EP1395999A1 - Flame-retardant electrolyte solution for electrochemical double-layer capacitors - Google Patents

Flame-retardant electrolyte solution for electrochemical double-layer capacitors

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EP1395999A1
EP1395999A1 EP02732425A EP02732425A EP1395999A1 EP 1395999 A1 EP1395999 A1 EP 1395999A1 EP 02732425 A EP02732425 A EP 02732425A EP 02732425 A EP02732425 A EP 02732425A EP 1395999 A1 EP1395999 A1 EP 1395999A1
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EP
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solution according
component
electrodes
electrolyte solution
electrolytic solution
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Withdrawn
Application number
EP02732425A
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German (de)
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Inventor
Andree Schwake
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Original Assignee
Epcos AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • Electrochemical capacitors serve as power and
  • electrochemical capacitors with non-aqueous electrolytes preferably use solvent mixtures of at least two or more components.
  • the mixture must contain at least one strongly polar component which, due to its polarity, has a strongly dissociating effect on the conductive salts used.
  • Ethylene carbonate and propylene carbonate are generally used as such polar components.
  • the disadvantage of these highly polar solvents is their relatively high viscosity, which greatly reduces the mobility of the dissociated conductive salt ions and thus reduces the conductivity of the electrolyte.
  • one or more low-viscosity solvents are generally used as thinners.
  • Typical diluents are, for example, 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dioxolane, 2-methyltetrahydrofuran or dimethyl carbonate.
  • the proportion of thinners is usually between 20 and 60% by weight of the solvent mixture.
  • active carbon electrodes with very large surfaces are used in electrochemical capacitors, which are much more difficult to wet with an electrolyte than the metal oxide electrodes of the lithium batteries. For this reason, it is advantageous to optimize electrolyte solutions for use in electrochemical capacitors so that good wetting of the electrodes is ensured.
  • the lithium conductive salts used in lithium batteries are unsuitable for electrochemical capacitors, since metallic lithium can be deposited in the active carbon electrodes of the capacitor and thus impair its function.
  • the object of the present invention is to provide a flame-retardant electrolyte solution which avoids the disadvantages of known electrolyte solutions.
  • An electrolyte solution according to the invention has flash points greater than 76 ° C. at 1 bar pressure and conductivities> 20 mS / cm at 25 ° C. and comprises the three components A, B and C.
  • Component A comprises at least one high polarity solvent. Due to its polarity, it has a strongly dissociating effect on the conductive salt. Solvent with high polarity in the sense of the invention have a dielectric constant (DK)> 20.
  • the dielectric constant of a solvent can be determined in a decameter using methods known to the person skilled in the art. They are presented, for example, in the Römpp chemistry lexicon (9th edition) under the term "dielectric constant" (page 955-956), to which reference is made here in full.
  • a low-viscosity thinner (component B) with a high flash point is used according to the invention, so that a flame-retardant electrolyte solution is formed.
  • low-viscosity solvents are to be regarded which have a viscosity of ⁇ 2 cP at 25 ° C.
  • the viscosity of a solvent can be determined, for example, using an Ubbelohde viscometer.
  • Alkyl or fluorine-substituted carbamates are used for solvent component B.
  • the carbamates are characterized by the general formula 1
  • Component B according to the invention comprises at least one flame-retardant carbamate of the general formulas shown above with low viscosity. Since a number of highly polar category A solvents have a high viscosity, which prevent the electrolyte solution from achieving a sufficiently high conductivity, component B serves to reduce the viscosity of the solvent mixture. The result is a solvent mixture according to the invention with a flash point greater than 76 ° C. at 1 bar and a conductivity comparable to or even greater than that of conventional capacitors with a high power density (> 20 mS / cm at 25 ° C.).
  • the solvent mixture of components A and B with maximum Conductivity does not have a maximum polarity, expressed by a large to maximum dielectric constant (DK), but coordinated with one another a non-maximum DK and a non-minimum viscosity, which in combination result in maximum conductivity.
  • component B has a high flash point according to the invention, solvent mixtures with high conductivity are formed which, in contrast to solvent mixtures which correspond to the prior art, are flame-retardant.
  • conductive salts which do not contain lithium are used as component C. This can prevent metallic lithium from being deposited in the activated carbon electrodes and impairing their function.
  • Li-free electrolyte solutions have higher conductivities than electrolyte solutions that contain Li conductive salts.
  • Highly polar, highly viscous solvents for component A can be selected from the group of cyclic carbonates, such as, for example, ethylene or propylene carbonate.
  • Component A can also be selected from the following nitriles: acetonitrile, 3-methoxypropionitrile, glutaronitrile and succinonitrile.
  • Component A can also be lactones, for example ⁇ -butyrolactone and / or ⁇ -valerolactone. It is also possible to mix any of the solvents mentioned in the electrolyte solutions according to the invention, so that, for example, component A can also be a mixture of propylene carbonate and acetonitrile.
  • Dimethyl carbamate, ethyl-N, N-dimethyl carbamate and methyl-N, N-diethyl carbamate can be used.
  • they In contrast to conventional low-viscosity thinners, they have much higher flash points, but with almost the same low viscosity they have higher dielectric constants (for example methyl-N, N-dimethyl carbamate 12.5 compared to a dielectric constant of 2.1 for dimethyl carbonate).
  • the Carbamates used according to the invention can generally be used in concentration ranges between 10 to 60% by weight, solvent mixtures with maximum conductivities and at the same time high flash points above 76 ° C. at 1 bar preferably containing 30 to 50% by weight of the carbamates mentioned.
  • Component C can be used, inter alia, as lithium-free conducting salts based on onium salts with nitrogen or phosphorus as the central atom.
  • quaternary ammonium or phosphonium cations such as, for example, tetraethylammonium or methyltriethylammonium in combination with anions such as tetrafluoroborate, hexafluoroarsenate, hexafluoroantimonate, borate, for example oxalatoborate, bis (trifluoromethylsulfonyl) trifluoride (trifluoromethylsulfonyl), trifluoromethyl trachloroaluminate can be used.
  • molten conductive salts with organic cations, for example based on imidazolium or pyrrolidinium cations in conjunction with the anions mentioned above.
  • pyridinium and morpholinium cations and also as anions borates of the general formula B (OR) ⁇ ⁇ can be used, where R is selected from the following substituents: Cl to C6 alkyl groups,
  • Rl is a Cl to C6 alkyl group.
  • Oxygen atoms, which each contact the boron atom, are bridged. If, for example, all four substituents R are an -OC- (Rl) x group with x 0 and two of the substituents are bonded to one another via the carbon atoms of the keto group, the above-mentioned oxalatoborate B (OOCCOO) 2 " results.
  • the use of mixtures of several conductive salts is also possible. Good results with sufficiently high conductivities are also achieved with standard conductive salts, for example tetraalkylammonium tetrafluoroborates. In contrast to the lithium salts mentioned, these conductive salts do not accumulate in activated carbon electrodes and are therefore particularly suitable for use in electrochemical capacitors.
  • the conductive salts are advantageously used in the electrolyte solutions according to the invention in a concentration> 0.7 mol / 1, preferably in a concentration> 1 mol / 1.
  • the viscosity of the electrolyte solution is adjusted so that good wetting of the carbon electrodes can be ensured at the same time.
  • electrochemical capacitors can be operated with electrolyte solutions according to the invention containing the above-mentioned carbamates at higher line voltages> 2.5 V, preferably 2.7 V, most preferably 3 V. Due to the increased line voltages, these electrochemical capacitors also have an advantageous increased power and energy density. Due to the flame retardancy of the electrolyte solutions, capacitors with electrolyte mixtures according to the invention can be used at higher temperatures than conventional capacitors. If electrolytes escape from the capacitor housing, the risk of the capacitor electrolyte igniting is also lower than in the case of capacitors according to the current state of the art.
  • Table 1 shows the physical properties of some selected carbamates.
  • propylene carbonate and methyl - N, N-dimethyl carbamate are mixed in a weight ratio of 1: 1.
  • 1.4 M tetraethylammonium tetrafluoroborate is added as the conductive salt (component C).
  • This electrolyte solution has a conductivity of more than 21 mS / cm and a boiling point of more than 131 ° C at room temperature.
  • Components A and B are ethylene carbonate and 2,2,2-
  • propylene carbonate and ethyl N, N-dimethyl carbamate are mixed in a weight ratio of 1.5: 1.
  • 1.4 M methyltriethylammonium tetrafluoroborate is added as the conductive salt.
  • this electrolyte solution has a conductivity greater than 21 mS / cm and a flash point greater than 90 ° C.
  • electrolyte solutions according to the invention can advantageously be used in electrochemical double-layer capacitors with low internal resistance, as disclosed in US Pat. No. 6094788, to which reference is hereby made in full.
  • the electrodes of these double-layer capacitors are preferably each composed of a large number of metal-impregnated active carbon wipes, each active carbon wipe being contacted in an electrically conductive manner by one end of a current collector foil. These foils are used to reduce the internal resistance of the activated carbon electrodes.
  • the other ends of the current collector foils of electrodes of the same polarity are each connected to form a bundle, so that an electrode terminal is formed for both the anode and the cathode, to which an electrical potential can be applied.
  • the electrodes of opposite polarity are separated in an electrically insulating manner by porous separators impregnated with operating electrolyte.
  • the resulting stack of alternating activated carbon Cloths and porous separators are packaged in a housing under slight pressure so that the largest possible contact area between the current collector foils and the activated carbon electrodes is created. It is also possible to use carbon powder electrodes in the embodiment described above.
  • the electrolyte solutions according to the invention can be used in hybrid capacitors with metal oxide electrodes or combinations of metal oxide electrodes with electrodes in the form of activated carbon cloths or activated carbon powder.
  • Pseudo-capacitors which contain conductive polymers or combinations of conductive polymers with electrodes in the form of active carbon cloths or active carbon powder or conductive polymers in combination with metal oxide electrodes are also suitable.
  • Embodiments of the electrochemical capacitors can include components with a cylindrical or prismatic shape. Radial capacitors in which the electrode connections are arranged on one side are also possible, or axial capacitors in which one connection each is located on the top and bottom of the component.
  • the invention also relates to an aluminum electrolytic capacitor with the electrolytic solutions according to the invention, which can be used at higher operating temperatures due to these electrolytic solutions.
  • Aluminum electrolytic capacitors have electrodes that comprise aluminum foils. Porous separators are arranged between the electrodes, so that layer sequences of electrodes and separators are formed. Both the electrodes and the separator are in contact with the electrolyte solution. The layer sequences of electrodes and separators are often rolled up to form capacitor coils.
  • Porous polymer films, nonwovens, felts can advantageously be used as separators in all the capacitor types mentioned above or fabrics made of polymers or fiberglass or absorbent papers can be used.
  • the exemplary embodiments are only exemplary examples. Variations are possible both with regard to the composition of the electrolytes and with regard to the electrochemical capacitors used.

Abstract

The invention relates to flame-retardant electrolyte solutions with flash points in excess of 76 °C. Said solutions contain at least one support electrolyte which is dissolved in a solvent mixture consisting of at least one highly polar component and at least one flame-retardant, low-viscosity carbamate component.

Description

Beschreibung description
SCHWERENTFLAMMBARE ELEKTROLYTLOSUNG FÜR ELEKTROCHEMISCHE DOPPELSCHICHT KONDENSA TORENFLAME RETARDANT ELECTROLYTE SOLUTION FOR ELECTROCHEMICAL DOUBLE LAYER CONDENSORS
Elektrochemische Kondensatoren dienen als Leistungs- undElectrochemical capacitors serve as power and
Energiespeicher, wobei sie in relativ kurzen Zeiträumen hohe Ströme und damit verbunden hohe Leistungen und Energien abgeben oder aufnehmen können. Für diesen Zweck ist ein niedriger elektrischer Innenwiderstand der Kondensatoren erforderlich. Neben dem Material der Elektrodenschichten, des Separators und dem Zellaufbau ist der Innenwiderstand eines elektrochemischen Kondensators ganz wesentlich von der Leitfähigkeit des Elektrolyten abhängig.Energy storage, whereby they can emit or absorb high currents and the associated high powers and energies in relatively short periods of time. A low internal electrical resistance of the capacitors is required for this purpose. In addition to the material of the electrode layers, the separator and the cell structure, the internal resistance of an electrochemical capacitor is very much dependent on the conductivity of the electrolyte.
Elektrochemische Kondensatoren mit nicht-wässrigen Elektrolyten verwenden nach dem derzeitigen Stand der Technik bevorzugt Lösungsmittelgemische von mindestens zwei oder auch mehr Komponenten. Das Gemisch muß mindestens eine stark polare Komponente beinhalten, die aufgrund ihrer Polarität auf die eingesetzten Leitsalze stark dissoziierend wirkt. Als solche polaren Komponenten finden im allgemeinen Ethylencarbonat und Propylencarbonat Verwendung. Der Nachteil dieser hochpolaren Lösungsmittel ist deren relativ große Viskosität, welche die Beweglichkeit der dissoziierten Leitsalzionen stark ver in- dert und somit die Leit higkeit des Elektrolyten reduziert. Um die Viskosität des Elektrolyten zu vermindern, werden neben dem hochpolaren Lösungsmittel im allgemeinen eine oder mehrere niederviskose Lösungsmittel als Verdünner eingesetzt. Typische Verdünner sind zum Beispiel 1,2 Dirnethoxyethan, 1,3 Dioxolan, 2-Methyltetrahydrofuran oder Dimetylcarbonat . Üblicherweise liegt der Anteil der Verdünner zwischen 20 und 60 Gew-% des Lösungsmittelgemisches. Der Nachteil dieser niederviskosen Verdünner liegt in ihrer sehr hohen Flüchtigkeit und den sehr niedrigen Flammpunkten dieser Lösungsmittel: 1,2 Di- methoxyethan (Siedepunkt 85°C, Flammpunkt -6°C) ; 1,3 Dioxolan (Siedepunkt 78°C, Flammpunkt 2°C) ; 2-Methyltetrahydrofuran (Siedepunkt 80°C, Flammpunkt -12°C) ; Dimetylcarbonat (Siede- punkt 90°C, Flammpunkt 18°C) . Als Folge davon weisen die dem Stand der Technik entsprechenden Lösungsmittelgemische ebenfalls niedrige Flammpunkte auf (z.B. 28,5°C bei dem Lösungsmittelgemisch Ethylencarbonat :Dimethylcarbonat 2:1). Da bei der Anwendung von elektrochemischen Kondensatoren vor allen bei den oben erwähnten hohen Strömen nach dem derzeitigen Stand der Technik beim Auftreten von Fehlern (Überladung, Kurzschluß) stets Erwärmung auftritt, bedeutet dies, insbesondere beim Aufplatzen des Kondensatorgehäuses und dem damit verbundenen Austreten von Elektrolyten, ein erhebliches Risiko der Entzündung mit den entsprechenden schwerwiegenden Folgen.According to the current state of the art, electrochemical capacitors with non-aqueous electrolytes preferably use solvent mixtures of at least two or more components. The mixture must contain at least one strongly polar component which, due to its polarity, has a strongly dissociating effect on the conductive salts used. Ethylene carbonate and propylene carbonate are generally used as such polar components. The disadvantage of these highly polar solvents is their relatively high viscosity, which greatly reduces the mobility of the dissociated conductive salt ions and thus reduces the conductivity of the electrolyte. In order to reduce the viscosity of the electrolyte, in addition to the highly polar solvent, one or more low-viscosity solvents are generally used as thinners. Typical diluents are, for example, 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dioxolane, 2-methyltetrahydrofuran or dimethyl carbonate. The proportion of thinners is usually between 20 and 60% by weight of the solvent mixture. The disadvantage of these low-viscosity thinners is their very high volatility and the very low flash points of these solvents: 1,2 dimethoxyethane (boiling point 85 ° C, flash point -6 ° C); 1.3 dioxolane (boiling point 78 ° C, flash point 2 ° C); 2-methyltetrahydrofuran (boiling point 80 ° C, flash point -12 ° C); Dimethyl carbonate (boiling point 90 ° C, flash point 18 ° C). As a result, the solvent mixtures corresponding to the prior art also have low flash points (for example 28.5 ° C. for the solvent mixture ethylene carbonate: dimethyl carbonate 2: 1). Since heating always occurs when using electrochemical capacitors, especially in the case of the above-mentioned high currents according to the current state of the art, when faults occur (overcharging, short circuit), this means, in particular when the capacitor housing bursts open and the associated leakage of electrolytes, a significant risk of inflammation with the corresponding serious consequences.
Ein weiterer Nachteil der niederviskosen Verdünner besteht in ihren vergleichsweise niedrigen DielektrizitätskonstantenAnother disadvantage of the low-viscosity thinners is their comparatively low dielectric constants
(DK) und damit verbundenen geringen Leitfähigkeiten. Sie liegen für die genannten Verdünner zwischen 3 und 7.(DK) and associated low conductivities. They are between 3 and 7 for the mentioned thinners.
Für die oben genannten Verdünner gibt es in Elektrolyten für elektrochemische Kondensatoren zur Zeit keine gleichwertigen Ersatzstoffe. Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik wird verminderte Entflammbarkeit der Elektrolytlösung vor allem durch Viskositätserhöhung der Elektrolytlösung durch Bindemittel oder Füller beziehungsweise durch die Verwendung bei Raumtemperatur praktisch fester polymerer Elektrolyte erreicht. All diesen gelartigen festen Elektrolyten ist gemeinsam, daß aufgrund ihrer hohen Viskosität die Beweglichkeit der Ionen der in ihnen gelösten Salze weitaus geringer ist, als in flüssigen Elektrolytlösungen, so daß zum Teil nicht mehr die erforderlichen Leitfähigkeiten für elektrochemischeThere are currently no equivalent substitutes for the above-mentioned thinners in electrolytes for electrochemical capacitors. According to the current state of the art, reduced flammability of the electrolyte solution is achieved primarily by increasing the viscosity of the electrolyte solution by means of binders or fillers or by using polymer electrolytes which are practically solid at room temperature. All these gel-like solid electrolytes have in common that, due to their high viscosity, the mobility of the ions of the salts dissolved in them is far less than in liquid electrolyte solutions, so that in part no longer the required conductivities for electrochemicals
Kondensatoren hoher Leistungsdichte erreicht werden.High power density capacitors can be achieved.
In den Patentschriften DE 197 24 709 und EP 0 575 191 sind fluor- beziehungsweise alkylsubstituierte Carbamate mit hohen Flammpunkten und niedriger Viskosität als Verdünnerkomponente für schwer entflammbare Elektrolytlösungen von Lithiumbatterien beschrieben. Sie können in Kombination mit herkömmlichen hochviskosen und polaren Lösungsmitteln wie Ethylen- oder Propylencarbonat eingesetzt werden. Allerdings sind die Leitfähigkeiten dieser Elektrolytlösungen mit Werten von 2,8 bis 6,7 mS/cm bei Raumtemperatur viel zu niedrig, um für einen Einsatz in DoppelSchichtkondensatoren in Frage zu kommen. Für Doppelschichtkondensatoren großer Leistungsdichte werden Elektrolyte mit einer Leitfähigkeit von mehr als 20 mS/cm benötigt. In elektrochemischen Kondensatoren werden unter anderem Aktivkohlenstoffelektroden mit sehr großen Oberflächen eingesetzt, die wesentlich schwerer mit einem Elektrolyten zu benetzen sind, als die Metalloxidelektroden der Lithiumbatterien. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, Elektrolytlösungen für den Einsatz in elektrochemischen Kondensatoren so zu optimieren, daß eine gute Benetzung der Elektroden gewährlei- stet ist . Darüberhinaus sind die in Lithium-Batterien verwendeten Lithium-Leitsalze für elektrochemische Kondensatoren ungeeignet, da sich metallisches Lithium in den Aktivkohlenstoffelektroden des Kondensators ablagern kann und damit dessen Funktion beeinträchtigt.The patents DE 197 24 709 and EP 0 575 191 describe fluorine- or alkyl-substituted carbamates with high flash points and low viscosity as diluent components for flame-retardant electrolyte solutions of lithium batteries. You can in combination with conventional highly viscous and polar solvents such as ethylene or propylene carbonate can be used. However, the conductivities of these electrolyte solutions with values of 2.8 to 6.7 mS / cm at room temperature are far too low to be considered for use in double-layer capacitors. For double-layer capacitors with a high power density, electrolytes with a conductivity of more than 20 mS / cm are required. Among other things, active carbon electrodes with very large surfaces are used in electrochemical capacitors, which are much more difficult to wet with an electrolyte than the metal oxide electrodes of the lithium batteries. For this reason, it is advantageous to optimize electrolyte solutions for use in electrochemical capacitors so that good wetting of the electrodes is ensured. In addition, the lithium conductive salts used in lithium batteries are unsuitable for electrochemical capacitors, since metallic lithium can be deposited in the active carbon electrodes of the capacitor and thus impair its function.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine schwer entflammbare Elektrolytlösung anzugeben, die die genannten Nachteile bekannter Elektrolytlösungen vermeidet.The object of the present invention is to provide a flame-retardant electrolyte solution which avoids the disadvantages of known electrolyte solutions.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine. Elektrolytlösung nach Anspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, sowie elektrochemische Kondensatoren, in denen die erfindungsgemäße Elektrolytlösung zum Einsatz kommen kann, sind Gegenstand weiterer Ansprüche.This object is achieved by a. Solved electrolyte solution according to claim 1. Advantageous embodiments of the invention and electrochemical capacitors in which the electrolyte solution according to the invention can be used are the subject of further claims.
Eine erfindungsgemäße Elektrolytlösung weist Flammpunkte größer als 76°C bei 1 bar Druck und Leitfähigkeiten > 20 mS/cm bei 25°C auf und umfaßt die drei Komponenten A, B und C.An electrolyte solution according to the invention has flash points greater than 76 ° C. at 1 bar pressure and conductivities> 20 mS / cm at 25 ° C. and comprises the three components A, B and C.
Komponente A umfaßt zumindest ein Lösungsmittel hoher Polarität. Aufgrund seiner Polarität wirkt es stark dissoziierend auf das Leitsalz. Lösungsmittel mit hoher Polarität im Sinne der Erfindung weisen eine Dielektrizitätskonstante (DK) > 20 auf. Die Dielektrizitätskonstante eines Lösungsmittels läßt sich in einem Dekameter mittels Methoden bestimmen, die dem Fachmann bekannt sind. Sie werden beispielsweise im Römpp- Chemielexikon (9.Aufläge) unter dem Begriff „Dielektrizitätskonstante" (Seite 955-956) dargestellt, worauf hier vollinhaltlich Bezug genommen wird.Component A comprises at least one high polarity solvent. Due to its polarity, it has a strongly dissociating effect on the conductive salt. Solvent with high polarity in the sense of the invention have a dielectric constant (DK)> 20. The dielectric constant of a solvent can be determined in a decameter using methods known to the person skilled in the art. They are presented, for example, in the Römpp chemistry lexicon (9th edition) under the term "dielectric constant" (page 955-956), to which reference is made here in full.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektrolytlösungen wird erfin- dungsgemäß ein niederviskoser Verdünner (Komponente B) mit hohen Flammpunkt verwendet, so daß eine schwerentflammbare Elektrolytlösung entsteht. Als niederviskos im Sinne der Erfindung sind Lösungsmittel anzusehen, die eine Viskosität < 2 cP-bei 25 °C aufweisen. Die Viskosität eines Lösungsmittels läßt sich beispielsweise mittels eines Ubbelohde- Viskosimeters bestimmen.In contrast to conventional electrolyte solutions, a low-viscosity thinner (component B) with a high flash point is used according to the invention, so that a flame-retardant electrolyte solution is formed. For the purposes of the invention, low-viscosity solvents are to be regarded which have a viscosity of <2 cP at 25 ° C. The viscosity of a solvent can be determined, for example, using an Ubbelohde viscometer.
Für die Lösungsmittelkomponente B werden Alkyl- oder fluorsubstituierte Carbamate verwendet . Die Carbamate sind durch die allgemeine Formel 1 gekennzeichnet,Alkyl or fluorine-substituted carbamates are used for solvent component B. The carbamates are characterized by the general formula 1
worinwherein
Rl und R2 unabhängig voneinander gleich oder verschieden sind, eine lineare C1-C6-Alkyl- (Rl und R3 = CH2j+ι mit j = 1-6) , eine verzweigte C3-C6-Alkyl- (Rl und R3 = CkH2k+ι mit kRl and R2 are independently the same or different, a linear C1-C6-alkyl- (Rl and R3 = CH 2j + ι with j = 1-6), a branched C3-C6-alkyl- (Rl and R3 = C k H 2k + ι with k
= 3-6) oder eine C3-C7-Cycloalkylgruppe (Rl und R3 = CjH2j_ι mit j = 3-7) darstellen oder= 3-6) or a C3-C7 cycloalkyl group (Rl and R3 = CjH 2j _ι with j = 3-7) or
Rl und R2 gemäß Formel 2R1 and R2 according to formula 2
direkt oder über ein oder mehrere zusätzliche N- und/oder O- Atome zu einem Ring mit 3 bis 7 Ringgliedern verbunden sind, so daß X durch die Summenformel (CR'R"")mOn(NR"") 0 mit 2 < (m+n+o) < 6 beschrieben werden kann wobei gegebenenfalls im Ring vorhandene zusätzliche N-Atome mit C1-C3-Alkyl abgesättigt sind (R"' = CpH2p+1 mit p = 0-3) und auch die Ringkohlenstoffe Cl-C3-Alkylgruppen tragen können, wobei in den Resten Rl und R2 ein oder mehrere Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt sein können (R' und R" = CrH(2r+i)-sFs mit r = 0-3 und s = 0- (2r+l) ) , directly or via one or more additional N and / or O atoms to form a ring with 3 to 7 ring members, so that X is represented by the empirical formula (CR'R "") m O n (NR "") 0 with 2 <(m + n + o) <6 can be described, wherein any additional N atoms present in the ring are saturated with C1-C3-alkyl (R "'= C p H 2p + 1 with p = 0-3) and also the ring carbons can carry C1-C3 alkyl groups, it being possible for one or more hydrogen atoms in the radicals R1 and R2 to be replaced by fluorine atoms (R 'and R "= C r H ( 2r + i) -sFs with r = 0-3 and s = 0- (2r + l)),
R3 in beiden Formeln eine lineare Cl-C6-Alkyl- (R3 = CtH2t+ι mit t = 1-6) , verzweigte C3-C6 -Alkyl- (R3 = CuH2u+ι mit u = 3- 6) , C3-C7-Cycloalkyl- (R3 = CvH2v-ι mit v = 3-7) oder eine teil- oder perfluorierte geradkettige Alkylgruppe mit 3 bis 7 Kohlenstoffatomen, die gegebenenfalls ein- oder mehrfach mit Cl-C6-Alkyl substituiert sein kann, ist (R3 = CwH(2w+ι)- χFx(CyH2y+ι) z mit w = 3-7 und x = 0- (2w+l) und y = 1-6 mit z = 0-(2w+l) wobei x+z = (2w+l) ) .R3 in both formulas is a linear Cl-C6-alkyl- (R3 = C t H 2 t + ι with t = 1-6), branched C3-C6-alkyl- (R3 = C u H 2u + ι with u = 3- 6), C3-C7-cycloalkyl- (R3 = C v H 2v -ι with v = 3-7) or a partially or perfluorinated straight-chain alkyl group with 3 to 7 carbon atoms, which may be one or more times with Cl-C6- Alkyl can be substituted is (R3 = C w H ( 2w + ι) - χF x (C y H 2y + ι) z with w = 3-7 and x = 0- (2w + l) and y = 1-6 with z = 0- (2w + l) where x + z = (2w + l)).
Komponente B umfaßt erfindungsmäßig zumindest ein schwer entflammbares Carbamat der oben gezeigten allgemeinen Formeln mit geringer Viskosität. Da eine Reihe hochpolarer Lösungsmittel der Kategorie A hohe Viskosität aufweisen, die das Er- reichen einer ausreichend hohen Leitf higkeit der Elektrolytlösung verhindern, dient die Komponente B dazu, die Viskosität des Lösungsmittelgemisches herabzusetzen. Es resultiert ein erfindungsgemäßes Lösungsmittelgemisch mit einem Flammpunkt größer als 76°C bei 1 bar und einer mit herkömmlichen Kondensatoren großer Leistungsdichte vergleichbaren oder sogar größeren Leitfähigkeit (> 20 mS/cm bei 25°C) . Das Lösungsmittelgemisch aus den Komponenten A und B mit maximaler Leitfähigkeit weist dabei nicht eine maximale Polarität, ausgedrückt durch eine große bis maximale Dielektrizitätskonstante (DK) auf, sondern aufeinander abgestimmt eine nicht maximale DK und eine nicht minimale Viskosität, die in Kombi- nation eine maximale Leitfähigkeit ergeben. Da die Komponente B erfindungsgemäß einen hohen Flammpunkt aufweist, entstehen Lδsungsmittelgemische mit hoher Leitfähigkeit, die im Gegensatz zu Lδsungsmittelgemisehen, die dem Stand der Technik entsprechen, schwer entflammbar sind. Als Komponente C werden erfindungsgemäß Leitsalze verwendet, die kein Lithium aufweisen. Dadurch kann verhindert werden, daß sich metallisches Lithium in den Aktivkohlenstoffelektroden ablagert und deren Funktion beeinträchtigt. Weiterhin weisen Li-freie Elektrolytlösungen höhere Leitfähigkeiten auf als Elektrolytlösun- gen, die Li-Leitsalze enthalten.Component B according to the invention comprises at least one flame-retardant carbamate of the general formulas shown above with low viscosity. Since a number of highly polar category A solvents have a high viscosity, which prevent the electrolyte solution from achieving a sufficiently high conductivity, component B serves to reduce the viscosity of the solvent mixture. The result is a solvent mixture according to the invention with a flash point greater than 76 ° C. at 1 bar and a conductivity comparable to or even greater than that of conventional capacitors with a high power density (> 20 mS / cm at 25 ° C.). The solvent mixture of components A and B with maximum Conductivity does not have a maximum polarity, expressed by a large to maximum dielectric constant (DK), but coordinated with one another a non-maximum DK and a non-minimum viscosity, which in combination result in maximum conductivity. Since component B has a high flash point according to the invention, solvent mixtures with high conductivity are formed which, in contrast to solvent mixtures which correspond to the prior art, are flame-retardant. According to the invention, conductive salts which do not contain lithium are used as component C. This can prevent metallic lithium from being deposited in the activated carbon electrodes and impairing their function. Furthermore, Li-free electrolyte solutions have higher conductivities than electrolyte solutions that contain Li conductive salts.
Hochpolare, hochviskose Lösungsmittel für die Komponente A können ausgewählt sein aus der Gruppe cyclischer Carbonate, wie zum Beispiel Ethylen- oder Propylencarbonat . Komponente A kann auch aus folgenden Nitrilen ausgewählt sein: Acetoni- tril, 3-Methoxyproprionitril, Glutaronitril und Succinoni- tril .Komponente A kann auch Lactone, beispielsweise γ- Butyrolacton und/oder γ-Valerolacton sein. Es ist auch möglich, bei den erfindungsgemäßen Elektrolytlösungen die genan- ten Lösungsmittel beliebig zu mischen, so daß beispielsweise auch eine Mischung aus Propylencarbonat und Acetonitril Komponente A sein kann.Highly polar, highly viscous solvents for component A can be selected from the group of cyclic carbonates, such as, for example, ethylene or propylene carbonate. Component A can also be selected from the following nitriles: acetonitrile, 3-methoxypropionitrile, glutaronitrile and succinonitrile. Component A can also be lactones, for example γ-butyrolactone and / or γ-valerolactone. It is also possible to mix any of the solvents mentioned in the electrolyte solutions according to the invention, so that, for example, component A can also be a mixture of propylene carbonate and acetonitrile.
Vorzugsweise können 2 , 2 , 2-Trifluorethyl-N,N-Dimethylcarbamat , 2,2,2 Trifluorethyl-N,N-Diethylcarbamat, Methyl-N,N-Preferably 2, 2, 2-trifluoroethyl-N, N-dimethylcarbamate, 2,2,2 trifluoroethyl-N, N-diethylcarbamate, methyl-N, N-
Dimethylcarbamat , Ethyl-N,N-Dimethylcarbamat und Methyl-N,N- diethylcarbamat eingesetzt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen niederviskosen Verdünnern weisen sie wesentlich höhere Flammpunkte auf, haben aber bei annähernd gleichbleibend niedriger Viskosität höhere Dielektrizitätskonstanten (zum Beispiel Methyl-N,N-Dimethylcarbamat 12,5 gegenüber einer Dielektrizitätskonstante von 2,1 bei Dimethylcarbonat) . Die erfindungsmäßig verwendeten Carbamate können in der Regel in Konzentrationsbereichen zwischen 10 bis 60 Gew-% eingesetzt werden, wobei Lösungsmittelgemische mit maximalen Leitfähigkeiten bei gleichzeitig hohen Flammpunkten über 76°C bei 1 bar vorzugsweise 30 bis 50 Gew-% der erwähnten Carbamate enthalten.Dimethyl carbamate, ethyl-N, N-dimethyl carbamate and methyl-N, N-diethyl carbamate can be used. In contrast to conventional low-viscosity thinners, they have much higher flash points, but with almost the same low viscosity they have higher dielectric constants (for example methyl-N, N-dimethyl carbamate 12.5 compared to a dielectric constant of 2.1 for dimethyl carbonate). The Carbamates used according to the invention can generally be used in concentration ranges between 10 to 60% by weight, solvent mixtures with maximum conductivities and at the same time high flash points above 76 ° C. at 1 bar preferably containing 30 to 50% by weight of the carbamates mentioned.
Als Komponente C können unter anderem Lithium-freie Leitsalze auf der Basis von Oniumsalzen mit Stickstoff oder Phosphor als Zentralatom eingesetzt werden. Beispielsweise können quarternäre Ammonium- oder Phosphoniumkationen wie z.B. Te- traethylammonium oder Methyltriethylammonium in Kombination mit Anionen wie Tetrafluoroborat , Hexafluorophosphat , Hexafluoroarsenat , Hexafluoroantimonat, Borat, beispielsweise Oxalatoborat, Bis (trifluormethylsulfonyl) imid, Trifluorme- thylsulfonat , Tris (trifluormethylsulfonyl) methid oder Te- trachloroaluminat eingesetzt werden. Möglich ist auch ein Einsatz von geschmolzenen Leitsalzen mit organischen Kationen, beispielsweise auf der Basis von Imidazolium- oder Pyr- rolidiniumkationen in Verbindung mit den oben genannten Anionen. Weiterhin können auch Pyridinium- und Morpholinium- Kationen sowie als Anionen Borate der allgemeinen Formel B (OR) ι~ eingesetzt werden, wobei R ausgewählt ist aus folgenden Substituenten: - Cl bis C6 Alkylgruppen,Component C can be used, inter alia, as lithium-free conducting salts based on onium salts with nitrogen or phosphorus as the central atom. For example, quaternary ammonium or phosphonium cations such as, for example, tetraethylammonium or methyltriethylammonium in combination with anions such as tetrafluoroborate, hexafluoroarsenate, hexafluoroantimonate, borate, for example oxalatoborate, bis (trifluoromethylsulfonyl) trifluoride (trifluoromethylsulfonyl), trifluoromethyl trachloroaluminate can be used. It is also possible to use molten conductive salts with organic cations, for example based on imidazolium or pyrrolidinium cations in conjunction with the anions mentioned above. Furthermore, pyridinium and morpholinium cations and also as anions borates of the general formula B (OR) ι ~ can be used, where R is selected from the following substituents: Cl to C6 alkyl groups,
- -OC-(Rl)xmit x = 0,1, wobei Rl eine Cl bis C6 Alkylgruppe ist .- -OC- (Rl) x with x = 0.1, where Rl is a Cl to C6 alkyl group.
Es ist auch möglich, daß jeweils zwei Substituenten über die Kohlenstoffatome miteinander verbunden sind, so daß die zweiIt is also possible for two substituents to be connected to one another via the carbon atoms, so that the two
Sauerstoffatome, die jeweils das Bor-Atom kontaktieren, verbrückt werden. Wenn z.B. alle vier Substituenten R eine -OC- (Rl)x-Gruppe mit x = 0 sind und jeweils zwei der Substituenten über die Kohlenstoffatome der Ketogruppe miteinander ver- bunden sind, resultiert das bereits oben genannte Oxalatoborat B(OOCCOO)2 ". In Frage kommt auch der Einsatz von Mischungen mehrerer Leitsalze. Gute Ergebnisse mit ausreichend hohen Leitfähigkeiten werden auch mit Standardleitsalzen erzielt, beispielsweise Tetraalkylammoniumtetrafluoroboraten. Im Gegensatz zu den erwähnten Lithiumsalzen lagern sich diese Leitsalze nicht in Aktivkohlenstoffelektroden ein und sind deswegen besonders für den Einsatz in elektrochemischen Kondensatoren geeignet. Die Leitsalze werden in den erfindungsgemäßen Elektrolytlösungen vorteilhafterweise in einer Konzentration > 0,7 mol/1, bevorzugt in einer Konzentration > 1 mol/1 eingesetzt.Oxygen atoms, which each contact the boron atom, are bridged. If, for example, all four substituents R are an -OC- (Rl) x group with x = 0 and two of the substituents are bonded to one another via the carbon atoms of the keto group, the above-mentioned oxalatoborate B (OOCCOO) 2 " results. The use of mixtures of several conductive salts is also possible. Good results with sufficiently high conductivities are also achieved with standard conductive salts, for example tetraalkylammonium tetrafluoroborates. In contrast to the lithium salts mentioned, these conductive salts do not accumulate in activated carbon electrodes and are therefore particularly suitable for use in electrochemical capacitors. The conductive salts are advantageously used in the electrolyte solutions according to the invention in a concentration> 0.7 mol / 1, preferably in a concentration> 1 mol / 1.
Die Viskosität der Elektrolytlösung wird bei Zugabe der verschiedenen Komponenten so eingestellt, daß gleichzeitig eine gute Benetzung der Kohlenstoffelektroden gewährleistet werden kann.When the various components are added, the viscosity of the electrolyte solution is adjusted so that good wetting of the carbon electrodes can be ensured at the same time.
Da die Carbamate gegenüber herkömmlichen niederviskosen Verdünnern eine verbesserte elektrochemische Stabilität aufweisen, können elektrochemische Kondensatoren mit erfindungsmä- ßigen, die oben genannten Carbamate enthaltenden Elektrolytlösungen bei höheren ZeilSpannungen > 2,5 V, bevorzugt 2,7 V, am meisten bevorzugt 3 V betrieben werden. Aufgrund der erhöhten ZeilSpannungen weisen diese elektrochemischen Kondensatoren auch eine vorteilhafte erhöhte Leistungs- und Ener- giedichte auf. Aufgrund der Schwerentflammbarkeit der Elektrolytlösungen lassen sich Kondensatoren mit erfindungsgemäßen Elektrolytmischungen bei höheren Temperaturen als gewöhnliche Kondensatoren einsetzen. Bei einem Austreten von Elektrolyten aus dem Kondensatorgehäuse ist darüber hinaus das Risiko, daß sich der Kondensatorelektrolyt entzündet, geringer als bei Kondensatoren nach dem derzeitigen Stand der Technik.Since the carbamates have improved electrochemical stability compared to conventional low-viscosity thinners, electrochemical capacitors can be operated with electrolyte solutions according to the invention containing the above-mentioned carbamates at higher line voltages> 2.5 V, preferably 2.7 V, most preferably 3 V. Due to the increased line voltages, these electrochemical capacitors also have an advantageous increased power and energy density. Due to the flame retardancy of the electrolyte solutions, capacitors with electrolyte mixtures according to the invention can be used at higher temperatures than conventional capacitors. If electrolytes escape from the capacitor housing, the risk of the capacitor electrolyte igniting is also lower than in the case of capacitors according to the current state of the art.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen näher erläutert. In der dazugehörigen Tabelle 1 sind die physikalischen Eigenschaften einiger ausgewählter Carbamate angegeben. Genannt werden dabei die Dielektrizitätskon- stante, die Viskosität und der Siedepunkt, der direkt mit dem Flammpunkt korreliert (höherer Siedepunkt bedingt höheren Flammpunkt) .The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. The associated Table 1 shows the physical properties of some selected carbamates. The dielectric conformity constant, the viscosity and the boiling point, which correlates directly with the flash point (higher boiling point means higher flash point).
Tabelle 1Table 1
Beispiel 1:Example 1:
Herstellung einer schwer entflammbaren Elektrolytlösung auf der Basis von Methyl-N, N-Dimethylcarbamat .Production of a flame-retardant electrolyte solution based on methyl-N, N-dimethyl carbamate.
Als Komponenten A und B werden Propylencarbonat und Methyl - N, N-Dimethylcarbamat in einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 gemischt. Als Leitsalz (Komponente C) wird 1,4 M Tetraethy- lammoniumtetrafluoroborat hinzugesetzt. Diese Elektrolytlösung weist bei Raumtemperatur eine Leitfähigkeit von mehr als 21 mS/cm und einen Siedepunkt von mehr als 131°C auf.As components A and B, propylene carbonate and methyl - N, N-dimethyl carbamate are mixed in a weight ratio of 1: 1. 1.4 M tetraethylammonium tetrafluoroborate is added as the conductive salt (component C). This electrolyte solution has a conductivity of more than 21 mS / cm and a boiling point of more than 131 ° C at room temperature.
Beispiel 2 :Example 2:
Herstellung einer schwer entflammbaren Elektrolytlösung auf der Basis von 2 , 2 , 2 -Trifluorethyl-N, N-Dimethylcarbamat . Als Komponenten A und B werden Ethylencarbonat und 2,2,2-Production of a flame-retardant electrolyte solution based on 2, 2, 2-trifluoroethyl-N, N-dimethyl carbamate. Components A and B are ethylene carbonate and 2,2,2-
Trifluorethyl-N, N-Dimethylcarbamat in einem GewichtsVerhältnis von 2 : 1 gemischt. Als Leitsalz wird 1 M Tetraethylammo- niumtetrafluoroborat hinzugesetzt. Diese Elektrolytlösung weist einen Flammpunkt von größer 85°C auf.Trifluoroethyl-N, N-dimethyl carbamate mixed in a weight ratio of 2: 1. 1 M tetraethylammo- nium tetrafluoroborate added. This electrolytic solution has a flash point greater than 85 ° C.
Beispiel 3 :Example 3:
Herstellung einer schwer entflammbaren Elektrolytlösung auf der Basis von Ethyl-N,N-Dimethylcarbamat .Production of a flame-retardant electrolyte solution based on ethyl-N, N-dimethyl carbamate.
Als Komponenten A und B werden Propylencarbonat und Ethyl- N,N-Di-methylcarbamat in einem Gewichtsverhältnis von 1,5:1 gemischt. Als Leitsalz wird 1,4 M Methyltriethylammoniumte- trafluoroborat hinzugesetzt. Diese Elektrolytlösung weist bei Raumtemperatur eine Leitfähigkeit größer als 21 mS/cm und einen Flammpunkt größer 90 °C auf.As components A and B, propylene carbonate and ethyl N, N-dimethyl carbamate are mixed in a weight ratio of 1.5: 1. 1.4 M methyltriethylammonium tetrafluoroborate is added as the conductive salt. At room temperature, this electrolyte solution has a conductivity greater than 21 mS / cm and a flash point greater than 90 ° C.
Die erfindungsmäßigen Elektrolytlösungen können dabei vorteilhafterweise im elektrochemischen Doppelschichtkondensato- ren mit geringem Innenwiderstand eingesetzt werden, wie sie in der US-Patentschrift US-6094788 offenbart sind, auf die hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird.The electrolyte solutions according to the invention can advantageously be used in electrochemical double-layer capacitors with low internal resistance, as disclosed in US Pat. No. 6094788, to which reference is hereby made in full.
Die Elektroden dieser DoppelSchichtkondensatoren setzen sich vorzugsweise jeweils aus einer Vielzahl von metallimprägnierten Aktivkohlenstofftüchern zusammen, wobei jedes Aktivkohlenstofftuch elektrisch leitend von jeweils einem Ende einer Stromkollektorfolie kontaktiert wird. Diese Folien dienen dazu, den internen Widerstand der Aktivkohlenstoffelektroden herabzusetzen. Die jeweils anderen Enden der Stromkollektorfolien von Elektroden gleicher Polarität sind jeweils zu einem Bündel verbunden, so daß sowohl für Anode als auch Kathode ein Elektrodenterminal gebildet wird, an dem ein elektrische Potential angelegt werden kann. Die Elektroden entgegen- gesetzter Polarität werden durch poröse mit Betriebselektrolyt getränkte Separatoren elektrisch isolierend abgetrennt. Der resultierende Stapel aus alternierenden Aktivkohlenstoff- tüchern und porösen Separatoren wird unter leichtem Druck in ein Gehäuse verpackt, so daß eine möglichst große Kontaktfläche zwischen den Stromkollektorfolien und den Aktivkohlenstoffelektroden entsteht. Möglich ist auch der Einsatz von Kohlenstoffpulverelektroden in der oben beschriebenen Ausführungsform.The electrodes of these double-layer capacitors are preferably each composed of a large number of metal-impregnated active carbon wipes, each active carbon wipe being contacted in an electrically conductive manner by one end of a current collector foil. These foils are used to reduce the internal resistance of the activated carbon electrodes. The other ends of the current collector foils of electrodes of the same polarity are each connected to form a bundle, so that an electrode terminal is formed for both the anode and the cathode, to which an electrical potential can be applied. The electrodes of opposite polarity are separated in an electrically insulating manner by porous separators impregnated with operating electrolyte. The resulting stack of alternating activated carbon Cloths and porous separators are packaged in a housing under slight pressure so that the largest possible contact area between the current collector foils and the activated carbon electrodes is created. It is also possible to use carbon powder electrodes in the embodiment described above.
Weiterhin können die erfindungsmäßigen Elektrolytlösungen in Hybridkondensatoren mit Metalloxidelektroden oder Kombinatio- nen von Metalloxidelektroden mit Elektroden in Form von Aktivkohlenstofftüchern oder Aktivkohlepulver eingesetzt werden. In Betracht kommen auch Pseudokondensatoren, die leitfähige Polymere oder Kombinationen von leitfähigen Polymeren mit Elektroden in Form von Aktivkohlenstofftüchern oder Ak- tivkohlenstoffpulver oder leitfähige Polymere in Kombination mit Metalloxidelektroden enthalten. Ausgestaltungen der elektrochemischen Kondensatoren können Bauelemente mit zylindrischer oder prismatischer Form umfassen. Möglich sind auch radiale Kondensatoren bei denen die Elektrodenanschlüsse auf einer Seite angeordnet sind, oder axiale Kondensatoren, bei denen je ein Anschluß sich auf der Ober- und Unterseite des Bauelements befindet.Furthermore, the electrolyte solutions according to the invention can be used in hybrid capacitors with metal oxide electrodes or combinations of metal oxide electrodes with electrodes in the form of activated carbon cloths or activated carbon powder. Pseudo-capacitors which contain conductive polymers or combinations of conductive polymers with electrodes in the form of active carbon cloths or active carbon powder or conductive polymers in combination with metal oxide electrodes are also suitable. Embodiments of the electrochemical capacitors can include components with a cylindrical or prismatic shape. Radial capacitors in which the electrode connections are arranged on one side are also possible, or axial capacitors in which one connection each is located on the top and bottom of the component.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Aluminium- Elektrolytkondensator mit den erfindungsgemäßen Elektrolytlösungen, der aufgrund dieser Elektrolytlösungen bei höheren Betriebstemperaturen eingesetzt werden kann. Aluminium- Elektrolytkondensatoren weisen Elektroden auf, die Aluminiumfolien umfassen. Zwischen den Elektroden sind poröse Separa- toren angeordnet, so daß Schichtfolgen aus Elektroden und Separatoren gebildet werden. Sowohl die Elektroden, als auch der Separator stehen in Kontakt mit der Elektrolytlösung. Die Schichtfolgen aus Elektroden und Separatoren sind häufig zu Kondensatorwickeln aufgerollt.The invention also relates to an aluminum electrolytic capacitor with the electrolytic solutions according to the invention, which can be used at higher operating temperatures due to these electrolytic solutions. Aluminum electrolytic capacitors have electrodes that comprise aluminum foils. Porous separators are arranged between the electrodes, so that layer sequences of electrodes and separators are formed. Both the electrodes and the separator are in contact with the electrolyte solution. The layer sequences of electrodes and separators are often rolled up to form capacitor coils.
Als Separatoren bei allen oben genannten Kondensatortypen können vorteilhafterweise poröse Polymerfilme, Vliese, Filze oder Gewebe aus Polymeren oder Fiberglas oder auch saugfähige Papiere verwendet werden.Porous polymer films, nonwovens, felts can advantageously be used as separators in all the capacitor types mentioned above or fabrics made of polymers or fiberglass or absorbent papers can be used.
Die Ausführungsbeispiele stellen nur exemplarische Beispiele dar. Variationen sind sowohl hinsichtlich der Zusammensetzung der Elektrolyte als auch in Bezug auf die verwendeten elektrochemischen Kondensatoren möglich. The exemplary embodiments are only exemplary examples. Variations are possible both with regard to the composition of the electrolytes and with regard to the electrochemical capacitors used.

Claims

Patentansprüche claims
1. Schwerentflammbare Elektrolytlösung für elektrochemische Kondensatoren mit Leitfähigkeiten > 20 mS/cm bei 25 °C und Flammpunkten höher als 76°C bei 1 bar, folgende Komponenten aufweisend:1. Flame retardant electrolyte solution for electrochemical capacitors with conductivities> 20 mS / cm at 25 ° C and flash points higher than 76 ° C at 1 bar, comprising the following components:
A) Zumindest ein Lösungsmittel hoher Polarität mit einer DK > 20,A) At least one solvent of high polarity with a DK> 20,
B) Zumindest ein weiteres Lösungsmittel zur Erniedrigung der Viskosität, das ausgewählt ist aus Carbamaten der allgemeinen Formel 1,B) at least one further solvent for lowering the viscosity, which is selected from carbamates of the general formula 1,
worinwherein
Rl und R2 unabhängig voneinander gleich oder verschieden sind, eine lineare Cl-C6-Alkyl- (Rl und R3 = CjH2j+ι mit j = 1-6) , eine verzweigte C3-C6-Alkyl- (Rl und R3 = CkH2 +1 mit k = 3-6) oder eine C3-C7-Cycloalkylgruppe (Rl und R3 = CjH2j-ι mit j = 3-7) darstellen oderRl and R2 are independently the same or different, a linear Cl-C6-alkyl- (Rl and R3 = C j H 2j + ι with j = 1-6), a branched C3-C6-alkyl- (Rl and R3 = C k H 2 +1 with k = 3-6) or a C3-C7 cycloalkyl group (Rl and R3 = C j H 2j -ι with j = 3-7) or
Rl und R2 gemäß Formel 2R1 and R2 according to formula 2
direkt oder über ein oder mehrere zusätzliche N- und/oder O- Atome zu einem Ring mit 3 bis 7 Ringgliedern verbunden sind, so daß X durch die Summenformel (CR'R'")mOn(NR'' " " ) 0 mit 2 <are connected directly or via one or more additional N and / or O atoms to form a ring with 3 to 7 ring members, so that X has the molecular formula (CR'R ' ") m O n (NR ' '"") 0 with 2 <
(m+n+o) < 6 beschrieben werden kann wobei R""" = CpH2p+1 mit p = 0-3, und wobei in den Resten Rl und R2 ein oder mehrere Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt sein können: R' und R" = CrH(2r+i)-sFs mit r = 0-3 und s = 0- (2r+l) ,(m + n + o) <6 can be described where R """= C p H 2p + 1 with p = 0-3, and wherein one or more in the residues Rl and R2 Hydrogen atoms can be replaced by fluorine atoms: R 'and R "= C r H (2r + i) - s F s with r = 0-3 and s = 0- (2r + l),
R3 in beiden Formeln eine lineare Cl-C6-Älkyl- (R3 = CtH2 +ι mit t = 1-6) , verzweigte C3-C6-Alkyl- (R3 = CuH2u+1 mit u = 3- 6), C3-C7-Cycloalkyl- (R3 = CvH2v-ι mit v = 3-7) oder eine teil- oder perfluorierte geradkettige Alkylgruppe mit 3 bis 7 Kohlenstoffatomen, die gegebenenfalls ein oder mehrfach mit C1-C6-Alkyl substituiert sein kann, ist: R3 = CwH(2W+ι)-xFx(CyH2y+ι) z mit w = 3-7 und x = 0- (2w+l) und y = 1-6 mit z = 0- (2w+l) wobei x+z = (2w+l) .R3 in both formulas is a linear Cl-C6-alkyl- (R3 = C t H 2 + ι with t = 1-6), branched C3-C6-alkyl- (R3 = C u H 2u + 1 with u = 3- 6), C3-C7-cycloalkyl- (R3 = C v H 2v -ι with v = 3-7) or a partially or perfluorinated straight-chain alkyl group having 3 to 7 carbon atoms, optionally one or more times with C1-C6-alkyl can be substituted is: R3 = C w H (2W + ι) - x F x (C y H 2 y + ι) z with w = 3-7 and x = 0- (2w + l) and y = 1- 6 with z = 0- (2w + l) where x + z = (2w + l).
C) Zumindest ein Leitsalz, das kein Lithium enthält.C) At least one conductive salt that does not contain lithium.
2. Elektrolytlösung nach dem vorhergehenden Anspruch,2. electrolyte solution according to the preceding claim,
- bei der das Carbamat mit einem Anteil von 10 bis 60 Gewichtsprozent enthalten ist .- In which the carbamate is contained in a proportion of 10 to 60 percent by weight.
3. Elektrolytlösung nach dem vorhergehenden Anspruch, - bei der das Carbamat mit einem Anteil von 30 bis 50 Gewichtsprozent enthalten ist.3. Electrolyte solution according to the preceding claim, - in which the carbamate is contained in a proportion of 30 to 50 percent by weight.
4. Elektrolytlösung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Komponente A ein oder mehrere cyclische Carbonate umfaßt.4. Electrolyte solution according to one of the preceding claims, in which component A comprises one or more cyclic carbonates.
5. Elektrolytlösung nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der als Komponente A Ethylen- oder Propylencarbonat enthalten sind.5. Electrolytic solution according to the preceding claim, in which ethylene or propylene carbonate are contained as component A.
6. Elektrolytlösung nach einer der Ansprüche 1 bis 3, bei der als Komponente A Nitrile enthalten sind.6. Electrolytic solution according to one of claims 1 to 3, in which nitriles are contained as component A.
7. Elektrolytlösung nach dem vorhergehenden Anspruch, - bei der Komponente A aus folgenden Nitrilen ausgewählt ist :7. Electrolytic solution according to the preceding claim, in which component A is selected from the following nitriles:
- Acetonitril, 3 -Methoxyproprionitril ,- acetonitrile, 3-methoxy propionitrile,
- Glutaronitril, Succinonitril .- glutaronitrile, succinonitrile.
8. Elektrolytlösung nach einer der Ansprüche 1 bis 3,8. electrolyte solution according to one of claims 1 to 3,
- bei der als Komponente A Lactone enthalten sind.- Containing lactones as component A.
9. Elektrolytlösung nach dem vorhergehenden Anspruch,9. electrolytic solution according to the preceding claim,
- bei der Komponente A aus folgenden Lactonen ausgewählt ist:- Component A is selected from the following lactones:
- γ-Butyrolacton,- γ-butyrolactone,
- γ-Valerolacton.- γ-valerolactone.
10. Elektrolytlösung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit dem Merkmal, daß Komponente A Propylencarbonat und Komponente B Methyl- N,N-Dimethylcarbamat umfaßt.10. Electrolytic solution according to one of claims 1 to 5 with the feature that component A comprises propylene carbonate and component B methyl N, N-dimethyl carbamate.
11. Elektrolytlösung nach dem vorhergehenden Anspruch, - bei der Propylencarbonat und Methyl-N,N-Dimethylcarbamat in etwa gleichen Gewichtsanteilen enthalten sind.11. Electrolytic solution according to the preceding claim, - in which propylene carbonate and methyl N, N-dimethyl carbamate are contained in approximately equal parts by weight.
12. Elektrolytlösung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit dem Merkmal , - daß Komponente A Ethylencarbonat und Komponente B 2,2,2- Trifluorethyl-N,N-Dimethylcarbamat umfaßt .12. Electrolyte solution according to one of claims 1 to 5 with the feature that component A comprises ethylene carbonate and component B 2,2,2-trifluoroethyl-N, N-dimethyl carbamate.
13. Elektrolytlösung nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der das Lösungsmittelgemisch aus den Komponenten A und B Ethylencarbonat und 2 , 2 , 2-Trifluorethyl-N,N-13. Electrolyte solution according to the preceding claim, in which the solvent mixture of components A and B ethylene carbonate and 2, 2, 2-trifluoroethyl-N, N-
Dimethylcarbamat in einem Verhältnis von etwa 2:1 Gewichtsteilen umfaßt.Dimethyl carbamate in a ratio of about 2: 1 parts by weight.
14. Elektrolytlösung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit dem Merkmal ,14. Electrolyte solution according to one of claims 1 to 5 with the feature
- daß Komponente A Propylencarbonat und Komponente B Ethyl- N,N-Dimethylcarbamat umfaßt. - That component A comprises propylene carbonate and component B ethyl N, N-dimethyl carbamate.
15. Elektrolytlösung nach dem vorhergehenden Anspruch,15. electrolytic solution according to the preceding claim,
- bei der das Lösungsmittelgemisch aus den Komponenten A und B Propylencarbonat und Ethyl-N, N-Dimethylcarbamat in einem Verhältnis von ungefähr 1,5:1 Gewichtsteilen umfaßt.- in which the solvent mixture of components A and B comprises propylene carbonate and ethyl N, N-dimethyl carbamate in a ratio of approximately 1.5: 1 parts by weight.
16. Elektrolytlösung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,16. Electrolytic solution according to one of the preceding claims,
- bei der Komponente C ausgewählt ist aus Kombinationen von quarternären Ammonium- , Phosphonium- , Imidazolium- , Pyri- dinium-, Morpholinium- und/oder Pyrrolidiniumkationen mit Anionen, umfassend Tetrafluoroborat, Hexafluorophosphat, Hexafluoroarsenat, Hexafluoroantimonat, Borat, Bis (trifluormethylsulfonyl) imid, Trifluormethylsulfonat , Tris (trifluoromethylsulfonyl) methid, Tetrachloroaluminat , Fluoralkylphosphate, Fluoralkylarsenate, Fluoralkyl- antimonate, Oxalatoborat und B(OR)4 ", wobei R ausgewählt ist aus folgenden Gruppen:- Component C is selected from combinations of quaternary ammonium, phosphonium, imidazolium, pyridinium, morpholinium and / or pyrrolidinium cations with anions, including tetrafluoroborate, hexafluorophosphate, hexafluoroarsenate, hexafluoroantimonate, borate, bis (trifylylomide) bis (trifyl) imide , Trifluoromethyl sulfonate, tris (trifluoromethylsulfonyl) methide, tetrachloroaluminate, fluoroalkyl phosphates, fluoroalkyl arsenates, fluoroalkyl antimonates, oxalatoborate and B (OR) 4 " , where R is selected from the following groups:
Cl bis C6 Alkylgruppen, wobei zwei Alkylgruppen miteinander verbunden sein können, so daß zwei Sauer- stoffatome 0 verbrückt werden,C1 to C6 alkyl groups, it being possible for two alkyl groups to be linked to one another so that two oxygen atoms 0 are bridged,
- -OC-(Rl)xmit x = 0,1, wobei Rl eine Cl bis C6 Alkylgruppe ist, wobei zwei -0C-(R1)X -Gruppen über die Kohlenstoffatome miteinander verbunden sein können, so daß zwei Sauerstoffatome, die das Bor-Atom kontak- tieren, verbrückt werden.--OC- (Rl) x with x = 0.1, where Rl is a Cl to C6 alkyl group, it being possible for two -0C- (R1) X groups to be connected to one another via the carbon atoms, so that two oxygen atoms which are the Contact boron atom, be bridged.
17. Elektrolytlösung nach dem vorhergehenden Anspruch mit dem Merkmal ,17. Electrolytic solution according to the preceding claim with the feature
- daß die Komponente C Tetraethylammoniumtetrafluoroborat oder Methyltriethylammoniumtetrafluoroborat oder eine Mischung aus beiden Salzen ist.- That component C is tetraethylammonium tetrafluoroborate or methyltriethylammonium tetrafluoroborate or a mixture of both salts.
18. Elektrolytlösung nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der Komponente C in einer Konzentration > 0,7 mol/1 vorhanden ist. 18. Electrolytic solution according to the preceding claim, in which component C is present in a concentration> 0.7 mol / 1.
19. Elektrolytlösung nach den Ansprüchen 11 und 13 mit dem Merkmal , daß als Komponente C Tetraethylammoniumtetrafluoroborat in einer Konzentration von größer 0,7 mol/1 enthalten ist.19. Electrolyte solution according to claims 11 and 13 with the feature that tetraethylammonium tetrafluoroborate is present as component C in a concentration of greater than 0.7 mol / 1.
20. Elektrolytlösung nach dem Anspruch 15 mit dem Merkmal, daß Methyltriethylammoniumtetrafluoroborat in einer Konzentration von größer 1 mol/1 enthalten ist.20. Electrolytic solution according to claim 15 with the feature that methyltriethylammonium tetrafluoroborate is contained in a concentration of greater than 1 mol / 1.
21. Elektrochemischer Doppelschichtkondensator mit Elektroden bestehend aus Aktivkohlenstofftüchern oder Aktivkohlenstoff- pulver und dazwischen befindlichen porösen Separatoren mit dem Merkmal , daß sie eine schwerentflammbare Elektrolytlösung nach ei- nem der vorhergehenden Ansprüche umfassen.21. Electrochemical double-layer capacitor with electrodes consisting of activated carbon cloths or activated carbon powder and porous separators located therebetween with the feature that they comprise a flame-retardant electrolytic solution according to one of the preceding claims.
22. Elektrochemischer Doppelschichtkondensator nach dem vorhergehenden Anspruch mit den Merkmalen, daß er aus alternierenden Lagen von Elektroden, aufgebaut aus metallimprägnierten Aktivkohlenstofftüchern mit dazwischen befindlichen Stromkollektorfolien, besteht, wobei ein Ende jeder Stromkollektorfolie die elektrisch leitenden Bereiche jeweils eines Aktivkohlenstofftuches kontaktiert, - daß das andere Ende jeder Stromkollektorfolie mit den Enden der anderen Stromkollektorfolien von Elektroden gleicher Polarität zu einem Bündel verbunden ist, so daß sie ein Elektrodenterminal bilden, an dem ein elektrisches Potential angelegt werden kann, - daß Elektroden unterschiedlicher Polarität von porösen Separatoren elektrisch isolierend abgetrennt werden, daß die alternierenden Lagen von Elektroden unter leichtem Druck in ein Gehäuse verpackt sind, so daß eine große Kontaktfläche zwischen den Stromkollektorfolien und den Ak- tivkohlenstofftüchern entsteht. 22. Electrochemical double-layer capacitor according to the preceding claim, with the features that it consists of alternating layers of electrodes, built up from metal-impregnated activated carbon cloths with current collector foils therebetween, one end of each current collector film contacting the electrically conductive areas of an activated carbon cloth, - that the other end each current collector foil is connected to the ends of the other current collector foils of electrodes of the same polarity to form a bundle, so that they form an electrode terminal to which an electrical potential can be applied - that electrodes of different polarity are separated from porous separators in an electrically insulating manner so that the alternating ones Layers of electrodes are packaged in a housing under slight pressure, so that there is a large contact area between the current collector foils and the active carbon cloths.
23. Hybridkondensator mit Metalloxidelektroden oder Kombinationen aus Metalloxidelektroden und Elektroden aus Aktivkohlenstofftüchern oder Aktivkohlenstoffpulver und dazwischen befindlichen porösen Separatoren, umfassend eine schwerent- flammbare Elektrolytlösung nach einem der Ansprüche 1 bis 20.23. Hybrid capacitor with metal oxide electrodes or combinations of metal oxide electrodes and electrodes made of activated carbon cloths or activated carbon powder and porous separators located therebetween, comprising a flame-retardant electrolytic solution according to one of claims 1 to 20.
24. Pseudokondensator mit Elektroden aus leitfähigen Polymeren und/oder Elektroden aus Aktivkohlenstofftüchern oder Aktivkohlenstoffpulver und dazwischen befindlichen porösen Se- par toren mit dem Merkmal, daß er eine schwerentflammbare Elektrolytlösung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 umfaßt.24. Pseudocapacitor with electrodes made of conductive polymers and / or electrodes made of activated carbon cloths or activated carbon powder and porous separators located therebetween with the feature that it comprises a flame-retardant electrolyte solution according to one of claims 1 to 20.
25. Elektrochemischer Kondensator nach einem der Ansprüche 21 bis 24 mit dem Merkmal, daß er als zylindrisches, prismatisches, radiales oder axiales Bauelement geformt ist.25. Electrochemical capacitor according to one of claims 21 to 24 with the feature that it is shaped as a cylindrical, prismatic, radial or axial component.
26. Elektrochemischer Kondensator nach einem der Ansprüche 21 bis 25 mit dem Merkmal,26. Electrochemical capacitor according to one of claims 21 to 25 with the feature
- daß er als Separatoren Polymerfilme, Vliese, Filze, Gewebe aus Polymeren oder Fiberglas oder Papiere umfaßt.- That it includes polymer films, nonwovens, felts, woven fabrics made of polymers or fiberglass or papers as separators.
27. Aluminium-Elektrolytkondensator, mit Elektroden bestehend aus Aluminiumfolien und zwischen den Elektroden angeordneten porösen Separatoren, der eine schwerentflammbare Elektrolytlösung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 umfaßt.27. Aluminum electrolytic capacitor, with electrodes consisting of aluminum foils and porous separators arranged between the electrodes, which comprises a flame-retardant electrolyte solution according to one of claims 1 to 20.
28.Verwendung eines Kondensators nach einem der Ansprüche 21 bis 26 für ZeilSpannungen > 2,5 V. 28. Use of a capacitor according to one of Claims 21 to 26 for line voltages> 2.5 V.
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