonenaustausch- oder mikroporöse Membran, die dazu dient, die Durchmischung der verschiedenen elektroaktiven Materialien auf ein Minimum zu beschränken, in eine Anoden- und eine Kathodenkammer unterteilt. Die Durchmischung der elektroaktiven Materialien wird häufig als „Crossover“ oder „Kreuzkontamination“ bezeichnet. Im Gebrauch werden das Elektrolytsalz-Anion und/oder -Kation durch die Membran transportiert, was eine elektrochemische Reaktion zwischen den elektroaktiven Materialien zur Erzeugung von Energie erleichtert.
Das Material bzw. die Materialien für die lonenaustausch- oder mikroporöse Membran ist bzw. sind häufig teuer, und die Membran muss typischerweise regelmäßig gewartet oder ersetzt werden. Außerdem sind Membranen typischerweise etwas ineffizient, was zur Durchmischung der verschiedenen elektroaktiven Materialien führen kann. Aus zumindest diesen Gründen kann es im Lauf der Zeit notwendig sein, die elektroaktiven Materialien zu ersetzen.
Gegenwärtig gibt es bestimmte Redox-Flow-Batterie-Bauweisen, bei denen keine lonenaustausch- oder mikroporöse Membran verwendet wird. Derartige Bauweisen beruhen jedoch auf Techniken mit laminarer Strömung, die für echte Anwendungen häufig ineffizient und unpraktisch sind. Bei derartigen Bauweisen kommen auch übermäßig teure Materialien, schwierig zu steuernde Materialien und gegenüber Umweltveränderungen empfindliche Materialien zum Einsatz, was den breiten Einsatz derartiger Redox-Flow-Batterie-Bauweisen weiter verkompliziert. Demgemäß besteht Bedarf an Verbesserungen.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Redox-Flow-Batterie bereit, die eine Kathode, eine Anode, einen ladungstragenden Elektrolyt und eine (a) oxidierte und eine (b) reduzierte Form eines Aktivmaterials enthält. Das Aktivmaterial weist die folgende Formel auf: (D)-(L)-(A)-[(L)- (A)]_v-Dz (F1) oder (D)-(L)-(A)-(L-D)_x (F2).
In diesen Formeln ist D jeweils kovalent an ein L gebunden, ist L jeweils kovalent an ein A gebunden, steht x für eine Zahl von 0 bis 5, steht v für eine Zahl von 0 bis 5 und steht z für 0 oder 1. Außerdem steht D für eine Elektronendonorverbindung, L für einen Linker und A für eine Elektronenakzeptorverbindung. D weist jeweils die folgende Struktur (D1) auf:
wobei X für eine kovalente Bindung, ein Schwefelatom (S), SO₂ oder N-R⁶ steht und wobei R¹, R², R³, R⁴, R⁶, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils unabhängig für ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe, eine Nitrilgruppe, eine Halogenalkylgruppe, eine Perhalogenalkylgruppe, eine Acylgruppe, eine Acyloxygruppe, eine Acetylgruppe, eine Halogenacetylgruppe, eine Alkylarylgruppe, eine Alkoxygruppe, eine Acetamidogruppe, eine Amidogruppe, eine Arylgruppe, eine Aralkylgruppe, eine Alkylcarboxylgruppe, eine Arylcarboxylgruppe, eine Alkylsulfonylgruppe, eine Benzoylgruppe, eine Carbamoylgruppe, eine Carboxygruppe, eine Cyanogruppe, eine Formylgruppe, eine Halogengruppe, eine Halogenacetamidogruppe, eine Halogenacylgruppe, eine Halogenalkylsulfonylgruppe, eine Halogenarylgruppe, eine Arylhalogenalkylgruppe, eine Methylsulfonyloxylgruppe, eine Nitrogruppe, eine Oxogruppe, eine Alkylethergruppe, eine Halogenalkylethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Phosphatgruppe, eine Phosphonatgruppe oder eine Alkylphosphonatgruppe stehen. Außerdem ist L jeweils aus einer Alkylgruppe mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, einer aromatischen Gruppe und einer direkten Bindung ausgewählt. Des Weiteren weist A jeweils die folgende Struktur (A1) oder (A2) oder (A3) oder (A4) oder (A5) auf:
oder
oder
oder
oder
wobei R¹² und R¹⁴ jeweils für eine Phenylgruppe, ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen stehen und R¹³ und R¹⁵ jeweils für ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen stehen. Außerdem ist R¹¹ aus einem Wasserstoffatom, einer Alkylgruppe, einer Acetylgruppe, einer Arylgruppe, einer substituierten Arylgruppe oder einer Gruppe mit der folgenden Struktur (P1) oder (P2) ausgewählt:
In (P1) und (P2) steht y für eine Zahl von 0 bis 4, stehen R¹⁶-R¹⁹ jeweils für eine Phenylgruppe, ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, stehen R²¹, R²² und R²⁴ jeweils für eine Phenylgruppe, ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, stehen R²⁰ und R²³ jeweils für ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen und steht L² gegebenenfalls für einen zweiten Linker. Außerdem steht in (A2) s für eine Zahl von 0 bis 2, t für eine Zahl von 1 bis 6 und B jeweils für ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen oder eine Aryl- oder substituierte Arylgruppe.
Die vorliegende Offenbarung stellt auch eine Redox-Flow-Batterie bereit, umfassend eine Kathode, eine Anode, einen ladungstragenden Elektrolyt und ein Aktivmaterial, das zwei oder mehr Pyridin- oder substituierte Pyridineinheiten umfasst, von denen zwei beliebige durch 1 bis 3 Phenyl- oder substituierte Phenylgruppen getrennt sind. Eine oder mehrere der Pyridin- oder substituierten Pyridineinheiten sind über ein Stickstoffatom mit einer Gruppierung mit reversibler elektrochemischer Oxidation verknüpft.
Die vorliegende Offenbarung stellt auch ein Aktivmaterial für eine Redox-Flow-Batterie bereit, wobei das Aktivmaterial die folgende Formel aufweist: (D)-(L)-(A)-[(L)-(A)]_v-D_z (F1) oder (D)-(L)-(A)-(L-D)_x (F2).
D ist jeweils kovalent an ein L gebunden, wobei L jeweils kovalent an ein A gebunden ist, wobei x für eine Zahl von 0 bis 5 steht, v für eine Zahl von 0 bis 5 steht und z für 0 oder 1 steht, wobei D für eine Elektronendonorverbindung steht, L für einen Linker steht und A für eine Elektronenakzeptorverbindung steht.
D weist jeweils die folgende Struktur (D1) auf:
X steht für eine kovalente Bindung, ein Schwefelatom (S), SO₂ oder N-R⁶, und wobei R¹, R², R³, R⁴, R⁶, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils unabhängig für ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe, eine Nitrilgruppe, eine Halogenalkylgruppe, eine Perhalogenalkylgruppe, eine Acylgruppe, eine Acyloxygruppe, eine Acetylgruppe, eine Halogenacetylgruppe, eine Alkylarylgruppe, eine Alkoxygruppe, eine Acetamidogruppe, eine Amidogruppe, eine Arylgruppe, eine Aralkylgruppe, eine Alkylcarboxylgruppe, eine Arylcarboxylgruppe, eine Alkylsulfonylgruppe, eine Benzoylgruppe, eine Carbamoylgruppe, eine Carboxygruppe, eine Cyanogruppe, eine Formylgruppe, eine Halogengruppe, eine Halogenacetamidogruppe, eine Halogenacylgruppe, eine Halogenalkylsulfonylgruppe, eine Halogenarylgruppe, eine Arylhalogenalkylgruppe, eine Methylsulfonyloxylgruppe, eine Nitrogruppe, eine Oxogruppe, eine Alkylethergruppe, eine Halogenalkylethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Phosphatgruppe, eine Phosphonatgruppe oder eine Alkylphosphonatgruppe stehen.
L ist jeweils aus einer Alkylgruppe mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, einer aromatischen Gruppe und einer direkten Bindung ausgewählt, und A weist jeweils die folgende Struktur (A1) oder (A2) oder (A3) oder (A4) oder (A5) auf:
oder
oder
oder
oder
Für jedes (A1), (A2) und (A3) stehen R¹² und R¹⁴ jeweils für eine Phenylgruppe, ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen und stehen R¹³ und R¹⁵ jeweils für ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen und ist R¹¹ aus einem Wasserstoffatom, einer Alkylgruppe, einer Acetylgruppe, einer Arylgruppe, einer substituierten Arylgruppe oder einer Gruppe mit der folgenden Struktur (P1) oder (P2) ausgewählt:
wobei y für eine Zahl von 0 bis 4 steht; wobei R¹⁶-R¹⁹ jeweils für eine Phenylgruppe, ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen stehen; wobei R²¹, R²² und R²⁴ jeweils für eine Phenylgruppe, ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen stehen, wobei R²⁰ und R²³ jeweils für ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen stehen und wobei L² gegebenenfalls für einen zweiten Linker steht. In (A2) steht s für eine Zahl von 0 bis 2, t für eine Zahl von 1 bis 6 und B jeweils für ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen oder eine Aryl- oder substituierte Arylgruppe.
Figurenliste
Die Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden leicht ersichtlich, wenn diese unter Bezugnahme auf die folgende nähere Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung besser verständlich wird. Es versteht sich, dass die Zeichnung lediglich der Veranschaulichung dient und nicht unbedingt maßstabsgetreu ist.

Die Figur ist eine schematische Veranschaulichung einer Redox-Flow-Batterie gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung veranschaulicht die Figur eine Redox-Flow-Batterie 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Redox-Flow-Batterie 10 kann als Energiespeichervorrichtung beschrieben werden, die unter Verwendung von Redoxreaktionen (Reduktions- und Oxidationsreaktionen) Energie erzeugt, die in Elektrolytlösungen, die durch die Batterie 10 fließen, gespeichert ist. Bei der Entladung der Batterie 10 werden im Lauf einer Oxidationsreaktion an der negativen Seite (oder Anodenseite) der Batterie 10 Elektronen freigesetzt. Die Elektronen bewegen sich durch einen äußeren Stromkreis, um Nutzarbeit zu verrichten, und werden danach während einer Reduktionsreaktion an der positiven Seite (oder Kathodenseite) der Batterie 10 aufgenommen. Beim Laden sind die Richtung des Stroms und die chemischen Reaktionen umgekehrt. Die durch die Redox-Flow-Batterie 10 erzeugte Energie wird häufig für Netzspeicherungsanwendungen verwendet. Es versteht sich jedoch, dass die Redox-Flow-Batterie 10 so dimensioniert werden kann, dass sie die Bedürfnisse einer beliebigen geeigneten Anwendung erfüllt.
In der Figur weist die Redox-Flow-Batterie 10 eine elektrochemische Zelle 12 mit einer positiven Seite (Kathodenseite) 14 und einer negativen Seite (Anodenseite) 16 auf. Die positive Seite 14 weist einen ersten Behälter 18 auf, der einen ladungstragenden Elektrolyt und die oxidierte Form eines elektroaktiven Materials (hier als Aktivmaterial bezeichnet) enthält, und die negative Seite 16 weist einen zweiten Behälter 20 auf, der den ladungstragenden Elektrolyt und die reduzierte Form eines elektroaktiven Materials enthält. Die positive Seite 14 enthält ferner eine Kathode 22, und die negative Seite weist ferner eine Anode 24 auf. Die Nettoladung in jedem Behälter ist gleich 0. Jede positiv geladene Spezies ist durch eine negativ geladene Spezies ausgeglichen und umgekehrt.
Beim Laden und Entladen der Redox-Flow-Batterie 10 wird der ladungstragende Elektrolyt auf der positiven Seite 14 durch eine erste Pumpe 26 aus dem ersten Behälter 18 und durch die Kathode 22 im Kreis geführt. Der ladungstragende Elektrolyt auf der negativen Seite 16 wird durch eine zweite Pumpe 28 aus dem zweiten Behälter 20 und durch die Anode 24 im Kreis geführt. Die Kathode 22 und die Anode 24 können über Stromsammler mit einer externen Last 30 elektrisch verbunden sein. Beim Durchgang des Elektrolyts durch die Kathode 22 und die Anode 24 reagiert das elektroaktive Material (über eine oder mehrere Redoxreaktionen) unter Erzeugung von Energie.
Bei der Kathode 22 kann es sich um eine oder zwei Elektroden oder ein Array von Elektroden, das unter typischen Umständen das höchste Potential, das es bei normalem Betrieb erreichen kann, aufweist, handeln. Bei der Anode 24 kann es sich um eine oder zwei Elektroden oder ein Array von Elektroden, das unter typischen Umständen das niedrigste Potential, das es bei normalem Betrieb erreichen kann, aufweist, handeln. Die Kathode 22 und die Anode 24 unterliegen keinen besonderen Beschränkungen und können eine beliebige der Technik bekannte Kathode bzw. Anode sein. In einem nicht einschränkenden Beispiel handelt es sich bei der Kathode 22 und/oder der Anode 24 um eine auf Kohlenstoff basierende Elektrode, auf Metall basierende Elektrode und Kombinationen davon. Nicht einschränkende Beispiele für auf Kohlenstoff basierende Elektroden sind aus porösem Kohlenstoff (z. B. Kohlefilz und Graphitfilz), Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanodrähten, Graphen und/oder dergleichen und/oder Kombinationen davon bestehende oder gebildete Elektroden. Nicht einschränkende Beispiele für auf Metall basierende Elektroden sind aus Gold, Stahl, Nickel, mit Platin beschichtetem Gold, mit Platin beschichtetem Kohlenstoff und/oder dergleichen und/oder Kombinationen davon bestehende oder gebildete Elektroden. In einem anderen nicht einschränkenden Beispiel ist die Kathode 22 und/oder die Anode 24 porös. Die Kathode 22 und/oder Anode 24 kann ferner Additive enthalten, wie Ruß, Flockengraphit und/oder dergleichen. Die Kathode 22 und die Anode 24 können jeweils in einer beliebigen zweckmäßigen Form einschließlich Folien, Platten, Stäben, Sieben, Pasten oder als durch Bildung einer Beschichtung aus dem Elektrodenmaterial auf einem leitfähigen Stromsammler oder einem anderen geeigneten Träger hergestellter Verbund vorliegen.
Der ladungstragende Elektrolyt enthält typischerweise ein ladungstragendes Medium und Ionen. Das ladungstragende Medium unterliegt keinen besonderen Einschränkungen und kann aus beliebigen Medien, die geeigneterweise Energie zwischen der Kathode 22 und der Anode 24 transportieren, ausgewählt sein. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann es sich bei dem ladungstragenden Medium um eine oder mehrere Flüssigkeiten und/oder ein oder mehrere Gele handeln. Außerdem kann das ladungstragende Medium über einen weiten Temperaturbereich, beispielsweise von etwa -30 °C bis etwa 70 °C, verwendet werden, ohne dass es gefriert oder siedet, und ist typischerweise in dem elektrochemischen Fenster, in dem die Kathode 22 und die Anode 24 operieren, stabil. Nicht einschränkende Beispiele für ladungstragende Medien sind u. a. Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat, Butylencarbonat, Vinylencarbonat, Fluorethylencarbonat, Fluorpropylencarbonat, γ-Butyrolacton, Difluoressigsäuremethylester, Difluoressigsäureethylester, Dimethoxyethan, Diglyme (Bis(2-methoxyethyl)ether) und/oder Kombinationen davon. In verschiedenen Ausführungsformen enthält das ladungstragende Medium Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat und/oder Kombinationen davon.
Das ladungstragende Medium liegt typischerweise in einer Menge von 40 bis 99 Gew.-%, von 60 bis 99 Gew.-%, von 65 bis 95 Gew.-% oder von 70 bis 90 Gew.-% vor, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des ladungstragenden Elektrolyts. Alle Werte und Bereiche von Werten innerhalb der oben beschriebenen Werte sind hierdurch in verschiedenen nicht einschränkenden Ausführungsformen ausdrücklich vorgesehen.
Nunmehr bezugnehmend auf das Aktivmaterial ist das Aktivmaterial typischerweise sowohl auf der positiven Seite 14 als auch auf der negativen Seite 16 in den ladungstragenden Elektrolyt eingearbeitet oder dadurch getragen. In einer vollständig aufgeladenen Redox-Flow-Batterie 10 liegt eine (a) oxidierte Form des Aktivmaterials und eine (b) reduzierte Form des Aktivmaterials vor. Es liegt wenig oder kein Aktivmaterial gemäß nachstehenden Angaben in nichtoxidierter oder nichtreduzierter Form vor. In einer vollständig entladenen (erschöpften) Redox-Flow-Batterie 10 liegt nur sehr wenig oder keine (a) oxidierte Form des Aktivmaterials vor und liegt nur sehr wenig oder keine (b) reduzierte Form des Aktivmaterials vor. Stattdessen liegt das gesamte oder fast das gesamte Aktivmaterial in der wie nachstehend gezeigten Form in der nichtoxidierten oder nichtreduzierten Form vor.
Das Aktivmaterial kann in einer beliebigen Menge vorliegen. In verschiedenen Ausführungsformen liegt das Aktivmaterial in einer Menge von 1 bis 50, 5 bis 45, 10 bis 40, 15 bis 35, 20 bis 30, 25 bis 30, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des ladungstragenden Elektrolyts, vor. Alle Werte einschließlich der und zwischen den oben aufgeführten sind hierdurch in verschiedenen nicht einschränkenden Ausführungsformen ausdrücklich vorgesehen.
Aktivmaterial:
Nunmehr bezugnehmend auf die (a) oxidierten und (b) reduzierten Formen des Aktivmaterials weist das Aktivmaterial die folgende Formel auf: (D)-(L)-(A)-[(L)-(A)]_v-D_z (F1) oder (D)-(L)-(A)-(L-D)_x (F2), wobei D jeweils kovalent an ein L gebunden ist, wobei L jeweils kovalent an ein A gebunden ist, wobei x für eine Zahl von 0 bis 6 steht, v für eine Zahl von 0 bis 5 steht und z für 0 oder 1 steht. In dieser Formel steht D jeweils für eine Elektronendonorverbindung, L jeweils für einen Linker und A jeweils für eine Elektronenakzeptorverbindung. In dieser Formel kann x für 0, 1, 2, 3, 4 oder 5 stehen. Außerdem kann v für 0, 1, 2, 3, 4 oder 5 stehen.
Der Einfachheit halber und unter Bezugnahme auf eine grundlegende D-L-A-Struktur ist auf der positiven Seite 14 die typischerweise an der Kathode 22 ablaufende Halbreaktion in Gleichung 1 gezeigt: $D^{+} - L - A + e^{-} \to D - L - A$
Auf der negativen Seite ist die typischerweise an der Anode 24 ablaufende Halbreaktion in Gleichung 2 gezeigt: $D - L - A^{-} + e^{-} \to D - L - A$
Da die Produkte der in den obigen Gleichungen 1 und 2 gezeigten Halbreaktionen identisch sind, tritt typischerweise keine Kreuzkontamination der verbrauchten aktiven Spezies auf. Demgemäß erfordert die Redox-Flow-Batterie 10 keine lonenaustauschermembran und keinen nichtselektiven porösen Separator, die bzw. der die Kathode 22 und die Anode 24 trennt. Eine derartige Membran oder ein derartiger nichtselektiver poröser Separator kann jedoch gegebenenfalls verwendet werden, um die Möglichkeit eines direkten elektrischen Kurzschlusses der Kathode 22 und der Anode 24 zu verhindern oder auf ein Minimum zu reduzieren, oder als Fail-Safe-Mechanismus. In verschiedenen Ausführungsformen und im Gegensatz zu herkömmlichen Redox-Flow-Batterien ist die Redox-Flow-Batterie 10 frei von einer Membran (wie einer selektiven Membran, einer ionenselektiven Membran oder einer beliebigen oben beschriebenen Membran), die die Kathode 22 und die Anode 24 trennt. Mit dieser Bauweise kann der Elektrolyt auf der positiven Seite 14 und der negativen Seite 16 über die Kathode 22 bzw. die Anode 24 eingetragen werden, und unter Nutzung des externen Schaltkreises tritt Elektronentransfer auf. Die Redox-Flow-Batterie 10 arbeitet zuverlässig in Abwesenheit der Membran, die die Kathode 22 und die Anode 24 trennt. In Abwesenheit einer Membran wird die Kreuzkontamination des Elektrolyts auf der positiven Seite 14 und der negativen Seite 16 dadurch minimiert oder verhindert, dass eine chemische Verknüpfung zwischen den Elektronendonor- und -akzeptorgruppen des Aktivmaterials bereitgestellt wird.
Unter Rückbezug auf das Aktivmaterial selbst handelt es sich bei der Formel in einer Ausführungsform, entweder gemäß (F1) oder gemäß (F2), um D-L-A, wobei v und z jeweils für 0 stehen.
In einer anderen Ausführungsform handelt es sich bei der Formel gemäß (F1) um D-L-A-L-A-D, wobei v für 1 steht und z für 1 steht.
In einer anderen Ausführungsform handelt es sich bei der Formel gemäß (F1) um D-L-A-L-A-L-A-D, wobei v für 2 steht und z für 1 steht.
In einer anderen Ausführungsform handelt es sich bei der Formel gemäß (F1) um D-L-A-L-A-L-A-L-A-D, wobei v für 3 steht und z für 1 steht.
In einer anderen Ausführungsform handelt es sich bei der Formel gemäß (F1) um D-L-A-L-A-L-A-L-A-L-A-D, wobei v für 4 steht und z für 1 steht.
In einer anderen Ausführungsform handelt es sich bei der Formel gemäß (F1) um D-L-A-L-A-L-A-L-A-L-A-L-A-D, wobei v für 5 steht und z für 1 steht.
In einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei der Formel gemäß (F2) um D-L-A-2L-D₂.
In einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei der Formel gemäß (F2) um D-L-A-3L-D₃.
In einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei der Formel gemäß (F2) um D-L-A-4L-D₄.
In einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei der Formel gemäß (F2) um D-L-A-5L-D₅.
Alle Kombinationen der obigen D, L, A, v, x und z sind hierdurch in verschiedenen nicht einschränkenden Ausführungsformen ausdrücklich vorgesehen. Bei einer oder mehreren (D)-Elektronendonorverbindungen in einer beliebigen Ausführungsform hierin kann es sich um eine beliebige nachstehend beschriebene (D)-Elektronendonorverbindung handeln. Ganz analog kann es sich bei einem oder mehreren (L)-Linkern in einer beliebigen Ausführungsform hierin um einen beliebigen nachstehend beschriebenen (L)-Linker handeln. Außerdem kann es sich bei einer oder mehreren (A)-Elektronenakzeptorverbindungen in in einer beliebigen Ausführungsform hierin um eine beliebige nachstehend beschriebene (A)-Elektronenakzeptorverbindung handeln. Mit anderen Worten können in einem Aktivmaterial zwei oder mehr verschiedene (D), (L) und/oder (A) vorliegen.
Elektronendonorverbindung (D):
In verschiedenen Ausführungsformen weisen eine oder mehrere der (D)-Elektronendonorverbindungen die folgende Struktur auf:
In dieser Struktur steht X für eine kovalente Bindung, ein Schwefelatom (S), SO₂ oder N-R⁶, und wobei R¹, R², R³, R⁴, R⁶, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils unabhängig für ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe, eine Nitrilgruppe, eine Halogenalkylgruppe, eine Perhalogenalkylgruppe, eine Acylgruppe, eine Acyloxygruppe, eine Acetylgruppe, eine Halogenacetylgruppe, eine Alkylarylgruppe, eine Alkoxygruppe, eine Acetamidogruppe, eine Amidogruppe, eine Arylgruppe, eine Aralkylgruppe, eine Alkylcarboxylgruppe, eine Arylcarboxylgruppe, eine Alkylsulfonylgruppe, eine Benzoylgruppe, eine Carbamoylgruppe, eine Carboxygruppe, eine Cyanogruppe, eine Formylgruppe, eine Halogengruppe, eine Halogenacetamidogruppe, eine Halogenacylgruppe, eine Halogenalkylsulfonylgruppe, eine Halogenarylgruppe, eine Arylhalogenalkylgruppe, eine Methylsulfonyloxylgruppe, eine Nitrogruppe, eine Oxogruppe, eine Alkylethergruppe, eine Halogenalkylethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Phosphatgruppe, eine Phosphonatgruppe oder eine Alkylphosphonatgruppe stehen. Außerdem können ein beliebiges von R¹, R², R³, R⁴, R⁶, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ für jede Struktur hierin wie nachstehend ausführlicher beschrieben sein. Anders ausgedrückt, sind hierdurch verschiedene nicht einschränkende Ausführungsformen ausdrücklich vorgesehen, in denen R¹, R², R³, R⁴, R⁶, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils unabhängig wie in allen nachstehenden Abschnitten beschrieben ausgewählt sind. In verschiedenen Ausführungsformen stehen R¹ und R² jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe (einschließlich Perhalogenalkyl) oder eine Alkylethergruppe und steht mindestens eines von R³ und R⁴ für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe (einschließlich Perhalogenalkyl), eine Alkylethergruppe, eine Acylgruppe oder eine Halogenacylgruppe. Ohne Festlegung auf irgendeine besondere Theorie wird angenommen, dass durch die Substitution an diesen Positionen überraschenderweise das Oxidationspotential durch einen sterischen Effekt erhöht wird. In anderen Ausführungsformen sind R¹, R², R³ und R⁴ jeweils aus Alkylgruppen, Alkylethergruppen, Acetylgruppen und CF₃-Gruppen ausgewählt. Alternative Elektronendonorverbindungen sind u. a. substituierte Carbazole, substituierte 5,10-Dihydrophenazine und Kombinationen davon. In verschiedenen Ausführungsformen stehen R³ und R⁴ jeweils für Wasserstoffatome (z. B. R³=R⁴=H), egal welche Struktur verwendet wird.
In anderen Ausführungsformen weisen eine oder mehrere der (D)-Elektronendonorverbindungen die folgende Struktur auf:
In verschiedenen Ausführungsformen stehen R¹, R², R³ und R⁴ jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen), eine Perhalogenalkylgruppe, eine Acylgruppe, eine Acyloxygruppe, eine Acetylgruppe, eine Halogenacetylgruppe, eine Alkarylgruppe, eine Alkoxygruppe, eine Acetamidogruppe, eine Amidogruppe, eine Arylgruppe, eine Aralkylgruppe, eine Alkylcarboxylgruppe, eine Arylcarboxylgruppe, eine Alkylsulfonylgruppe, eine Benzoylgruppe, eine Carbamoylgruppe, eine Carboxygruppe, eine Cyanogruppe, eine Formylgruppe, eine Halogengruppe, eine Halogenacetamidogruppe, eine Halogenacylgruppe, eine Halogenalkylsulfonylgruppe, eine Halogenarylgruppe, eine Methylsulfonyloxylgruppe, eine Nitrogruppe, eine Oxogruppe, eine Alkylethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Phosphatgruppe, eine Phosphonatgruppe oder eine Alkylphosphonatgruppe. Alternativ dazu steht eines von R³ und R⁴ für ein Wasserstoffatom. In einer Ausführungsform steht eines von R³ und R⁴ für ein Wasserstoffatom, wohingegen das andere von R³ und R⁴ nicht für ein Wasserstoffatom steht.
In anderen Ausführungsformen stehen R¹ und R² jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen), eine Perhalogenalkylgruppe, eine Acylgruppe, eine Acyloxygruppe, eine Acetylgruppe, eine Halogenacetylgruppe, eine Alkarylgruppe, eine Alkoxygruppe, eine Acetamidogruppe, eine Amidogruppe, eine Arylgruppe, eine Aralkylgruppe, eine Alkylcarboxylgruppe, eine Arylcarboxylgruppe, eine Alkylsulfonylgruppe, eine Benzoylgruppe, eine Carbamoylgruppe, eine Carboxygruppe, eine Cyanogruppe, eine Formylgruppe, eine Halogengruppe, eine Halogenacetamidogruppe, eine Halogenacylgruppe, eine Halogenalkylsulfonylgruppe, eine Halogenarylgruppe, eine Methylsulfonyloxylgruppe, eine Nitrogruppe, eine Oxogruppe, eine Alkylethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Phosphatgruppe, eine Phosphonatgruppe oder eine Alkylphosphonatgruppe. In verwandten Ausführungsformen stehen R³ und R⁴ jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe mit 1-6 oder 1-12 Kohlenstoffatomen oder eine Halogenalkylgruppe (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen) mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen. Alternativ dazu steht eines von R³ und R⁴ für ein Wasserstoffatom. In einer Ausführungsform steht eines von R³ und R⁴ für ein Wasserstoffatom, wohingegen das andere von R³ und R⁴ nicht für ein Wasserstoffatom steht.
In weiteren Ausführungsformen stehen R¹ und R² jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe mit 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatomen oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Trifluormethylgruppe, eine Halogengruppe, eine Cyanogruppe, eine Alkylethergruppe mit 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Alkylethergruppe mit 1-12 Kohlenstoffatomen oder eine Trialkylammoniumalkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen. In anderen Ausführungsformen stehen R³ und R⁴ jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe mit 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatomen oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Halogenalkylgruppe (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen) mit 1-6 oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Perhalogenalkylgruppe mit 1-6 oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Acylgruppe, eine Halogenacylgruppe oder eine Perhalogenacylgruppe. Nicht einschränkende Beispiele für geeignete Alkylgruppen sind Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl, sec-Butyl, tert-Butyl, Neopentyl, n-Pentyl, Hexyl, Octyl und dergleichen, wie für den Fachmann ersichtlich ist. Alternativ dazu sind alle Werte und Bereiche von Werten innerhalb der oben beschriebenen Werte hierdurch in verschiedenen nicht einschränkenden Ausführungsformen ausdrücklich vorgesehen.
In weiteren Ausführungsformen sind R³ und R⁴ jeweils sterisch sperrig. Der Begriff „sterisch sperrig“ ist dem Fachmann geläufig. Beispielsweise können R³ und R⁴ jeweils für eine C₂-C₄-Alkylgruppe, wie eine Isopropyl-, Butyl-, Isobutyl-, sec-Butyl- oder tert-Butylgruppe, stehen. Diese Arten von Gruppen können ein Potential zu einem positiveren Wert hin verschieben, ohne dabei die Stabilität der Verbindung zu verringern (oder zumindest einen Effekt auf die Stabilität der Verbindung zu minimieren). Alternativ dazu können R³ und R⁴ jeweils für eine C₂-C₅-Alkylgruppe stehen und die oben beschriebenen Gruppen und Neopentylgruppen einschließen. In weiteren Ausführungsformen können R³ und R⁴ jeweils für Methyl- und/oder CF₃-Gruppen stehen. In einigen Ausführungsformen zeigen Berechnungen in Relation zu Phenothiazinen, 5,10-Dihydrophenazinen und Carbazolen, dass Methylgruppen, Halogenalkylgruppen (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen) und Perhalogenalkylgruppen sterisch sperrig genug sind, um eine positive Verschiebung des Oxidationspotentials zu bewirken.
In verschiedenen Ausführungsformen stehen R¹ und R² jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe (einschließlich Perhalogenalkyl) oder eine Alkylethergruppe und steht mindestens eines von R³ und R⁴ für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe (einschließlich Perhalogenalkyl), eine Alkylethergruppe, eine Acylgruppe oder eine Halogenacylgruppe. In anderen Ausführungsformen sind R¹, R², R³ und R⁴ jeweils aus Alkylgruppen, Alkylethergruppen, Acetylgruppen und CF₃-Gruppen ausgewählt. Ohne Festlegung auf irgendeine besondere Theorie wird angenommen, dass durch die Substitution an diesen Positionen überraschenderweise das Oxidationspotential durch einen sterischen Effekt erhöht wird.
In anderen Ausführungsformen weisen eine oder mehrere der (D)-Elektronendonorverbindungen eine der folgenden Strukturen auf:
oder
oder
Ohne Festlegung auf irgendeine besondere Theorie wird angenommen, dass 5,10-Dihydrophenazine das niedrigste Basislinien-Oxidationspotential aufweisen, Phenothiazine ein mittleres Oxidationspotential aufweisen, Carbazole ein etwas höheres Basislinien-Oxidationspotential als Phenothiazine aufweisen und Phenothiazin-5,5-dioxide das höchste Basislinien-Oxidationspotential aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen können die sterischen Effekte einer ortho-Substitution an den 1,8-Positionen des Carbazols relativ bescheiden sein. Außerdem können die sterischen Effekte einer ortho-Substitution an den 1-, 4-, 6-, 9-Positionen von 5,10-Dihydrophenazin größer sein.
In diesen Strukturen stehen R¹, R², R³, R⁴, R⁶, R⁷ und R⁸ jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen), eine Perhalogenalkylgruppe, eine Acylgruppe, eine Acyloxygruppe, eine Acetylgruppe, eine Halogenacetylgruppe, eine Alkarylgruppe, eine Alkoxygruppe, eine Acetamidogruppe, eine Amidogruppe, eine Arylgruppe, eine Aralkylgruppe, eine Alkylcarboxylgruppe, eine Arylcarboxylgruppe, eine Alkylsulfonylgruppe, eine Benzoylgruppe, eine Carbamoylgruppe, eine Carboxygruppe, eine Cyanogruppe, eine Formylgruppe, eine Halogengruppe, eine Halogenacetamidogruppe, eine Halogenacylgruppe, eine Halogenalkylsulfonylgruppe, eine Halogenarylgruppe, eine Methylsulfonyloxylgruppe, eine Nitrogruppe, eine Oxogruppe, eine Alkylethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Phosphatgruppe, eine Phosphonatgruppe oder eine Alkylphosphonatgruppe. In einer Ausführungsform steht eines von R³ und R⁴ und/oder eines von R⁷ und R⁸ für ein Wasserstoffatom, wohingegen das andere von R³ und R⁴ und/oder R⁷ und R⁸ nicht für ein Wasserstoffatom steht. R⁹ und R¹⁰ können jeweils unabhängig mit einem der oben beschriebenen R¹, R², R³, R⁴, R⁶, R⁷ und/oder R⁸ identisch oder davon verschieden sein. In anderen Ausführungsformen können beliebige oder alle von R¹, R², R⁹ und R¹⁰ für H stehen. Alternativ dazu steht eines von R³ und R⁴ für ein Wasserstoffatom. In einer Ausführungsform steht eines von R³ und R⁴ für ein Wasserstoffatom, wohingegen das andere von R³ und R⁴ nicht für ein Wasserstoffatom steht. In einer anderen Ausführungsform stehen R³ und R⁴ und R⁷ und R⁸ jeweils für Wasserstoff.
In anderen Ausführungsformen stehen R¹ und R² jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen), eine Perhalogenalkylgruppe, eine Acylgruppe, eine Acyloxygruppe, eine Acetylgruppe, eine Halogenacetylgruppe, eine Alkarylgruppe, eine Alkoxygruppe, eine Acetamidogruppe, eine Amidogruppe, eine Arylgruppe, eine Aralkylgruppe, eine Alkylcarboxylgruppe, eine Arylcarboxylgruppe, eine Alkylsulfonylgruppe, eine Benzoylgruppe, eine Carbamoylgruppe, eine Carboxygruppe, eine Cyanogruppe, eine Formylgruppe, eine Halogengruppe, eine Halogenacetamidogruppe, eine Halogenacylgruppe, eine Halogenalkylsulfonylgruppe, eine Halogenarylgruppe, eine Methylsulfonyloxylgruppe, eine Nitrogruppe, eine Oxogruppe, eine Alkylethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Phosphatgruppe, eine Phosphonatgruppe oder eine Alkylphosphonatgruppe. In verwandten Ausführungsformen stehen R³ und R⁴ jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen oder eine Halogenalkylgruppe (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen) mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen. Alternativ dazu steht eines von R³ und R⁴ für ein Wasserstoffatom. In einer Ausführungsform steht eines von R³ und R⁴ für ein Wasserstoffatom, wohingegen das andere von R³ und R⁴ nicht für ein Wasserstoffatom steht. In anderen Ausführungsformen steht R⁶ unabhängig für eine Alkylgruppe mit 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatomen oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Halogenalkylgruppe (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen) mit 1-6 oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Perhalogenalkylgruppe mit 1-6 oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Alkylethergruppe mit 1-12 Kohlenstoffatomen oder eine Trialkylammoniumalkylgruppe. In weiteren Ausführungsformen sind R⁷ und R⁸ jeweils mit R³ bzw. R⁴ identisch oder davon verschieden. Alternativ dazu können R⁷ und R⁸ jeweils für eine beliebige oben in Verbindung mit R³ und/oder R⁴ beschriebene Gruppe stehen. Alternativ dazu sind alle Werte und Bereiche von Werten innerhalb der oben beschriebenen Werte hierdurch in verschiedenen nicht einschränkenden Ausführungsformen ausdrücklich vorgesehen.
In weiteren Ausführungsformen stehen R¹ und R² jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe mit 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatomen oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Trifluormethylgruppe, eine Halogengruppe, eine Cyanogruppe, eine Alkylethergruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen oder eine Trialkylammoniumalkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen. In anderen Ausführungsformen stehen R³ und R⁴ jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe mit 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatomen oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Halogenalkylgruppe (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen) mit 1-6 oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Perhalogenalkylgruppe mit 1-6 oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Acylgruppe oder eine Halogenacylgruppe. Alternativ dazu sind alle Werte und Bereiche von Werten innerhalb der oben beschriebenen Werte hierdurch in verschiedenen nicht einschränkenden Ausführungsformen ausdrücklich vorgesehen.
In weiteren Ausführungsformen sind R³ und R⁴ jeweils sterisch sperrig. Der Begriff „sterisch sperrig“ ist dem Fachmann geläufig. Beispielsweise können R³ und R⁴ jeweils für eine C₂-C₄-Alkylgruppe, wie eine Isopropyl-, Butyl-, Isobutyl-, sec-Butyl- oder tert-Butylgruppe, stehen. Diese Arten von Gruppen können ein Potential zu einem positiveren Wert hin verschieben, ohne dabei die Stabilität der Verbindung zu verringern (oder zumindest einen Effekt auf die Stabilität der Verbindung zu minimieren). Alternativ dazu können R³ und R⁴ jeweils für eine C₂-C₅-Alkylgruppe stehen und die oben beschriebenen Gruppen und Neopentylgruppen einschließen. In weiteren Ausführungsformen können R³ und R⁴ jeweils für Methyl- und/oder CF₃-Gruppen stehen. Alternativ dazu steht eines von R³ und R⁴ für ein Wasserstoffatom. In einer Ausführungsform steht eines von R³ und R⁴ für ein Wasserstoffatom, wohingegen das andere von R³ und R⁴ nicht für ein Wasserstoffatom steht. In einigen Ausführungsformen zeigen Berechnungen in Relation zu Phenothiazinen, 5,10-Dihydrophenazinen und Carbazolen, dass Methylgruppen, Halogenalkylgruppen (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen) und Perhalogenalkylgruppen sterisch sperrig genug sind, um eine positive Verschiebung des Oxidationspotentials zu bewirken.
In verschiedenen Ausführungsformen stehen R¹ und R² jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe (einschließlich Perhalogenalkyl) oder eine Alkylethergruppe und steht mindestens eines von R³ und R⁴ für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe (einschließlich Perhalogenalkyl), eine Alkylethergruppe, eine Acylgruppe oder eine Halogenacylgruppe. In anderen Ausführungsformen sind R¹, R², R³ und R⁴ jeweils aus Alkylgruppen, Alkylethergruppen, Acetylgruppen und CF₃-Gruppen ausgewählt. Ohne Festlegung auf irgendeine besondere Theorie wird angenommen, dass durch die Substitution an diesen Positionen überraschenderweise das Oxidationspotential durch einen sterischen Effekt erhöht wird.
In anderen Ausführungsformen weisen eine oder mehrere der (D)-Elektronendonorverbindungen die folgende Struktur auf:
In diesen Ausführungsformen steht X für die kovalente Bindung, so dass der mittlere Ring ein fünfgliedriger Ring ist, wie unmittelbar oben gezeigt. In verschiedenen Ausführungsformen stehen R¹, R², R³ und R⁴ jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen), eine Perhalogenalkylgruppe, eine Acylgruppe, eine Acyloxygruppe, eine Acetylgruppe, eine Halogenacetylgruppe, eine Alkarylgruppe, eine Alkoxygruppe, eine Acetamidogruppe, eine Amidogruppe, eine Arylgruppe, eine Aralkylgruppe, eine Alkylcarboxylgruppe, eine Arylcarboxylgruppe, eine Alkylsulfonylgruppe, eine Benzoylgruppe, eine Carbamoylgruppe, eine Carboxygruppe, eine Cyanogruppe, eine Formylgruppe, eine Halogengruppe, eine Halogenacetamidogruppe, eine Halogenacylgruppe, eine Halogenalkylsulfonylgruppe, eine Halogenarylgruppe, eine Methylsulfonyloxylgruppe, eine Nitrogruppe, eine Oxogruppe, eine Alkylethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Phosphatgruppe, eine Phosphonatgruppe oder eine Alkylphosphonatgruppe. In einer Ausführungsform steht eines von R³ und R⁴ für ein Wasserstoffatom und das andere von R³ und R⁴ nicht für ein Wasserstoffatom. In einer anderen Ausführungsform stehen R³ und R⁴ jeweils für ein Wasserstoffatom.
In anderen Ausführungsformen stehen R¹ und R² jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen), eine Perhalogenalkylgruppe, eine Acylgruppe, eine Acyloxygruppe, eine Acetylgruppe, eine Halogenacetylgruppe, eine Alkarylgruppe, eine Alkoxygruppe, eine Acetamidogruppe, eine Amidogruppe, eine Arylgruppe, eine Aralkylgruppe, eine Alkylcarboxylgruppe, eine Arylcarboxylgruppe, eine Alkylsulfonylgruppe, eine Benzoylgruppe, eine Carbamoylgruppe, eine Carboxygruppe, eine Cyanogruppe, eine Formylgruppe, eine Halogengruppe, eine Halogenacetamidogruppe, eine Halogenacylgruppe, eine Halogenalkylsulfonylgruppe, eine Halogenarylgruppe, eine Methylsulfonyloxylgruppe, eine Nitrogruppe, eine Oxogruppe, eine Alkylethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Phosphatgruppe, eine Phosphonatgruppe oder eine Alkylphosphonatgruppe. In verwandten Ausführungsformen stehen R³ und R⁴ jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen oder eine Halogenalkylgruppe (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen) mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen. Alternativ dazu steht eines von R³ und R⁴ für ein Wasserstoffatom. In einer Ausführungsform steht eines von R³ und R⁴ für ein Wasserstoffatom, wohingegen das andere von R³ und R⁴ nicht für ein Wasserstoffatom steht.
In weiteren Ausführungsformen stehen R¹ und R² jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe mit 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatomen oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Trifluormethylgruppe, eine Halogengruppe, eine Cyanogruppe, eine Alkylethergruppe mit 1-6 oder 1-12 Kohlenstoffatomen oder eine Trialkylammoniumalkylgruppe mit 1-12 Kohlenstoffatomen. In anderen Ausführungsformen stehen R³ und R⁴ jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe mit 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatomen oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Halogenalkylgruppe (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen) mit 1-6 oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Perhalogenalkylgruppe mit 1-6 oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Acylgruppe oder eine Halogenacylgruppe. Alternativ dazu sind alle Werte und Bereiche von Werten innerhalb der oben beschriebenen Werte hierdurch in verschiedenen nicht einschränkenden Ausführungsformen ausdrücklich vorgesehen.
In weiteren Ausführungsformen sind R³ und R⁴ jeweils sterisch sperrig. Der Begriff „sterisch sperrig“ ist dem Fachmann geläufig. Beispielsweise können R³ und R⁴ jeweils für eine C₂-C₄-Alkylgruppe, wie eine Isopropyl-, Butyl-, Isobutyl-, sec-Butyl- oder tert-Butylgruppe, stehen. Diese Arten von Gruppen können ein Potential zu einem positiveren Wert hin verschieben, ohne dabei die Stabilität der Verbindung zu verringern (oder zumindest einen Effekt auf die Stabilität der Verbindung zu minimieren). Ohne Festlegung auf irgendeine besondere Theorie wird jedoch angenommen, dass der Effekt sperriger Substituenten für Phenothiezin in der Regel größer ist als für Carbazol. Alternativ dazu können R³ und R⁴ jeweils für eine C₂-C₅-Alkylgruppe stehen und die oben beschriebenen Gruppen und Neopentylgruppen einschließen. Die Identität der an den Stickstoff des Carbazols gebundenen Gruppen kann vom Fachmann zur Erhöhung oder Verringerung der Löslichkeit ausgewählt werden. In weiteren Ausführungsformen können R³ und R⁴ jeweils für Methyl- und/oder CF₃-Gruppen stehen. Alternativ dazu steht eines von R³ und R⁴ für ein Wasserstoffatom. In einer Ausführungsform steht eines von R³ und R⁴ für ein Wasserstoffatom, wohingegen das andere von R³ und R⁴ nicht für ein Wasserstoffatom steht.
In verschiedenen Ausführungsformen stehen R¹ und R² jeweils unabhängig für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe (einschließlich Perhalogenalkyl) oder eine Alkylethergruppe und steht mindestens eines von R³ und R⁴ für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe (einschließlich Perhalogenalkyl), eine Alkylethergruppe, eine Acylgruppe oder eine Halogenacylgruppe. In anderen Ausführungsformen sind R¹, R², R³ und R⁴ jeweils aus Alkylgruppen, Alkylethergruppen, Acetylgruppen und CF₃-Gruppen ausgewählt. Ohne Festlegung auf irgendeine besondere Theorie wird angenommen, dass durch die Substitution an diesen Positionen überraschenderweise das Oxidationspotential durch einen sterischen Effekt erhöht wird.
In anderen Ausführungsformen weisen eine oder mehrere der (D)-Elektronendonorverbindungen die folgende Struktur auf:
In verschiedenen Ausführungsformen stehen R¹ und R² unabhängig für eine Alkylgruppe, eine Nitrilgruppe, eine Halogenalkylgruppe, eine Perhalogenalkylgruppe, eine Acylgruppe, eine Acyloxygruppe, eine Acetylgruppe, eine Halogenacetylgruppe, eine Alkylarylgruppe, eine Alkoxygruppe, eine Acetamidogruppe, eine Amidogruppe, eine Arylgruppe, eine Aralkylgruppe, eine Alkylcarboxylgruppe, eine Arylcarboxylgruppe, eine Alkylsulfonylgruppe, eine Benzoylgruppe, eine Carbamoylgruppe, eine Carboxygruppe, eine Cyanogruppe, eine Formylgruppe, eine Halogengruppe, eine Halogenacetamidogruppe, eine Halogenacylgruppe, eine Halogenalkylsulfonylgruppe, eine Halogenarylgruppe, eine Arylhalogenalkylgruppe, eine Methylsulfonyloxylgruppe, eine Nitrogruppe, eine Oxogruppe, eine Alkylethergruppe, eine Halogenalkylethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Phosphatgruppe, eine Phosphonatgruppe oder eine Alkylphosphonatgruppe. R³ und/oder R⁴ können unabhängig für Wasserstoff, einer Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe, eine Perhalogenalkylgruppe, eine Acylgruppe, eine Acyloxygruppe, eine Acetylgruppe, eine Halogenacetylgruppe, eine Alkylarylgruppe, eine Alkoxygruppe, eine Acetamidogruppe, eine Amidogruppe, eine Arylgruppe, eine Aralkylgruppe, eine Alkylcarboxylgruppe, eine Arylcarboxylgruppe, eine Alkylsulfonylgruppe, eine Benzoylgruppe, eine Carbamoylgruppe, eine Carboxygruppe, eine Cyanogruppe, eine Formylgruppe, eine Halogengruppe, eine Halogenacetamidogruppe, eine Halogenacylgruppe, eine Halogenalkylsulfonylgruppe, eine Halogenarylgruppe, eine Arylhalogenalkylgruppe, eine Methylsulfonyloxylgruppe, eine Nitrogruppe, eine Oxogruppe, eine Alkylethergruppe, eine Halogenalkylethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Phosphatgruppe, eine Phosphonatgruppe oder eine Alkylphosphonatgruppe stehen.
In anderen Ausführungsformen stehen R¹ und R² unabhängig für eine Alkylgruppe, eine Nitrilgruppe, eine Halogenalkylgruppe (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen), eine Perhalogenalkylgruppe, eine Acylgruppe, eine Acyloxygruppe, eine Acetylgruppe, eine Halogenacetylgruppe, eine Alkarylgruppe, eine Alkoxygruppe, eine Acetamidogruppe, eine Amidogruppe, eine Arylgruppe, eine Aralkylgruppe, eine Alkylcarboxylgruppe, eine Arylcarboxylgruppe, eine Alkylsulfonylgruppe, eine Benzoylgruppe, eine Carbamoylgruppe, eine Carboxygruppe, eine Cyanogruppe, eine Formylgruppe, eine Halogengruppe, eine Halogenacetamidogruppe, eine Halogenacylgruppe, eine Halogenalkylsulfonylgruppe, eine Halogenarylgruppe, eine Methylsulfonyloxylgruppe, eine Nitrogruppe, eine Oxogruppe, eine Alkylethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Phosphatgruppe, eine Phosphonatgruppe oder eine Alkylphosphonatgruppe. In einer Ausführungsform steht eines oder beide von R³ und R⁴ für Wasserstoff. In einer anderen Ausführungsform steht eines von R³ und R⁴ für ein Wasserstoffatom, wohingegen das andere von R³ und R⁴ nicht für ein Wasserstoffatom steht. In anderen Ausführungsformen steht R³ für eine Alkylgruppe mit 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatomen oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Halogenalkylgruppe (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen) mit 1-6 oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Perhalogenalkylgruppe mit 1-6 oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Alkylethergruppe mit 1-6 oder 1-12 Kohlenstoffatomen oder eine Trialkylammoniumalkylgruppe mit 1-6 oder 1-12 Kohlenstoffatomen. Alternativ dazu sind alle Werte und Bereiche von Werten innerhalb der oben beschriebenen Werte hierdurch in verschiedenen nicht einschränkenden Ausführungsformen ausdrücklich vorgesehen.
In weiteren Ausführungsformen stehen R¹ und R² unabhängig für eine Alkylgruppe mit 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatomen oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Trifluormethylgruppe, eine Halogengruppe, eine Cyanogruppe, eine Alkylethergruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, eine Alkylethergruppe mit 1-12 Kohlenstoffatomen oder eine Trialkylammoniumalkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen. In anderen Ausführungsformen stehen R³ und R⁴ unabhängig für eine Alkylgruppe mit 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatomen oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Halogenalkylgruppe (z. B. Mono-, Di- oder Trihalogen) mit 1-6 oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Perhalogenalkylgruppe mit 1-6 oder 1-12 Kohlenstoffatomen, eine Acylgruppe, eine Halogenacylgruppe oder eine Perhalogenacylgruppe. Nicht einschränkende Beispiele für geeignete Alkylgruppen sind Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl, sec-Butyl, tert-Butyl, Neopentyl, n-Pentyl, Hexyl, Octyl und dergleichen, wie für den Fachmann ersichtlich ist. Alternativ dazu sind alle Werte und Bereiche von Werten innerhalb der oben beschriebenen Werte hierdurch in verschiedenen nicht einschränkenden Ausführungsformen ausdrücklich vorgesehen.
In weiteren Ausführungsformen ist eines von R³ und R⁴ sterisch sperrig. In einer anderen Ausführungsform sind R³ und R⁴ jeweils sterisch sperrig. Der Begriff „sterisch sperrig“ ist dem Fachmann geläufig. Beispielsweise kann eines oder jedes von R³ und R⁴ für eine C₂-C₄-Alkylgruppe, wie eine Isopropyl-, Butyl-, Isobutyl-, sec-Butyl- oder tert-Butylgruppe, stehen. Diese Arten von Gruppen können ein Potential zu einem positiveren Wert hin verschieben, ohne dabei die Stabilität der Verbindung zu verringern (oder zumindest einen Effekt auf die Stabilität der Verbindung zu minimieren). In einigen Fällen können diese Arten von Gruppen sogar die Stabilität der Verbindung erhöhen. Alternativ dazu kann eines oder jedes von R³ und R⁴ für eine C₂-C₅-Alkylgruppe stehen und die oben beschriebenen Gruppen und Neopentylgruppen einschließen. In weiteren Ausführungsformen können R³ und R⁴ jeweils für Methyl- und/oder CF₃-Gruppen stehen.
In verschiedenen Ausführungsformen stehen R¹ und R² unabhängig für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe (einschließlich Perhalogenalkyl) oder eine Alkylethergruppe und steht mindestens eines von R³, R³ und R⁴ für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe (einschließlich Perhalogenalkyl), eine Alkylethergruppe, eine Acylgruppe oder eine Halogenacylgruppe. In anderen Ausführungsformen sind R¹, R², R³ und R⁴ jeweils aus Alkylgruppen, Alkylethergruppen, Acetylgruppen und CF₃-Gruppen ausgewählt. Ohne Festlegung auf irgendeine besondere Theorie wird angenommen, dass durch die Substitution an einigen dieser Positionen (wie z. B. bei R³ und/oder R⁴) überraschenderweise das Oxidationspotential durch einen sterischen Effekt erhöht wird.
In einer besonderen Ausführungsform stehen R¹ und R² unabhängig für eine Alkylgruppe oder eine Nitrilgruppe. In einer anderen Ausführungsform steht R³ für eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe, eine Perhalogenalkylgruppe, eine Acylgruppe, eine Acyloxygruppe, eine Acetylgruppe, eine Halogenacetylgruppe, eine Alkylarylgruppe, eine Alkoxygruppe, eine Acetamidogruppe, eine Amidogruppe, eine Arylgruppe, eine Aralkylgruppe, eine Alkylcarboxylgruppe, eine Arylcarboxylgruppe, eine Alkylsulfonylgruppe, eine Benzoylgruppe, eine Carbamoylgruppe, eine Carboxygruppe, eine Cyanogruppe, eine Formylgruppe, eine Halogengruppe, eine Halogenacetamidogruppe, eine Halogenacylgruppe, eine Halogenalkylsulfonylgruppe, eine Halogenarylgruppe, eine Arylhalogenalkylgruppe, eine Methylsulfonyloxylgruppe, eine Nitrogruppe, eine Oxogruppe, eine Alkylethergruppe, eine Halogenalkylethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Phosphatgruppe, eine Phosphonatgruppe, eine Alkylphosphonatgruppe oder eine Trialkylaniliniumgruppe. In verschiedenen Ausführungsformen stehen eines oder beide von R³ und R⁴ unabhängig für Wasserstoff, eine Alkylgruppe, eine Halogenalkylgruppe, eine Perhalogenalkylgruppe, eine Acylgruppe, eine Acyloxygruppe, eine Acetylgruppe, eine Halogenacetylgruppe, eine Alkylarylgruppe, eine Alkoxygruppe, eine Acetamidogruppe, eine Amidogruppe, eine Arylgruppe, eine Aralkylgruppe, eine Alkylcarboxylgruppe, eine Arylcarboxylgruppe, eine Alkylsulfonylgruppe, eine Benzoylgruppe, eine Carbamoylgruppe, eine Carboxygruppe, eine Cyanogruppe, eine Formylgruppe, eine Halogengruppe, eine Halogenacetamidogruppe, eine Halogenacylgruppe, eine Halogenalkylsulfonylgruppe, eine Halogenarylgruppe, eine Arylhalogenalkylgruppe, eine Methylsulfonyloxylgruppe, eine Nitrogruppe, eine Oxogruppe, eine Alkylethergruppe, eine Halogenalkylethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Phosphatgruppe, eine Phosphonatgruppe oder eine Alkylphosphonatgruppe.
In einer zusätzlichen Ausführungsform weisen eine oder mehrere der (D)-Elektronendonorverbindungen die folgende Struktur auf:
Diese Struktur (D2) kann zusammen mit einer der obigen Donorstrukturen (D) oder unabhängig von den anderen Donorstrukturen (D) verwendet werden.
Außerdem ist anzumerken, dass L in jeder der obigen Strukturen für den Linker steht.
Linker (L):
Nunmehr bezugnehmend auf den Linker (L) kann L jeweils für eine verknüpfende Verbindung stehen, die aus einer Alkylgruppe mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, einer aromatischen Gruppe und einer direkten Bindung zwischen der Elektronendonorverbindung (D) und der Elektronenakzeptorverbindung (A) ausgewählt ist. In verschiedenen Ausführungsformen weist die Alkylgruppe 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatome auf und kann linear, verzweigt oder cyclisch sein. In einer Ausführungsform steht (L) für -CH₂-CH₂-CH₂-. In einer anderen Ausführungsform steht (L) für Phenyl oder Phenylen. Bei der aromatischen Gruppe kann es sich um eine beliebige in der Technik bekannte Gruppe handeln, zum Beispiel eine Aryl- oder substituierte Arylgruppe. In verschiedenen Ausführungsformen kann (L) jeweils auch einen Ether, eine Ammoniumgruppe oder eine Phosphoniumgruppe enthalten. In Ausführungsformen, in denen der Linker (L) für eine direkte Bindung steht, ist die Elektronendonorverbindung (D) direkt an die Elektronenakzeptorverbindung (A) gebunden, wie beispielsweise über eine kovalente Bindung.
Elektronenakzeptorverbindung (A):
Unter Rückbezug und in einer Ausführungsform können eine oder mehrere der (A)-Elektronenakzeptorverbindungen die folgende Struktur (A1) oder (A2) oder (A3) oder (A4) oder (A5) aufweisen:
oder
oder
oder
oder
In Bezug auf (A1) und (A3) stehen R¹² und R¹⁴ jeweils für eine Phenylgruppe, ein Wasserstoffatom, eine Arylgruppe oder eine substituierte Arylgruppe oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen und R¹³ und R¹⁵ jeweils für ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen. In verschiedenen Ausführungsformen weist jede Alkylgruppe unabhängig 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatome auf und kann linear, verzweigt oder cyclisch sein.
In Bezug auf (A1) und (A3) ist R¹¹ aus einem Wasserstoffatom, einer Alkylgruppe, einer Acetylgruppe, einer Arylgruppe, einer substituierten Arylgruppe oder einer Gruppe mit der folgenden Struktur (P1) oder (P2):
ausgewählt.
Für (A3) steht R¹¹ für eine der obigen Gruppen mit Ausnahme eines Wasserstoffatoms.
Die obige Alkylgruppe von R¹¹ kann eine beliebige in der Technik bekannte Gruppe sein und linear, verzweigt oder cyclisch sein. In verschiedenen Ausführungsformen weist die Alkylgruppe 1 bis 6 Kohlenstoffatome, z. B. 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatome, auf. In anderen verschiedenen Ausführungsformen kann es sich bei der Alkylgruppe um eine Alkylgruppe, eine Alkylethergruppe, eine Alkyloligoethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Alkylphosphatgruppe, eine Alkylphosphonatgruppe oder eine Alkylphosphoniumgruppe handeln. Ganz ähnlich kann sich auch die Stickstoffposition an einer beliebigen Stelle an dem Ring in Relation zur fakultativen mittleren Phenyleinheit aus y Untereinheiten befinden, z. B. ortho, meta oder para. Bei der substituierten Arylgruppe kann es sich um eine beliebige Gruppe gemäß der hier angegebenen Beschreibung handeln.
Außerdem steht in Bezug auf (P1) und (P2) y für eine Zahl von 0 bis 4, z. B. 0, 1, 2, 3 oder 4. Außerdem stehen R¹⁶-R¹⁹ jeweils für eine Phenylgruppe, ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen. In verschiedenen Ausführungsformen weist jede Alkylgruppe unabhängig 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatome auf und kann linear, verzweigt oder cyclisch sein. Außerdem kann sich jedes R¹⁶-R¹⁹ an einem beliebigen Punkt an dem Ring befinden.
Außerdem stehen für (A1) und (A2) R²⁰, R²¹, R²³ und R²⁴ jeweils für eine Phenylgruppe, ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen. R²² steht für eine Phenylgruppe oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen. In verschiedenen Ausführungsformen weist jede Alkylgruppe unabhängig 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatome auf und kann linear, verzweigt oder cyclisch sein. Außerdem, wobei L² gegebenenfalls für einen zweiten oder zusätzlichen Linker steht, wenn z für 1 bis 5, z. B. 1, 2, 3, 4 oder 5, steht. L² muss jedoch nicht verwendet werden.
Während (P1) und (P2) die Verknüpfung am Schwanz ermöglichen, versteht es sich, dass (P1) und (P2) die Verknüpfung an einer beliebigen Position der Struktur ermöglichen könnten. Außerdem ermöglicht (A1) die Verknüpfung am Kopf und (A3) die Verknüpfung am Schwanz. Es versteht sich, dass (A1) und (A3) die Verknüpfung an einer beliebigen Position der Strukturen ermöglichen könnten.
Unter Rückbezug und in Bezug auf (A2) steht s für eine Zahl von 0 bis 2, z. B. 0, 1 oder 2, t für eine Zahl von 1 bis 6, z. B. 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, und B jeweils für ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen oder eine Aryl- oder substituierte Arylgruppe. Wiederum kann jede Alkylgruppe in verschiedenen Ausführungsformen unabhängig 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatome aufweisen und linear, verzweigt oder cyclisch sein. Nicht einschränkende Beispiele für Arylgruppen sind Phenylgruppen. Nicht einschränkende Beispiele für substituierte Arylgruppen sind 4-Methylphenyl, 4-Methoxyphenyl, 4-(t-Butyl)phenyl, 2,4-Dimethylphenyl, 2,4,6-Trimethylphenyl und dergleichen. Typische Positionen sind in verschiedenen Ausführungsformen 4, dann 2 und/oder 6. Es könnte jedoch eine Substitution an allen Ringen von (A2) vorliegen. Außerdem könnte das Pyridin auch in den Positionen 3 und/oder 5 substituiert sein. In weiteren Ausführungsformen handelt es sich bei den Substituenten um kurze Alkylgruppen (C₁-C₄) und/oder kurze Alkoxygruppen (C₁-C₄).
In verschiedenen Ausführungsformen kann es sich bei einem oder mehreren der Elektronenakzeptorverbindungen (A) um eine alkylsubstituierte Version einer der oben beschriebenen Akzeptorverbindungen (A1), (A2) und (A3) handeln.
In einer anderen Ausführungsform ist die Elektronenakzeptorverbindung (A2) ferner als nachstehende Struktur (A6) definiert:
Struktur (A6) ist eine alkylsubstituierte Version von Struktur (A2). In Struktur (A6) können R²⁵-R³⁶ gleich oder verschieden sein und für eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, eine Alkylethergruppe, eine Alkyltriammoniumalkylgruppe, eine Oligoethergruppe, eine Phenylgruppe oder Wasserstoff stehen. In einer Ausführungsform stehen R²⁵ und R²⁸ jeweils für eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und die übrigen R²⁶, R²⁷ und R²⁹-R³⁶ jeweils für ein Wasserstoffatom. Bei dieser Ausführungsform wurde gefunden, dass die reduzierten Pyridine keine Coplanarität mit der zentralen verbrückenden Phenylgruppe erreichen können, was zu einem negativeren Reduktionspotential führt. Durch die mangelnde Planarität kann auch die Löslichkeit der resultierenden neutralen Spezies nach Reduktion gefördert werden. In einer anderen Ausführungsform stehen die Gruppen R²⁵, R²⁸ und R²⁹-R³⁶ jeweils für eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und die übrigen Gruppen R²⁵-R³² jeweils für ein Wasserstoffatom. In einer anderen Ausführungsform stehen die Gruppen R²⁵-R²⁸ jeweils für eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und die übrigen Gruppen R²⁹-R³⁶ jeweils für ein Wasserstoffatom. In einer weiteren Ausführungsform stehen die Gruppen R²⁵-R³² jeweils für eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und die übrigen Gruppen R³³-R³⁶ für ein Wasserstoffatom.
In einer alternativen Ausführungsform kann es sich bei einer oder mehreren der Elektronenakzeptorverbindungen (A) um ein aus obigem (A4) und (A5) ausgewähltes Arylimid handeln. Diese Arylimidverbindungen haben geringe Molekulargewichte, vernünftige Redoxpotentiale, reversible Elektrochemie und relativ stabile Reduktionsprodukte. Bei der Struktur (A4) handelt es sich um Phthalimid. In einer Ausführungsform ist die Elektronenakzeptorverbindung mit der Struktur (A4) ferner als Pyromellitsäurediimid definiert, das durch die nachstehende Struktur (A7) angegeben ist:
In einer anderen Ausführungsform handelt es sich bei der Elektronenakzeptorverbindung mit der Struktur (A5) um einen Rylen-Farbstoff. In dieser Ausführungsform ist die Elektronenakzeptorverbindung mit der Struktur (A5) ferner durch Struktur (A8) oder (A9) definiert:
oder
In alternativen Ausführungsformen kann es sich bei der Elektronenakzeptorverbindung (A) um ein Derivat der Struktur (A5) oder (A8) oder (A9) mit Substituenten an einem oder mehreren der Positionen des aromatischen Rings zur Verbesserung der Löslichkeit handeln. Nicht einschränkende Beispiele für Substituenten sind eine Alkylgruppe, eine Alkylether- oder - oligoethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Alkylphosphonatgruppe, eine Alkylphosphatgruppe, eine Alkylphosphoniumgruppe, eine Alkylsulfonatgruppe, eine Alkylsulfatgruppe, eine Alkylcarboxylatgruppe und eine Cyanoalkylgruppe. Es ist vorgesehen, dass es sich bei einem oder mehreren der Substituenten auch um eine Arylgruppe handeln könnte.
Zusätzliche Ausführungsformen:
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Elektronendonorverbindung (D) aus einer der nachstehenden Verbindungen ausgewählt:
In Bezug auf (Donor 1) steht X für S, stehen R¹ und R² jeweils für t-Butyl und stehen R³, R⁴, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils für Wasserstoff.
In Bezug auf (Donor 2) steht X für SO₂, stehen R¹ und R² jeweils für ein Alkyl mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und stehen R³, R⁴, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils für Wasserstoff.
In Bezug auf (Donor 3) steht X für eine kovalente Bindung, stehen R¹ und R² jeweils für t-Butyl und stehen R³, R⁴, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils für Wasserstoff.
In Bezug auf (Donor 5), (Donor 6) und (Donor 7) stehen R¹ und R² jeweils für eine Alkylgruppe. Zusätzlich kann die Verknüpfungsposition sich an R¹ oder R² befinden, so dass R¹ oder R² durch den (L)-Linker ersetzt sein können. Für (Donor 5) könnte (L) auch an eines der aromatischen Kohlenstoffatome gebunden sein.
In zusätzlichen Ausführungsformen ist der Linker (L) aus einem der nachstehenden Linker ausgewählt:
In weiteren Ausführungsformen ist die Elektronenakzeptorverbindung (A) aus einer der folgenden nachstehenden Verbindungen ausgewählt:

und
In Bezug auf (Akzeptor 1) wird Struktur (A1) verwendet, wobei R¹¹ für eine Methylgruppe steht und R¹², R¹³, R¹⁴ und R¹⁵ jeweils für Wasserstoff stehen.
In Bezug auf (Akzeptor 2) wird Struktur (A1) verwendet, wobei R¹¹ für eine Acetylgruppe steht und R¹², R¹³, R¹⁴ und R¹⁵ jeweils für Wasserstoff stehen.
In Bezug auf (Akzeptor 3) wird Struktur (A1) verwendet, wobei R¹¹ für Verbindung (P2) steht, y für 1 steht und R¹², R¹³, R¹⁴, R¹⁵, R¹⁶, R¹⁷, R¹⁸, R¹⁹, R²⁰, R²¹, R²³ und R²⁴ jeweils für Wasserstoff stehen.
In Bezug auf (Akzeptor 4) wird Struktur (A1) verwendet, wobei R¹¹ für Verbindung (P2) steht, y für 1 steht, R¹³, R¹⁵, R¹⁶, R¹⁷, R¹⁸, R¹⁹, R²⁰ und R²³ jeweils für Wasserstoff stehen und R¹², R¹⁴, R²¹ und R²⁴ jeweils für Methyl stehen.
In Bezug auf (Akzeptor 5) wird Struktur (A1) verwendet, wobei R¹¹ für Verbindung (P2) steht, y für 1 steht, R¹³, R¹⁵, R¹⁶, R¹⁷, R¹⁸, R¹⁹, R²⁰ und R²³ jeweils für Wasserstoff stehen und R¹², R¹⁴, R²¹ und R²⁴ jeweils für Phenyl stehen. In Akzeptor 5 sind die Pyridine in para-Orientierung verknüpft (an C1 und C4 des zentralen Benzols).
In Bezug auf (Akzeptor 6) wird Struktur (A1) verwendet, wobei R¹¹ für Verbindung (P2) steht, y für 1 steht, R¹³, R¹⁵, R¹⁶, R¹⁷, R¹⁸, R¹⁹, R²⁰ und R²³ jeweils für Wasserstoff stehen und R¹², R¹⁴, R²¹ und R²⁴ jeweils für Phenyl stehen. In Akzeptor 6 sind die Pyridine in einer meta-Anordnung verknüpft (an C1 und C3).
In Bezug auf (Akzeptor 7) wird Struktur (A2) verwendet, wobei B jeweils für ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen oder eine Aryl- oder substituierte Arylgruppe steht, s für eine Zahl von 0 bis 2 steht und t für 3 steht.
In Bezug auf (Akzeptor 8) wird Struktur (A2) verwendet, wobei B jeweils für ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen oder eine Aryl- oder substituierte Arylgruppe steht, s für eine Zahl von 0 bis 2 steht und t für 6 steht.
Zusätzliche Ausführungsformen von Elektronenakzeptorverbindungen sind nachstehend aufgeführt:
Insbesondere muss für einen oder mehrere der obigen (A)-Elektronenakzeptorverbindungen nur ein Verknüpfungspunkt mit (L) vorliegen. In verschiedenen Ausführungsformen von (A), in denen zwei oder mehr Verknüpfungspunkte mit (L) gezeigt sind, kann bzw. können einer oder mehrere davon als Verknüpfungspunkt mit einem (L) verwendet werden oder alternativ dazu ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatomen, die linear, verzweigt oder cyclisch sein kann, sein. Außerdem kann für einen oder mehrere der obigen (A)-Elektronenakzeptorverbindungen die Elektronendonorverbindung (D) mit dem Stickstoffatom N des Pyridins über einen Linker (L) verknüpft sein. Alternativ dazu kann die Elektronendonorverbindung (D) in Positionen, die von dem N des Pyridins verschieden sind, wie den C-2- oder C-4-Positionen, über einen Linker (L) mit einer der obigen (A)-Elektronenakzeptorverbindungen verknüpft sein. Ein nicht einschränkendes Beispiel für eine Struktur, in der die Donorverbindung (D) über einen Phenylen-Linker (L) mit dem C-4 des Pyridins der Akzeptorverbindung (A) verknüpft ist:
In weiteren Ausführungsformen kann die (A)-Elektronenakzeptorverbindung als ein 1-Elektronen-Akzeptor auf Pyridinium-Basis beschrieben werden. Beispiele sind in Physical Organic Approach to Persistent, Cyclable, Low-Potential Electrolytes for Flow Battery Applications; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 2924-2927, aufgeführt, die in verschiedenen nicht einschränkenden Ausführungsformen durch Bezugnahme ausdrücklich hierin aufgenommen wird.
Wie oben erwähnt, kann es sich bei dem Linker (L) um eine direkte Bindung (wie eine kovalente Bindung) zwischen der Donorverbindung (D) und der Akzeptorverbindung (A) handeln. Nicht einschränkende Beispiele für Strukturen des Aktivmaterials, in denen der Linker (L) eine kovalente Bindung zwischen der Donorverbindung (D) und der Akzeptorverbindung (A) ist, sind nachstehend aufgeführt:
In Bezug auf (Aktivmaterial 2) bis (Aktivmaterial 6) stehen R¹ und R² unabhängig für eine Phenylgruppe, eine Arylgruppe oder substituierte Arylgruppe, eine Alkylgruppe mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine Alkylethergruppe, eine Alkyloligoethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Alkylphosphatgruppe, eine Alkylphosphonatgruppe oder eine Alkylphosphoniumgruppe. In verschiedenen Ausführungsformen weist jede Alkylgruppe unabhängig 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatome auf und kann linear, verzweigt oder cyclisch sein.
Zusätzliche nicht einschränkende Beispiele für Additivmaterialien sind nachstehend als (Aktivmaterial 7) - (Aktivmaterial 9) gezeigt:
In einer Ausführungsform kann die Struktur des Aktivmaterials so konzipiert sein, dass verschiedene Verknüpfungspunkte an dem Pyridin ermöglicht werden, wie nachstehend gezeigt:
In Bezug auf obiges (Aktivmaterial 10) steht R¹ für eine Phenylgruppe, eine Arylgruppe oder substituierte Arylgruppe, eine Alkylgruppe mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, eine Alkylethergruppe, eine Alkyloligoethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Alkylphosphatgruppe, eine Alkylphosphonatgruppe oder eine Alkylphosphoniumgruppe. In verschiedenen Ausführungsformen weist jede Alkylgruppe unabhängig 2, 3, 4, 5 oder 6 Kohlenstoffatome auf und kann linear, verzweigt oder cyclisch sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Struktur des Aktivmaterials so konzipiert sein, dass verschiedene Verknüpfungspunkte an der Donorverbindung ermöglicht werden, wie nachstehend gezeigt:
In Bezug auf obiges (Aktivmaterial 11) stehen R¹ und R² unabhängig für eine Phenylgruppe, eine Arylgruppe oder substituierte Arylgruppe (wie eine Trialkylammoniumphenylgruppe), eine Alkylgruppe, eine Alkylethergruppe, eine Alkyloligoethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Alkylphosphatgruppe, eine Alkylphosphonatgruppe oder eine Alkylphosphoniumgruppe.
In weiteren Ausführungsformen von (F1) und (F2) steht (L) für -CH₂-CH₂-CH₂- oder Phenyl. In einer Ausführungsform steht v für 0 und z für 0. In einer anderen Ausführungsform steht v für 1 und z für 1. In einer weiteren Ausführungsform steht v für 1 und x für 1. In einer weiteren Ausführungsform steht y für 1 und steht x für 1, werden zwei (D)-Elektronendonorverbindungen verwendet, wobei in jedem (D) X für SO₂ steht, R¹ und R² jeweils für t-Butyl stehen und R³, R⁴, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils für Wasserstoff stehen, und wobei eine einzige (A)-Elektronenakzeptorverbindung vorliegt, in der Struktur (A1) verwendet wird und in der R¹¹ für Verbindung (P2) steht, y für 1 steht, R¹³, R¹⁵, R¹⁶, R¹⁷, R¹⁸, R¹⁹, R²⁰ und R²³ jeweils für Wasserstoff stehen und R¹², R¹⁴, R²¹ und R²⁴ jeweils für Methyl stehen.
In einer weiteren Ausführungsform steht y für 1 und steht x für 1, werden zwei (D)-Elektronendonorverbindungen verwendet, wobei in jedem (D) X für eine kovalente Bindung steht, R¹ und R² jeweils für t-Butyl stehen und R³, R⁴, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils für Wasserstoff stehen, und wobei eine einzige (A)-Elektronenakzeptorverbindung vorliegt, in der Struktur (A1) verwendet wird und in der R¹¹ für Verbindung (P2) steht, y für 1 steht, R¹³, R¹⁵, R¹⁶, R¹⁷, R¹⁸, R¹⁹, R²⁰ und R²³ jeweils für Wasserstoff stehen und R¹², R¹⁴, R²¹ und R²⁴ jeweils für Methyl stehen.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung eine Redox-Flow-Batterie bereit, umfassend eine Kathode, eine Anode, einen ladungstragenden Elektrolyt und ein Aktivmaterial, das zwei oder mehr Pyridin- oder substituierte Pyridineinheiten umfasst, von denen zwei beliebige durch 1 bis 3 Phenyl- oder substituierte Phenylgruppen getrennt sind, wobei eine oder mehrere der Pyridin- oder substituierten Pyridineinheiten über ein Stickstoffatom mit einer Gruppierung mit chemisch reversibler elektrochemischer Oxidation verknüpft sind. In dieser Ausführungsform wird der Begriff „chemisch reversible elektrochemische Oxidation“ hier zur Beschreibung der beobachteten Reaktion in einem Cyclovoltammetrie-Experiment verwendet. Im Einzelnen sind bei Durchführung des Experiments in Propylencarbonat mit mindestens 0,1 M eines geeigneten unterstützenden Elektrolytsalzes die Anoden- und Kathodenwellen, die dem elektrochemischen Oxidationsprozess entsprechen, bei Messung mit einer Abtastrate von 100 mV/s sowohl bezüglich Höhe als auch bezüglich Fläche identisch oder nahezu identisch.
EXAMPLES

Es werden verschiedene nicht einschränkende Beispiele für Redox-Flow-Batterien gebildet und zur Bestimmung einer Reihe von elektrischen Eigenschaften, die nachstehend in Tabelle 1 aufgeführt sind, evaluiert. Alle elektrochemischen Daten werden unter Verwendung normaler Labormessungen gesammelt - Cyclovoltammetrie und Differentialpulsvoltammetrie. Insbesondere wurde als Referenzelektrode eine Silberdraht-Pseudoreferenzelektrode verwendet, die zum Driften neigt. Dies kann zwar bestimmte Potentialmessungen beeinflussen aber die Gesamtzellenspannung der Redox-Flow-Batterie wird als Differenz zwischen dem Oxidations- und Reduktionspotential ausgedrückt und wird durch die Referenzelektrode-Drift nicht beeinflusst. TABELLE 1

Beispiel	Aktivmaterial	E₂Red	E₁Red	E₁Ox	E₂Ox	Zellenspannung
1	D1-L1-A1	-	-1,32(irr)	0,75	-	2,07
2	D2-L1-A1	-	-1,53(irr)	1,47	-	3,0
3	D1-L1-A2	-1,18	-0,60	0,75	1,37	1,35,2,55
4	D2-L1-A2	-1,45	-0,82	1,32	-	2,14
5	D3-L1-A2	-	-0,62	1,23	-	1,85
6	D5-L3-A2	-	-0,72	1,34	-	2,06
7	D1-L1-A3-L1-D1	-	-0,86	0,64	1,26	1,50, 2,12
8	D2-L1-A3-L1-D2	-	-0,90(2e-)	1,48(2e-)	-	2,38
9	D3-L1-A3-L1-D3	-	0,95(2e-)	1,07(2e-)	-	2,02
10	D5-L3-A3-L3-D5	-	0,95(2e-)	1,28(2e-)	-	2,23
11	D1-L3-A5-L3-D1	-	-0,58(2e-)	0,82(2e-)	-	1,40
12	D2-L3-A5-L3-D2	-	-0,66(2e-)	1,56(2e-)	-	2,22
13	D3-L2-A5-L2-D3	-1,35(2e-)	-0,60,-0,69	1,30(2e-)	-	ca.1,95
14	D4-L2-A5-L2-D4	-1,74(2e-)	-1,05(2e-)	0,22(2e-)	-	1,27
15	D4-L2-A6-L2-D4	-	-1,23(4e)	0,22(2e)	-	ca. 1,45
16	D1-L1-A9	-	-1,38	0,51	-	1,89
17	D2-L1-A9	-	-1,29	1,35	-	2,70
18	D3-L1-A9	-	-1,14	1,24	-	2,39
19	D1-L3-A10-L1-D1	-0,99	-0,58	0,63	-	1,21,1,62
20	D3-L1-A10-L1-D3	-0,91	-0,55	1,17(2e-)	-	1,72, 2,08
21	D1-L3-A12-L3-D1	-1,47	-0,927	0,58(2e-)	-	1,52, 2,11
22	D2-L4-(N-Mepy)	-	-1,41	1,48	-	2,89

D1 ist Donor 1. D2 ist Donor 2. D3 ist Donor 3. D4 ist Donor 4. Diese sind jeweils oben aufgeführt. D5 wird durch die folgende Struktur wiedergegeben:

L1 ist Linker 1. L2 ist Linker 2. L3 ist Linker 3. L4 ist Linker 4. Diese sind jeweils oben aufgeführt.
A1 ist Akzeptor 1. A2 ist Akzeptor 2. A3 ist Akzeptor 3. A5 ist Akzeptor 5. A6 ist Akzeptor 6. A7 ist Akzeptor 7. A9 ist Akzeptor 9. A10 ist Akzeptor 10. A12 ist Akzeptor 12. Diese sind jeweils oben aufgeführt.
N-Mepy ist 4-(N-Methylpyridinium).
E₂Red bezieht sich auf das Reduktionspotential, das der zweiten Reduktion des Aktivmaterials entspricht.
E₁ Red bezieht sich auf das Reduktionspotential, das der ersten Reduktion des Aktivmaterials entspricht.
E₁Ox bezieht sich auf das Oxidationspotential, das der ersten Oxidation des Aktivmaterials entspricht.
E₂Ox bezieht sich auf das Oxidationspotential, das der zweiten Oxidation des Aktivmaterials entspricht.

Die Angabe „irr“ bezieht sich auf einen chemisch irreversiblen elektrochemischen Prozess.
Die obigen Ergebnisse für diese Beispiele zeigen, dass verknüpfte Donor-AkzeptorVerbindungen mit geeigneten Eigenschaften für die Verwendung in einer Redox-Flow-Batterie gemäß der hier angegebenen Beschreibung hergestellt werden können. Diese Tabelle enthält zahlreiche Beispiele für verknüpfte Verbindungen, die gut getrennte (um >1 V) Oxidations- und Reduktionsprozesse zeigen.
Alle Kombinationen der obigen Ausführungsformen über die gesamte Offenbarung hinweg sind hiermit in einer oder mehreren nicht einschränkenden Ausführungsformen ausdrücklich vorgesehen, selbst wenn eine derartige Offenbarung nicht wortwörtlich in einem einzigen obigen Abschnitt oder Absatz beschrieben ist. Mit anderen Worten kann eine ausdrücklich vorgesehene Ausführungsform eine oder mehrere oben beschriebene Elemente, die aus einem beliebigen Teil der Offenbarung ausgewählt und kombiniert sind, enthalten.
Einer oder mehrere der oben beschriebenen Werte können um ± 5 %, ± 10 %, ± 15 %, ± 20 %, ± 25 % usw. variieren. Mit jedem Mitglied einer Markush-Gruppe können unabhängig von allen anderen Mitgliedern unerwartete Ergebnisse erhalten werden. Jedes Mitglied kann einzeln und/oder in Kombination herangezogen werden und liefert eine hinreichende Stütze für spezifische Ausführungsformen innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche. Der Gegenstand aller Kombinationen von unabhängigen und abhängigen Ansprüchen, sowohl mit einfacher als auch mehrfacher Abhängigkeit, ist hierin ausdrücklich vorgesehen. Die Offenbarung ist veranschaulichend und enthält Wörter, die der Beschreibung und nicht der Einschränkung dienen. Im Lichte der obigen Lehren sind zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Offenbarung möglich, und die Offenbarung kann anders als hier spezifisch beschrieben ausgeübt werden.
Es versteht sich auch, dass alle Bereiche und Unterbereiche, die bei der Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung herangezogen werden, unabhängig und kollektiv in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen und alle Bereiche einschließlich ganzer und/oder gebrochener Werte darin beschreiben und vorsehen, selbst wenn derartige Werte hier nicht ausdrücklich angegeben sind. Für den Fachmann ist leicht ersichtlich, dass die aufgezählten Bereiche und Unterbereiche verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ausreichend beschreiben und möglich machen und derartige Bereiche und Unterbereiche weiter in relevante Hälften, Drittel, Viertel, Fünftel usw. unterteilt werden können. Als lediglich ein Beispiel kann ein Bereich „von 0,1 bis 0,9“ weiter in ein unteres Drittel, d. h. von 0,1 bis 0,3, ein mittleres Drittel, d. h. von 0,4 bis 0,6, und ein oberes Drittel, d. h. von 0,7 bis 0,9, unterteilt werden, die einzeln und kollektiv im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen und die einzelnen und/oder kollektiv herangezogen werden können und eine hinreichende Stütze für spezifische Ausführungsformen innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche bereitstellen. Außerdem versteht es sich in Bezug auf die Sprache, die einen Bereich definiert oder modifiziert, wie „mindestens“, „größer als“, „weniger als“, „nicht mehr als“ und dergleichen, dass dies Unterbereiche und/oder eine Ober- oder Untergrenze einschließt. Als weiteres Beispiel schließt ein Bereich von „mindestens 10“ inhärent einen Unterbereich von mindestens 10 bis 35, einen Unterbereich von mindestens 10 bis 25, einen Unterbereich von 25 bis 35 usw. ein, und jeder Unterbereich kann einzeln und/oder kollektiv herangezogen werden und stellt eine hinreichende Stütze für spezifische Ausführungsformen innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche bereit. Schließlich kann eine einzelne Zahl innerhalb eines offenbarten Bereichs herangezogen werden und stellt eine hinreichende Stütze für spezifische Ausführungsformen innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche bereit. Beispielsweise umfasst ein Bereich „von 1 bis 9“ verschiedene einzelne ganze Zahlen, wie 3, sowie einzelne Zahlen mit einem Dezimalkomma (oder einem Bruch), wie 4,1, die herangezogen werden können und eine hinreichende Stütze für spezifische Ausführungsformen innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche bereitstellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Physical Organic Approach to Persistent, Cyclable, Low-Potential Electrolytes for Flow Battery Applications; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 2924-2927 [0103]

Claims

Redox-Flow-Batterie, umfassend: (I) eine Kathode; (II) eine Anode; (III) einen ladungstragenden Elektrolyt und (IV) eine (a) oxidierte und eine (b) reduzierte Form eines Aktivmaterials mit der folgenden Formel: (D)-(L)-(A)-[(L)-(A)]_v-D_z (F1) oder (D)-(L)-(A)-(L-D)_x (F2) wobei D jeweils kovalent an ein L gebunden ist, wobei L jeweils kovalent an ein A gebunden ist, wobei x für eine Zahl von 0 bis 5 steht, v für eine Zahl von 0 bis 5 steht und z für 0 oder 1 steht, wobei D für eine Elektronendonorverbindung steht, L für einen Linker steht und A für eine Elektronenakzeptorverbindung steht, wobei D jeweils die folgende Struktur (D1) aufweist:
wobei X für eine kovalente Bindung, ein Schwefelatom (S), SO₂ oder N-R⁶ steht und wobei R¹, R², R³, R⁴, R⁶, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils unabhängig für ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe, eine Nitrilgruppe, eine Halogenalkylgruppe, eine Perhalogenalkylgruppe, eine Acylgruppe, eine Acyloxygruppe, eine Acetylgruppe, eine Halogenacetylgruppe, eine Alkylarylgruppe, eine Alkoxygruppe, eine Acetamidogruppe, eine Amidogruppe, eine Arylgruppe, eine Aralkylgruppe, eine Alkylcarboxylgruppe, eine Arylcarboxylgruppe, eine Alkylsulfonylgruppe, eine Benzoylgruppe, eine Carbamoylgruppe, eine Carboxygruppe, eine Cyanogruppe, eine Formylgruppe, eine Halogengruppe, eine Halogenacetamidogruppe, eine Halogenacylgruppe, eine Halogenalkylsulfonylgruppe, eine Halogenarylgruppe, eine Arylhalogenalkylgruppe, eine Methylsulfonyloxylgruppe, eine Nitrogruppe, eine Oxogruppe, eine Alkylethergruppe, eine Halogenalkylethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Phosphatgruppe, eine Phosphonatgruppe oder eine Alkylphosphonatgruppe stehen; wobei L jeweils aus einer Alkylgruppe mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, einer aromatischen Gruppe und einer kovalenten Bindung ausgewählt ist und wobei A jeweils die folgende Struktur (A1) oder (A2) oder (A3) oder (A4) oder (A5) aufweist:
oder
oder
oder
oder
wobei für (A1), (A2) und (A3) jeweils: R¹² und R¹⁴ jeweils für eine Phenylgruppe, ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen stehen und R¹³ und R¹⁵ jeweils für ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen stehen und R¹¹ aus einem Wasserstoffatom, einer Alkylgruppe, einer Acetylgruppe, einer Arylgruppe, einer substituierten Arylgruppe oder einer Gruppe mit der folgenden Struktur (P1) oder (P2) ausgewählt ist:
wobei y für eine Zahl von 0 bis 4 steht; wobei R¹⁶-R¹⁹ jeweils für eine Phenylgruppe, ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen stehen; wobei R²¹, R²² und R²⁴ jeweils für eine Phenylgruppe, ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen stehen, wobei R²⁰ und R²³ jeweils für ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen stehen und wobei L² gegebenenfalls für einen zweiten Linker steht und wobei in (A2) s für eine Zahl von 0 bis 2 steht, t für eine Zahl von 1 bis 6 steht und B jeweils für ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen oder eine Aryl- oder substituierte Arylgruppe steht.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, die frei von einer ionenselektiven Membran ist, die die Anode und die Kathode trennt, damit sich reduzierter Katholyt und oxidierter Anolyt nicht mischen.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei X für S steht, R¹ und R² jeweils für ein Alkyl mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen stehen und R³, R⁴, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils für Wasserstoff stehen.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei X für SO₂ steht, R¹ und R² jeweils für t-Butyl stehen und R³, R⁴, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils für Wasserstoff stehen.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei X für eine kovalente Bindung steht, R¹ und R² jeweils für t-Butyl stehen und R³, R⁴, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils für Wasserstoff stehen.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei Struktur (D1) ferner als Struktur (Donor 1) definiert ist:
wobei L für den Linker steht.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei Struktur (D1) ferner als Struktur (Donor 2) definiert ist:
wobei L für den Linker steht.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei Struktur (D1) ferner als Struktur (Donor 3) definiert ist:
wobei L für den Linker steht.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei (L) für -CH₂-CH₂-CH₂- steht.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei (L) für Phenyl steht.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei Struktur (A1) verwendet wird, wobei R¹¹ für Verbindung (P2) steht, y für 1 steht und R¹², R¹³, R¹⁴, R¹⁵, R¹⁶, R¹⁷, R¹⁸, R¹⁹, R²⁰, R²¹, R²³ und R²⁴ jeweils für Wasserstoff stehen.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei Struktur (A1) verwendet wird, wobei R¹¹ für Verbindung (P2) steht, y für 1 steht, R¹³, R¹⁵, R¹⁶, R¹⁷, R¹⁸, R¹⁹, R²⁰ und R²³ jeweils für Wasserstoff stehen und R¹², R¹⁴, R²¹ und R²⁴ jeweils für Methyl stehen.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei Struktur (A1) verwendet wird, wobei R¹¹ für Verbindung (P2) steht, y für 1 steht, R¹³, R¹⁵, R¹⁶, R¹⁷, R¹⁸, R¹⁹, R²⁰ und R²³ jeweils für Wasserstoff stehen und R¹², R¹⁴, R²¹ und R²⁴ jeweils für Phenyl stehen.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei v für 0 steht und z für 0 steht.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei v für 1 steht und z für 1 steht.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei v für 1 steht und x für 1 steht.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei Struktur (A2) ferner als Struktur (A6) definiert ist:
wobei in (A4) R²⁵-R³⁶ aus einer Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, einer Alkylethergruppe, einer Alkylammoniumalkylgruppe, einer Oligoethergruppe, einer Phenylgruppe und Wasserstoff ausgewählt sind.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 17, wobei R²⁵-R³⁶ jeweils für Wasserstoff stehen.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei y für 1 steht und x für 1 steht, wobei zwei (D)-Elektronendonorverbindungen vorliegen, wobei in jedem (D) X für SO₂ steht, R¹ und R² jeweils für t-Butyl stehen und R³, R⁴, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils für Wasserstoff stehen, und wobei eine einzige (A)-Elektronenakzeptorverbindung vorliegt, wobei Struktur (A1) verwendet wird und wobei R¹¹ für Verbindung (P2) steht, y für 1 steht, R¹³, R¹⁵, R¹⁶, R¹⁷, R¹⁸, R¹⁹, R²⁰ und R²³ jeweils für Wasserstoff stehen und R¹², R¹⁴, R²¹ und R²⁴ jeweils für Methyl stehen.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 1, wobei y für 1 steht und x für 1 steht, wobei zwei (D)-Elektronendonorverbindungen vorliegen, wobei in jedem (D) X für eine kovalente Bindung steht, R¹ und R² jeweils für t-butyl stehen und R³, R⁴, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils für Wasserstoff stehen, und wobei eine einzige (A)-Elektronenakzeptorverbindung vorliegt, wobei Struktur (A1) verwendet wird und wobei R¹¹ für Verbindung (P2) steht, y für 1 steht, R¹³, R¹⁵, R¹⁶, R¹⁷, R¹⁸, R¹⁹, R²⁰ und R²³ jeweils für Wasserstoff stehen und R¹², R¹⁴, R²¹ und R²⁴ jeweils für Methyl stehen.
Redox-Flow-Batterie, umfassend: (I) eine Kathode; (II) eine Anode; (III) einen ladungstragenden Elektrolyt und (IV) ein Aktivmaterial, das zwei oder mehr Pyridin- oder substituierte Pyridineinheiten umfasst, von denen zwei beliebige durch 1 bis 3 Phenyl- oder substituierte Phenylgruppen getrennt sind, wobei eine oder mehrere der Pyridin- oder substituierten Pyridineinheiten über ein Stickstoffatom mit einer Gruppierung mit reversibler elektrochemischer Oxidation verknüpft sind.
Aktivmaterial für eine Redox-Flow-Batterie, wobei das Aktivmaterial die folgende Formel aufweist: (D)-(L)-(A)-[(L)-(A)]_v-D_z (F1) oder (D)-(L)-(A)-(L-D)_x (F2) wobei D jeweils kovalent an ein L gebunden ist, wobei L jeweils kovalent an ein A gebunden ist, wobei x für eine Zahl von 0 bis 5 steht, v für eine Zahl von 0 bis 5 steht und z für 0 oder 1 steht, wobei D für eine Elektronendonorverbindung steht, L für einen Linker steht und A für eine Elektronenakzeptorverbindung steht, wobei D jeweils die folgende Struktur (D1) aufweist:
wobei X für eine kovalente Bindung, ein Schwefelatom (S), SO₂ oder N-R⁶ steht und wobei R¹, R², R³, R⁴, R⁶, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils unabhängig für ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe, eine Nitrilgruppe, eine Halogenalkylgruppe, eine Perhalogenalkylgruppe, eine Acylgruppe, eine Acyloxygruppe, eine Acetylgruppe, eine Halogenacetylgruppe, eine Alkylarylgruppe, eine Alkoxygruppe, eine Acetamidogruppe, eine Amidogruppe, eine Arylgruppe, eine Aralkylgruppe, eine Alkylcarboxylgruppe, eine Arylcarboxylgruppe, eine Alkylsulfonylgruppe, eine Benzoylgruppe, eine Carbamoylgruppe, eine Carboxygruppe, eine Cyanogruppe, eine Formylgruppe, eine Halogengruppe, eine Halogenacetamidogruppe, eine Halogenacylgruppe, eine Halogenalkylsulfonylgruppe, eine Halogenarylgruppe, eine Arylhalogenalkylgruppe, eine Methylsulfonyloxylgruppe, eine Nitrogruppe, eine Oxogruppe, eine Alkylethergruppe, eine Halogenalkylethergruppe, eine Trialkylammoniumalkylgruppe, eine Phosphatgruppe, eine Phosphonatgruppe oder eine Alkylphosphonatgruppe stehen; wobei L jeweils aus einer Alkylgruppe mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen, einer aromatischen Gruppe und einer direkten Bindung ausgewählt ist und wobei A jeweils die folgende Struktur (A1) oder (A2) oder (A3) oder (A4) oder (A5) aufweist:
oder
oder
oder
oder
wobei für (A1), (A2) und (A3) jeweils: R¹² und R¹⁴ jeweils für eine Phenylgruppe, ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen stehen und R¹³ und R¹⁵ jeweils für ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen stehen und R11 aus einem Wasserstoffatom, einer Alkylgruppe, einer Acetylgruppe, einer Arylgruppe, einer substituierten Arylgruppe oder einer Gruppe mit der folgenden Struktur (P1) oder (P2) ausgewählt ist:
wobei y für eine Zahl von 0 bis 4 steht; wobei R¹⁶-R¹⁹ jeweils für eine Phenylgruppe, ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen stehen; wobei R²¹, R²² und R²⁴ jeweils für eine Phenylgruppe, ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen stehen, wobei R²⁰ und R²³ jeweils für ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen stehen und wobei L² gegebenenfalls für einen zweiten Linker steht und wobei in (A2) s für eine Zahl von 0 bis 2 steht, t für eine Zahl von 1 bis 6 steht und B jeweils für ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen oder eine Aryl- oder substituierte Arylgruppe steht.
Aktivmaterial nach Anspruch 22, wobei X für S steht, R¹ und R² jeweils für t-Butyl stehen und R³, R⁴, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils für Wasserstoff stehen.
Aktivmaterial nach Anspruch 22, wobei X für SO₂ steht, R¹ und R² jeweils für t-Butyl stehen und R³, R⁴, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils für Wasserstoff stehen.
Aktivmaterial nach Anspruch 22, wobei X für eine kovalente Bindung steht, R¹ und R² jeweils für t-Butyl stehen und R³, R⁴, R⁷, R⁸, R⁹ und R¹⁰ jeweils für Wasserstoff stehen.
Aktivmaterial nach Anspruch 22, wobei (L) für -CH₂-CH₂-CH₂- steht.
Aktivmaterial nach Anspruch 22, wobei (L) für Phenyl steht.
Aktivmaterial nach Anspruch 27, wobei Struktur (A2) ferner als Struktur (A6) definiert ist:
wobei in (A4) R²⁵-R³⁶ aus einer Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, einer Alkylethergruppe, einer Alkylammoniumalkylgruppe, einer Oligoethergruppe, einer Phenylgruppe und Wasserstoff ausgewählt sind.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 28, wobei R²⁵-R³⁶ jeweils für Wasserstoff stehen.