WO2013182360A1 - Method for the production of a polyacrylonitrile-sulfur composite material - Google Patents

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polyacrylonitrile
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Jean Fanous
Martin Tenzer
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a
  • Polyacrylonitrile-sulfur composite material in particular as an active material for an alkali-sulfur battery, for example for a lithium-sulfur battery.
  • the present invention further relates to a method for producing an active material for an electrode, in particular for a cathode of a lithium-sulfur battery.
  • the invention further relates to an energy store.
  • lithium-sulfur battery technology Li / S for short.
  • the cathode of a lithium-sulfur cell would consist entirely of elemental sulfur, theoretically an energy content above 1,000 Wh / kg could be achieved.
  • elemental sulfur is neither ionic nor electrically conductive, so additives must be added to the cathode that significantly lower the theoretical value.
  • elemental sulfur is conventionally reduced in the discharge of a lithium-sulfur cell to soluble polysulfides S x 2 " , which can diffuse into regions, for example the anode region, in which they participate in the electrochemical reaction of the following
  • Electrolytes polysulfides be dissolved, which can not be further reduced. In practice, therefore, currently the sulfur utilization and thus the
  • the present invention is a process for producing a polyacrylonitrile-sulfur composite material, comprising the process step: a) reacting sulfur with polyacrylonitrile with an excess of sulfur at a temperature of greater than or equal to 300 ° C, in particular greater than or equal to 550 ° C;
  • a composite material in particular a composite material can be understood, which is prepared by a reaction of polyacrylonitrile (PAN) with sulfur (S).
  • PAN polyacrylonitrile
  • S sulfur
  • the sulfur atoms in the polyacrylonitrile-sulfur composite may be bonded to a particular cyclized polyacrylonitrile backbone both directly by covalent sulfur-carbon bonds and indirectly by one or more covalent sulfur-sulfur bonds and one or more sulfur-carbon bonds. At least part of the sulfur atoms of the polyacrylonitrile-sulfur composite material, for example in the form of polysulfide chains, may be covalently bonded to a cyclized polyacrylonitrile strand.
  • Sulfur content and a good electrochemical cycle stability are produced, which is particularly suitable for producing an active material for a long-term stable cathode of a lithium-sulfur battery, wherein the largest possible proportion of the active material over a long period
  • sulfur is reacted with polyacrylonitrile in the process of the invention.
  • an excess of sulfur is suitably used.
  • temperatures are used for the production of composite materials, which are in a range of greater than or equal to 300 ° C, in particular greater than or equal to 550 ° C. This allows a conversion of sulfur and polyacrylonitrile proceed with particularly good turnovers and also a composite material can be achieved with a particularly good rate capability.
  • a particularly good charging or discharging behavior can be realized.
  • the reaction can be carried out in less than 12 hours, in particular less than 8 hours, for example 5 hours to 7 hours, for example in about 6 hours.
  • a first temperature for example in a range of greater than or equal to 300 ° C to less than or equal to 600 ° C
  • a second temperature which is lower than the first Temperature is, for example, in a range of greater than or equal to 300 ° C to less than or equal to 400 ° C
  • the phase within which the second temperature is set in particular, be longer than the phase in which the first temperature is set.
  • the first temperature phase a cyclization of the polyacrylonitrile can be effected.
  • the second temperature phase essentially the formation of covalent sulfur-carbon bonds can take place.
  • longer polysulfide chains can, as already explained, be linked to the cyclized polyacrylonitrile skeleton.
  • the ratio of sulfur to polyacrylonitrile is selected depending on in
  • Process step a) chosen reaction temperature, in particular the set during the reaction of the maximum temperature can be further ensured that the largest possible amount of sulfur can be incorporated into the formed matrix of the composite material.
  • Active material about a lithium-ion battery can be provided a particularly high capacity. In this case, this can be realized in particular without adversely affecting further reaction parameters, that is, for example, to extend the reaction time.
  • the polyacrylonitrile particles are sufficiently separated from each other, whereby each individual
  • Sulfur may have in the immediate vicinity. This can for example improved crosslinking of the polyacrylonitrile particles with about
  • the ratio of sulfur to polyacrylonitrile is chosen, in particular in such a dependence of the reaction temperature chosen in process step a), that at an increasing temperature, a larger amount of sulfur based on the amount of polyacrylonitrile used is used.
  • a temperature of about 330 ° C for example, a
  • Polyacrylonitrile in wt .-% in a range of 15: 1 can be adjusted.
  • a reaction of sulfur with polyacrylonitrile can be improved such that an excess of sulfur with respect to polyacrylonitrile is always selected as a function of the temperature such that a sufficient amount of sulfur is incorporated into the polyacrylonitrile matrix to form the composite material
  • the sulfur can be covalently bonded to the polyacrylonitrile matrix, but can still be reduced or prevented that excess sulfur remains as an unbound or free radical in the composite material.
  • Such a sulfur radical can be disadvantageous, for example, because it can change the defined structure of the sulfur-polyacrylonitrile composite material.
  • a mixture of sulfur and polyacrylonitrile in process step a), can be reacted in a range of greater than or equal to 7.5: 1 (% by weight).
  • Sulfur content in the composite particles to be produced can further increase.
  • a particularly high capacity can be achieved for the exemplary case of using such a composite material as active material in an electrode for a lithium-ion battery.
  • the rate capability is particularly improved in a particularly advantageous manner, but at the same time increases the capacity even at high temperatures.
  • the weight ratio of sulfur to polyacrylonitrile may be greater than or equal to 7.5: 1 (wt .-%) and in particular less than or equal to 20: 1 wt .-%).
  • pure polyacrylonitrile or a polyacrylonitrile-sulfur mixture may be introduced into a sulfur melt initially introduced at 250.degree.
  • the mixture can be stirred for some time at this temperature purely by way of example and the reaction then be continued at a temperature in a range of greater than or equal to 300 ° C to less than or equal to 550 ° C.
  • the method may comprise the further method step:
  • a composite material can serve directly as an active material after a cleaning.
  • the composite material after the cleaning can be dried in particular. Purification can be performed, for example, by offsetting the composite material with an organic solvent such as toluene. This may conveniently be done after cooling the composite material produced at elevated temperature.
  • the purification according to process step b) can be carried out by a Soxhlet extraction, in particular wherein the Soxhlet extraction can be carried out using an organic solvent.
  • the Soxhiet extraction can be carried out with an apolar solvent or solvent mixture, for example toluene, and the excess sulfur removed.
  • Soxhiet extraction is a particularly simple and cost-effective method and is particularly gentle on the composite material produced, so that no structural change of the particles can take place during the purification. As a result, the rate capability can remain particularly stable.
  • the Soxhiet extraction can also take place, for example, immediately after cooling of the composite material, or also after prior treatment of the composite material with an organic solvent, for example second
  • At least the method step a) can be carried out under an inert gas atmosphere.
  • an inert gas atmosphere can help to obtain a particularly homogeneous and defined structure of the polyacrylonitrile-sulfur composite material.
  • an inert gas atmosphere can be understood as meaning in particular an atmosphere of an unreactive gas in the conditions prevailing in process step a).
  • an inert gas atmosphere may be formed by argon or nitrogen.
  • a cyclized polyacrylonitrile can be reacted with sulfur in the process step a), wherein the cyclized polyacrylonitrile can be obtained by reacting polyacrylonitrile to cyclized polyacrylonitrile.
  • an electrically conductive base in the form of the electrically conductive, cyclized first for example, can thus be used
  • cPAN Polyacrylonitrile
  • the reaction can then be carried out with the electrochemically active sulfur, in particular wherein this can be covalently bonded to the electrically conductive skeleton of cyclized polyacrylonitrile to form a polyacrylonitrile-sulfur composite (ScPAN).
  • ScPAN polyacrylonitrile-sulfur composite
  • the sulfur atoms may be cyclized in the polyacrylonitrile-sulfur composite both directly through covalent sulfur-carbon bonds and indirectly through one or more covalent sulfur-sulfur bonds and one or more sulfur-carbon bonds
  • Polyacrylonitrile-sulfur composite material for example in the form of
  • Polyacrylonitrile strand annel sacred S-heterocycle, and / or intermolecularly with two cyclized polyacrylonitrile strands, in particular to form a bridge, in particular Polysulfid Portugal, between the cyclized polyacrylonitrile strands, covalently connected.
  • Atmosphere for example, an air or oxygen atmosphere, take place.
  • the cyclization may, for example, at a temperature in a range of greater than or equal to 150 ° C to less than or equal to 500 ° C,
  • reaction time of the first process step may be less than 3 hours, in particular less than 2 hours, for example less than 1 hour.
  • Cyclization take place.
  • known catalysts can be used, for example, from the production of carbon fiber.
  • Zykltechnikskatalysators can be added to the production of carbon fiber.
  • reaction temperature and / or the reaction time of the reaction of the polyacrylonitrile with the sulfur are reduced.
  • Polyacrylonitrile can be reacted with sulfur in the presence of a catalyst.
  • a catalyst By adding a catalyst can advantageously the
  • Reaction temperature and the reaction time can be reduced.
  • the chain length of polysulfides covalently bonded to the cyclized polyacrylonitrile can be increased. This is because elemental sulfur is present at room temperature in the form of S8 rings.
  • sulfur is in the form of medium chain Sx chains, for example, from 6 to 26 sulfur atoms, or large chain length, for example, from 103 to 106
  • a thermal cracking process begins and the chain length decreases again. From 444, 6 ° C (boiling point) is gaseous sulfur with a chain length of 1-8 atoms.
  • the use of a vulcanization catalyst has the advantage that at a lower temperature, longer inter- and / or intramolecular, covalently bonded to, in particular cyclized, polyacrylonitrile bound sulfur bridges can be introduced into the polyacrylonitrile-sulfur composite material.
  • a higher sulfur content of the polyacrylonitrile-sulfur composite and thus a higher capacity and energy density ofêtstattenden with the cathode material alkali-sulfur cell, in particular
  • Lithium-sulfur cell can be achieved.
  • Rubber vulcanization known.
  • the reaction is therefore preferably carried out here at least temporarily in the presence of a vulcanization catalyst or vulcanization accelerator.
  • a vulcanization catalyst or vulcanization accelerator In particular, the vulcanization catalyst or
  • Vulkanisationsbelixer comprise or consist of at least one sulfidic radical initiator.
  • the sulfidic radical initiator In particular, the sulfidic
  • Radical starter may be selected from the group consisting of sulfidic
  • Metal complexes for example obtainable by reaction of zinc oxide (ZnO) and tetramethylthiuramidisulfide or ⁇ , ⁇ -dimethylthiocarbamate, sulfenamides, for example 2-mercaptobenzothiazoylamine derivatives, and combinations thereof.
  • the reaction mixture may be greater than or equal to 3 wt% to less than or equal to 5 wt% zinc oxide and optionally greater than or equal to 0.5
  • the reaction can be carried out at least temporarily in the presence of a vulcanization inhibitor. Suitable for this
  • Vulcanization inhibitors are also known in the rubber vulcanization art.
  • N- (cyclohexylthio) phthalamide can be used as a vulcanization inhibitor.
  • the properties of the polyacrylonitrile-sulfur composite material can be adjusted in a targeted manner.
  • the catalyst and optionally the inhibitor are partially or completely removed in a removal step.
  • the invention further relates to a method for producing a
  • An active material for an electrode, in particular for a cathode of a lithium-sulfur battery, comprising a method configured as described above for producing a polyacrylonitrile-sulfur composite material.
  • a polyacrylonitrile-sulfur composite material produced as described above can have advantageous properties, in particular a high rate capability, in particular as active material of an electrode, in particular a cathode, for a lithium-sulfur battery.
  • an energy store equipped with this can have a particularly preferred charging and / or discharging behavior.
  • the method can continue the
  • Process step include: c) admixing at least one electrically conductive additive to the
  • Polyacrylonitrile-sulfur composite material in particular selected from the group consisting of carbon black, graphite, carbon fibers, carbon nanotubes and mixtures thereof.
  • greater than or equal to 0.1% by weight to less than or equal to 30% by weight, for example greater than or equal to 5% by weight to less than or equal to 20% by weight can be admixed to electrically conductive additives.
  • electrically conductive additives By adding an electrically conductive additive, the conductivity and thus the rate capability of the resulting mixture can be further improved, which makes use as an active material in an electrode particularly advantageous.
  • the method may further comprise the method step:
  • binders greater than or equal to 0.1% by weight to less than or equal to 30% by weight, for example greater than or equal to 5% by weight to less than or equal to 20% by weight, can be admixed to binders.
  • the stability of the cathode material can be improved by adding binders, which can improve use in electrochemical energy stores.
  • the binder may be added together with N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent.
  • process step c) and / or in process step d) greater than or equal to 60% by weight to less than or equal to 90% by weight, in particular greater than or equal to 65% by weight to less than or equal to 75% by weight, for example 7% by weight be used on polyacrylonitrile-sulfur composite material, and / or
  • process step c) greater than or equal to 0.1% by weight to less than or equal to 30% by weight, for example greater than or equal to 5% by weight to less than or equal to 20% by weight, are admixed to electrically conductive additives, and / or in process step d) greater than or equal to 0.1 wt% to less than or equal to 30 wt%, for example greater than or equal to 5 wt% to less than or equal to 20 wt%, are admixed to binders.
  • the invention further provides the use of a polyacrylonitrile-sulfur composite material, prepared according to a previously described
  • a composite material thus produced can provide advantageous properties such as good capacity and rate capability.
  • the invention furthermore relates to an energy store, in particular a lithium-sulfur battery, comprising an electrode with an active material which has a polyacrylonitrile-sulfur composite material produced as described above.
  • an active material produced as described above in particular in the form of a
  • Kathodenmatenalschlickers for producing a cathode continue at least a solvent, for example N-methyl-2-pyrrolidone.
  • a cathode metal slag can be applied, for example by doctoring, to a carrier material, for example an aluminum plate or foil.
  • the solvents are preferably removed again after the application of the cathode material and before the assembly of the lithium-sulfur cell, preferably completely, in particular by a drying process.
  • the cathode material-carrier material arrangement can then be divided into several cathode material-carrier material units, for example by punching or cutting.
  • the cathode material-carrier material arrangement or units can be installed with a lithium metal anode, for example in the form of a plate or foil of metallic lithium, to form a lithium-sulfur cell.
  • the anode may in particular be an alkali metal anode, in particular a lithium metal anode, for example in the form of a plate or foil, for example of metallic lithium.
  • the alkali-sulfur cell or battery may comprise an electrolyte, in particular of at least one electrolyte solvent and at least one conductive salt.
  • the electrolyte solvent may be selected from the group consisting of carbonic acid esters,
  • the electrolyte solvent may be diethyl carbonate (DEC),
  • the salt can for example be selected from the group consisting of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6), lithium bis (trifluormethylsulphonyl) imide (LiTFSI), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 S0 3), lithium chlorate (LiCI0 4) Lithium bis (oxalato) borate (LiBOB), lithium fluoride (LiF), lithium nitrate (LiN0 3 ), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), and combinations thereof.
  • the electrolyte solvent may be selected from the group consisting of cyclic ethers, acyclic ethers, and combinations thereof, and / or may include the conductive salt lithium bis (trifluoromethylsulphonyl) imide (LiTFSI).
  • LiTFSI lithium bis (trifluoromethylsulphonyl) imide
  • An energy store that can be produced in this way can be, in particular, a mobile or stationary energy store, which comprises an alkali-sulfur cell or battery according to the invention, in particular a lithium-sulfur cell or battery.
  • the energy storage device may be an energy storage device for a vehicle, for example an electric or electronic vehicle
  • Hybrid vehicle or a power tool or device, such as a screwdriver or gardening tool, or an electronic device, such as a portable computer and / or a
  • Telecommunication device such as a mobile phone, PDA, or a
  • the alkali-sulfur cells or batteries according to the invention have a very high energy density, they are particularly suitable for vehicles and stationary storage systems, such as high-energy storage systems for houses or installations.
  • Fig. 1 is a diagram showing the capacity curve of test cells in
  • the sulfur-containing, cyclized polyacrylonitrile, ie the finished composite, is processed to a cathode slurry for forming a cathode active material.
  • the active material (SPAN), carbon black (such as the carbon black available under the trade name Super P Li) as an electrically conductive additive and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder or binder in a ratio of 70:15:15 (in wt .-%) in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as
  • Solvent mixed and homogenized The slurry will be on one

Abstract

The invention relates to a method for producing a polyacrylonitrile-sulfur composite material, comprising the step of: a) reacting sulfur with polyacrylonitrile with excess sulfur at a temperature of at least 300°C, in particular at least 550°C; the ratio between sulfur and polyacrylonitrile being selected according to the reaction temperature selected in step a). The invention further relates to a method for producing an active material for an electrode as well as to an energy accumulator.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Verfahren zum Herstellen eines Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoffs Process for producing a polyacrylonitrile-sulfur composite
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines The present invention relates to a method for producing a
Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoffs, insbesondere als Aktivmaterial für eine Alkali-Schwefel-Batterie, beispielsweise für eine Lithium-Schwefel-Batterie. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Aktivmaterials für eine Elektrode, insbesondere für eine Kathode einer Lithium- Schwefel-Batterie. Die Erfindung betrifft ferner einen Energiespeicher. Polyacrylonitrile-sulfur composite material, in particular as an active material for an alkali-sulfur battery, for example for a lithium-sulfur battery. The present invention further relates to a method for producing an active material for an electrode, in particular for a cathode of a lithium-sulfur battery. The invention further relates to an energy store.
Stand der Technik State of the art
Um Batterien mit einer großen Energiedichte herzustellen, wird derzeit an der Lithium-Schwefel-Batterietechnologie (kurz: Li/S) geforscht. Insofern die Kathode einer Lithium-Schwefel-Zelle vollständig aus elementarem Schwefel bestünde, könnte theoretisch ein Energieinhalt über 1.000 Wh/kg erzielt werden. In order to produce batteries with a high energy density, research is currently being conducted on lithium-sulfur battery technology (Li / S for short). Inasmuch as the cathode of a lithium-sulfur cell would consist entirely of elemental sulfur, theoretically an energy content above 1,000 Wh / kg could be achieved.
Elementarer Schwefel ist jedoch weder ionisch noch elektrisch leitfähig, so dass Additive zur Kathode hinzugegeben werden müssen, die den theoretischen Wert deutlich senken. Zudem wird elementarer Schwefel herkömmlicherweise bei der Entladung einer Lithium-Schwefel-Zelle zu löslichen Polysulfide Sx 2" reduziert. Diese können in Bereiche, beispielsweise den Anodenbereich, diffundieren, in denen sie an der elektrochemischen Reaktion der nachfolgenden However, elemental sulfur is neither ionic nor electrically conductive, so additives must be added to the cathode that significantly lower the theoretical value. In addition, elemental sulfur is conventionally reduced in the discharge of a lithium-sulfur cell to soluble polysulfides S x 2 " , which can diffuse into regions, for example the anode region, in which they participate in the electrochemical reaction of the following
Lade/Entladezyklen nicht mehr teilnehmen können. Zudem können im Charging / discharging cycles can no longer participate. In addition, in the
Elektrolyten Polysulfide gelöst sein, welche nicht weiter reduziert werden können. In der Praxis ist daher derzeit die Schwefelausnutzung und damit die Electrolytes polysulfides be dissolved, which can not be further reduced. In practice, therefore, currently the sulfur utilization and thus the
Energiedichte von Lithium-Schwefel-Zellen deutlich niedriger und wird derzeit zwischen 400 Wh/kg und 600 Wh/kg eingeschätzt. Bezüglich Lithium-Schwefel-Zellen beschreiben Nazar et al. in Nature Materials, Vol. 8, June 2009, 500-506, dass Kohlenstoffröhrchen ein Zurückhalten von Polysulfiden im Kathodenraum begünstigen und gleichzeitig für eine Energy density of lithium-sulfur cells significantly lower and is currently estimated between 400 Wh / kg and 600 Wh / kg. With respect to lithium-sulfur cells, Nazar et al. in Nature Materials, Vol. 8, June 2009, 500-506 that carbon tubes favor retention of polysulfides in the cathode compartment and at the same time for a
ausreichende elektrische Leitfähigkeit sorgen. provide adequate electrical conductivity.
Wang et al. beschreiben in Advanced Materials, 14, 2002, Nr. 13-14, S. 963-965 und Advanced Functional Materials, 13, 2003, Nr. 6, S. 487-492 und Yu et al. beschreiben in Journal of Electroanalytical Chemistry, 573, 2004, 121 -128 und Journal of Power Sources 146, 2005, 335-339 eine andere Technologie bei der Polyacrylnitril (kurz: PAN) mit einem Überschuss an elementarem Schwefel erhitzt wird, wobei der Schwefel zum einen unter Bildung von H2S Polyacrylnitril zu einem Polymer mit konjugiertem ττ-System zyklisiert und zum anderen in der zyklisierten Matrix, insbesondere über eine Kohlenstoff-Schwefel-Bindung gebunden wird. Wang et al. describe in Advanced Materials, 14, 2002, No. 13-14, pp. 963-965 and Advanced Functional Materials, 13, 2003, No. 6, pp. 487-492 and Yu et al. describe in Journal of Electroanalytical Chemistry, 573, 2004, 121-128 and Journal of Power Sources 146, 2005, 335-339 another technology in which polyacrylonitrile (PAN for short) is heated with an excess of elemental sulfur, wherein the sulfur to one is cyclized to form H 2 S polyacrylonitrile to a polymer with conjugated ττ system and on the other hand in the cyclized matrix, in particular via a carbon-sulfur bond is bound.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoffs, umfassend den Verfahrensschritt: a) Umsetzen von Schwefel mit Polyacrylnitril mit einem Überschuss an Schwefel bei einer Temperatur von größer oder gleich 300°C, insbesondere von größer oder gleich 550°C; The present invention is a process for producing a polyacrylonitrile-sulfur composite material, comprising the process step: a) reacting sulfur with polyacrylonitrile with an excess of sulfur at a temperature of greater than or equal to 300 ° C, in particular greater than or equal to 550 ° C;
wobei das Verhältnis von Schwefel zu Polyacrylnitril gewählt wird in Abhängigkeit der in Verfahrensschritt a) gewählten Umsetzungstemperatur. wherein the ratio of sulfur to polyacrylonitrile is chosen depending on the reaction temperature selected in process step a).
Unter einem Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoff (SPAN) kann Under a polyacrylonitrile-sulfur composite material (SPAN) can
insbesondere ein Kompositwerkstoff verstanden werden, welcher durch eine Umsetzung von Polyacrylnitril (PAN) mit Schwefel (S) hergestellt ist. in particular a composite material can be understood, which is prepared by a reaction of polyacrylonitrile (PAN) with sulfur (S).
Die Schwefelatome können in dem Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoff sowohl direkt durch kovalente Schwefel-Kohlenstoffbindungen als auch indirekt durch eine oder mehrere kovalente Schwefel-Schwefelbindungen und eine oder mehrere Schwefel-Kohlenstoffbindungen mit einem insbesondere zyklisierten Polyacrylnitrilgerüst verbunden sein. Dabei kann zumindest ein Teil der Schwefelatome des Polyacrylnitril-Schwefel- Kompositwerkstoffs, beispielsweise in Form von Polysulfidketten, mit einem zyklisierten Polyacrylnitrilstrang kovalent verbunden sein. The sulfur atoms in the polyacrylonitrile-sulfur composite may be bonded to a particular cyclized polyacrylonitrile backbone both directly by covalent sulfur-carbon bonds and indirectly by one or more covalent sulfur-sulfur bonds and one or more sulfur-carbon bonds. At least part of the sulfur atoms of the polyacrylonitrile-sulfur composite material, for example in the form of polysulfide chains, may be covalently bonded to a cyclized polyacrylonitrile strand.
Bei derartigen Kompositwerkstoffen existieren somit Hinweise zu einer Schwefel- Kohlenstoffbindung, die die Polysulfide somit fest an die Polymermatrix binden. Folglich entsteht ein Schwefel-Polyacrylnitril-Komposit mit verschiedenen funktionellen Gruppen und chemischen Bindungen, die alle unterschiedliche Eigenschaften und Beiträge in Bezug auf elektrochemische Performance und Alterungsverhalten haben können. With such composite materials, there is thus evidence of a sulfur-carbon bond, which thus binds the polysulfides firmly to the polymer matrix. Consequently, a sulfur-polyacrylonitrile composite with different functional groups and chemical bonds is formed, all of which may have different properties and contributions in terms of electrochemical performance and aging behavior.
Durch ein vorbeschriebenes Verfahren kann dabei ein Schwefel-Polyacrylnitril- Kompositwerkstoff mit einer besonders definierten Struktur, hohem By a method described above, a sulfur-polyacrylonitrile composite material having a particularly defined structure, high
Schwefelgehalt und einer guten elektrochemischen Zyklenstabilität hergestellt werden, der insbesondere geeignet ist für das Erzeugen eines Aktivmaterials für eine langzeitstabile Kathode einer Lithium-Schwefel-Batterie, bei der ein möglichst großer Anteil des Aktivmaterials über einen langen Zeitraum Sulfur content and a good electrochemical cycle stability are produced, which is particularly suitable for producing an active material for a long-term stable cathode of a lithium-sulfur battery, wherein the largest possible proportion of the active material over a long period
elektrochemisch nutzbar sein kann. can be used electrochemically.
Im Detail wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Schwefel mit Polyacrylnitril umgesetzt. Hierzu wird in geeigneter weise ein Überschuss an Schwefel verwendet. Weiterhin werden zur Erzeugung von Kompositwerkstoffen vorteilhafter Weise Temperaturen verwendet, welche in einem Bereich von größer oder gleich 300°C, insbesondere von größer oder gleich 550°C, liegen. Dadurch kann eine Umsetzung von Schwefel und Polyacrylnitril mit besonders guten Umsätzen ablaufen und ferner ein Kompositwerkstoff mit einer besonders guten Ratenfähigkeit erzielt werden. Mit anderen Worten kann für den rein beispielhaften Fall einer Verwendung als Aktivmaterial in einer Lithium-Schwefel- Batterie ein besonders gutes Lade- beziehungsweise Entladeverhalten realisierbar sein. In detail, sulfur is reacted with polyacrylonitrile in the process of the invention. For this purpose, an excess of sulfur is suitably used. Furthermore, advantageously temperatures are used for the production of composite materials, which are in a range of greater than or equal to 300 ° C, in particular greater than or equal to 550 ° C. This allows a conversion of sulfur and polyacrylonitrile proceed with particularly good turnovers and also a composite material can be achieved with a particularly good rate capability. In other words, for the purely exemplary case of use as active material in a lithium-sulfur battery, a particularly good charging or discharging behavior can be realized.
Die Umsetzung kann dabei in weniger als 12h, insbesondere weniger als 8h, beispielsweise 5h bis 7h, zum Beispiel in etwa 6h, durchgeführt werden. The reaction can be carried out in less than 12 hours, in particular less than 8 hours, for example 5 hours to 7 hours, for example in about 6 hours.
Insbesondere kann während der Umsetzung zuerst eine erste Temperatur, beispielsweise in einem Bereich von größer oder gleich 300°C bis kleiner oder gleich 600°C, und dann eine zweite Temperatur, welche niedrigere als die erste Temperatur ist, beispielsweise in einem Bereich von größer oder gleich 300°C bis kleiner oder gleich 400°C, eingestellt werden. Dabei kann die Phase, innerhalb welcher die zweite Temperatur eingestellt wird, insbesondere länger sein als die Phase, in welcher die erste Temperatur eingestellt wird. Durch die erste Temperaturphase kann eine Zyklisierung des Poylacrylnitrils bewirkt werden. Während der zweiten Temperaturphase kann im Wesentlichen die Ausbildung von kovalenten Schwefel-Kohlenstoff-Bindungen erfolgen. Dadurch, dass hierbei eine niedrigere Temperatur eingestellt wird, können, wie bereits erläutert, längere Polysulfidketten mit dem zyklisierten Polyacrylnitrilgerüst verknüpft werden. In particular, during the reaction, first a first temperature, for example in a range of greater than or equal to 300 ° C to less than or equal to 600 ° C, and then a second temperature, which is lower than the first Temperature is, for example, in a range of greater than or equal to 300 ° C to less than or equal to 400 ° C, can be set. In this case, the phase within which the second temperature is set, in particular, be longer than the phase in which the first temperature is set. By the first temperature phase, a cyclization of the polyacrylonitrile can be effected. During the second temperature phase, essentially the formation of covalent sulfur-carbon bonds can take place. As a result of the fact that a lower temperature is set here, longer polysulfide chains can, as already explained, be linked to the cyclized polyacrylonitrile skeleton.
Dadurch, dass gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren ferner das Verhältnis von Schwefel zu Polyacrylnitril gewählt wird in Abhängigkeit der in Characterized in that according to the method described above, the ratio of sulfur to polyacrylonitrile is selected depending on in
Verfahrensschritt a) gewählten Umsetzungstemperatur, insbesondere der während der Umsetzung eingestellten Maximaltemperatur, kann weiterhin sichergestellt werden, dass eine möglichst große Menge an Schwefel in die gebildete Matrix des Kompositwerkstoffs eingebaut werden kann. Dadurch kann etwa bei der rein beispielhaften Verwendung des Kompositwerkstoffs als Process step a) chosen reaction temperature, in particular the set during the reaction of the maximum temperature can be further ensured that the largest possible amount of sulfur can be incorporated into the formed matrix of the composite material. As a result, as in the purely exemplary use of the composite material as
Aktivmaterial etwa in einer Lithium-Ionen-Batterie eine besonders hohe Kapazität bereitgestellt werden. Dabei kann dies realisierbar sein insbesondere ohne weitere Reaktionsparameter negativ zu beeinflussen, also beispielsweise die Reaktionszeit zu verlängern. Active material about a lithium-ion battery can be provided a particularly high capacity. In this case, this can be realized in particular without adversely affecting further reaction parameters, that is, for example, to extend the reaction time.
Dabei kann durch eine Abhängigkeit des Verhältnisses von Schwefel zu It can by a dependence of the ratio of sulfur to
Polyacrylnitril zu in der in Verfahrensschritt a) gewählten Umsetzungstemperatur insbesondere dem Effekt entgegengewirkt werden, dass bei einer hohen Polyacrylonitrile to be counteracted in the reaction temperature chosen in process step a) in particular the effect that at a high
Umsetzungstemperatur von Schwefel und Polyacrylnitril vergleichsweise wenig Schwefel in der Matrix des Kompositwerkstoffs gebunden ist. Eine Begründung hierfür kann insbesondere darin gesehen werden, dass bei höheren Reaction temperature of sulfur and polyacrylonitrile comparatively little sulfur is bound in the matrix of the composite material. A justification for this can be seen in particular in the fact that at higher
Temperaturen die Kettenlängen der Schwefelmoleküle kürzer werden und somit sich der Schwefelanteil in der Matrix beziehungsweise in dem Gerüst reduziert. Insbesondere können durch einen stets geeigneten und ausreichenden Temperatures, the chain lengths of the sulfur molecules are shorter and thus reduces the sulfur content in the matrix or in the framework. In particular, by always a suitable and sufficient
Überschuss an Schwefel bezüglich des Polyacrylnitrils die Polyacrylnitril-Partikel ausreichend voneinander getrennt werden, wodurch jedes einzelne Excess of sulfur relative to the polyacrylonitrile, the polyacrylonitrile particles are sufficiently separated from each other, whereby each individual
Polyacrylnitril-Partikel eine große Menge an insbesondere elementarem Polyacrylonitrile particles a large amount of particular elemental
Schwefel in direkter Umgebung aufweisen kann. Dies kann beispielsweise zu einer verbesserten Vernetzung der Polyacrylnitrilpartikel etwa mit Sulfur may have in the immediate vicinity. This can for example improved crosslinking of the polyacrylonitrile particles with about
Schwefelbrücken führen. Daneben bietet eine große Menge an insbesondere elementarem Schwefel in direkter Umgebung zu den Polyacrylnitril-Partikeln ebenfalls die Möglichkeit, längere Kettenlängen zu realisieren, da weitere Schwefelradikale verfügbar sind. Lead sulfur bridges. In addition, a large amount of especially elemental sulfur in the immediate vicinity of the polyacrylonitrile particles also offers the possibility of realizing longer chain lengths, since further sulfur radicals are available.
Somit wird bei dem vorbeschriebenen Verfahren das Verhältnis von Schwefel zu Polyacrylnitril gewählt insbesondere in einer derartigen Abhängigkeit der in Verfahrensschritt a) gewählten Umsetzungstemperatur, dass bei einer steigenden Temperatur eine größere Menge an Schwefel bezogen auf die Menge des eingesetzten Polyacrylnitrils verwendet wird. Rein beispielhaft können dabei bei einer Temperatur von etwa 330°C, beispielsweise, ein Thus, in the method described above, the ratio of sulfur to polyacrylonitrile is chosen, in particular in such a dependence of the reaction temperature chosen in process step a), that at an increasing temperature, a larger amount of sulfur based on the amount of polyacrylonitrile used is used. By way of example only, at a temperature of about 330 ° C, for example, a
Verhältnis von Schwefel zu Polyacrylnitril in Gew.-% in einem Bereich von 3: 1 bis 5:1 und bei einer Temperatur von 550°C ein Verhältnis von Schwefel zu Ratio of sulfur to polyacrylonitrile in wt .-% in a range of 3: 1 to 5: 1 and at a temperature of 550 ° C, a ratio of sulfur to
Polyacrylnitril in Gew.-% in einem Bereich von 15: 1 eingestellt werden. Polyacrylonitrile in wt .-% in a range of 15: 1 can be adjusted.
Somit kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Umsetzung von Schwefel mit Polyacrylnitril derart verbessert werden, dass stets ein Überschuss an Schwefel mit Bezug auf Polyacrylnitril in Abhängigkeit der Temperatur derart gewählt ist, dass eine ausreichende Menge an Schwefel in die Polyacrylnitril- Matrix zur Ausbildung des Kompositwerkstoffs eingebaut werden kann, insbesondere der Schwefel kovalent an die Polyacrylnitril-Matrix gebunden werden kann, wobei jedoch weiterhin reduziert beziehungsweise verhindert werden kann, dass überschüssiger Schwefel als ungebundener beziehungsweise freier Rest im Komposit-Werkstoff verbleibt. Ein derartiger Schwefel-Rest kann beispielsweise nachteilig sein, da er die definierte Struktur des Schwefel- Polyacrylnitril-Kompositwerkstoffs verändern kann. Thus, by the process according to the invention, a reaction of sulfur with polyacrylonitrile can be improved such that an excess of sulfur with respect to polyacrylonitrile is always selected as a function of the temperature such that a sufficient amount of sulfur is incorporated into the polyacrylonitrile matrix to form the composite material In particular, the sulfur can be covalently bonded to the polyacrylonitrile matrix, but can still be reduced or prevented that excess sulfur remains as an unbound or free radical in the composite material. Such a sulfur radical can be disadvantageous, for example, because it can change the defined structure of the sulfur-polyacrylonitrile composite material.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann in Verfahrensschritt a) eine Mischung aus Schwefel und Polyacrylnitril in einem Bereich von größer oder gleich 7,5: 1 (Gew.- %) umgesetzt werden. In one embodiment, in process step a), a mixture of sulfur and polyacrylonitrile can be reacted in a range of greater than or equal to 7.5: 1 (% by weight).
Insbesondere durch einen derart erhöhten Anteil an Schwefel bei einer In particular, by such an increased amount of sulfur in a
Temperatur von größer 350°C kann ein besonders guter Kontakt jedes einzelnen Polyacrylnitril-Partikels mit dem Schwefel erreicht werden, was den Temperature of greater than 350 ° C, a particularly good contact of each individual polyacrylonitrile particle can be achieved with the sulfur, which the
Schwefelgehalt in den herzustellenden Kompositpartikeln weiter erhöhen kann. Dadurch kann für den beispielhaften Fall der Verwendung eines derartigen Komposit- Werkstoffs als Aktivmaterial in einer Elektrode für eine Lithium-Ionen Batterie eine besonders hohe Kapazität erreicht werden. Somit wird in dieser Ausgestaltung in besonders vorteilhafter Weise nicht nur die Ratenfähigkeit besonders verbessert, sondern dabei gleichzeitig die Kapazität auch bei hohen Temperaturen erhöht. Sulfur content in the composite particles to be produced can further increase. As a result, a particularly high capacity can be achieved for the exemplary case of using such a composite material as active material in an electrode for a lithium-ion battery. Thus, in this embodiment, not only the rate capability is particularly improved in a particularly advantageous manner, but at the same time increases the capacity even at high temperatures.
Beispielsweise kann das Gewichtsverhältnis von Schwefel zu Polyacrylnitril größer oder gleich 7.5: 1 (Gew.-%) und insbesondere kleiner oder gleich 20: 1 Gew.-%) betragen. For example, the weight ratio of sulfur to polyacrylonitrile may be greater than or equal to 7.5: 1 (wt .-%) and in particular less than or equal to 20: 1 wt .-%).
In einem Extremfall und insbesondere bei stark erhöhten Temperaturen kann beispielsweise reines Polyacrylnitril oder ein Polyacrylnitril-Schwefel-Gemisch in eine etwa bei 250°C vorgelegte Schwefelschmelze gegeben werden, In an extreme case, and in particular at greatly elevated temperatures, for example, pure polyacrylonitrile or a polyacrylonitrile-sulfur mixture may be introduced into a sulfur melt initially introduced at 250.degree.
beispielsweise durch sukzessives Zugeben unter Rühren. Anschließend kann die Mischung rein beispielhaft noch einige Zeit bei dieser Temperatur gerührt werden und die Umsetzung dann bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 300°C bis kleiner oder gleich 550°C fortgeführt werden. for example, by successive adding with stirring. Subsequently, the mixture can be stirred for some time at this temperature purely by way of example and the reaction then be continued at a temperature in a range of greater than or equal to 300 ° C to less than or equal to 550 ° C.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das Verfahren den weiteren Verfahrensschritt umfassen: Within the scope of a further embodiment, the method may comprise the further method step:
b) Aufreinigen des erzeugten Kompositwerkstoffs.  b) purifying the composite material produced.
Durch ein Aufreinigen kann der Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoff insbesondere von überschüssigem Schwefel getrennt werden und kann somit eine besonders definierte Struktur ohne die Gefahr weiterer Veränderungen einnehmen. Darüber hinaus kann ein Kompositwerkstoff nach einem Aufreinigen unmittelbar als Aktivmaterial dienen. Dabei kann der Kompositwerkstoff nach dem Aufreinigen insbesondere getrocknet werden. Ein Aufreinigen kann beispielsweise durch ein Versetzen des Komposit-Werkstoffs mit einem organischen Lösungsmittel, wie beispielsweise Toluol, durchgeführt werden. Dies kann zweckmäßigerweise erfolgen nach einem Abkühlen des bei erhöhter Temperatur erzeugten Komposit-Werkstoffs. By purifying the polyacrylonitrile-sulfur composite material can be separated in particular from excess sulfur and thus can take a particularly defined structure without the risk of further changes. In addition, a composite material can serve directly as an active material after a cleaning. In this case, the composite material after the cleaning can be dried in particular. Purification can be performed, for example, by offsetting the composite material with an organic solvent such as toluene. This may conveniently be done after cooling the composite material produced at elevated temperature.
Dabei kann das Aufreinigen gemäß Verfahrensschritt b) durch eine Soxhlet- Extraktion erfolgen, insbesondere wobei die Soxhlet-Extraktion durchgeführt werden kann unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels. Insbesondere kann die Soxhiet-Extraktion mit einem apolaren Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, beispielsweise Toluol, durchgeführt werden und der überschüssige Schwefel entfernt werden. Ein Soxhiet-Extraktion ist eine besonders einfache und kostengünstige Methode und dabei für den hergestellten Kompositwerkstoff besonders schonend, so dass während des Aufreinigens keine Strukturveränderung der Partikel stattfinden kann. Dadurch kann die Ratenfähigkeit besonders stabil bleiben. Die Soxhiet-Extraktion kann ferner beispielsweise unmittelbar nach einem Abkühlen des Komposit-Werkstoffs erfolgen, oder auch nach einem vorherigen Behandeln des Komposit-Werkstoffs mit einem organischen Lösungsmittel als beispielsweise zweite In this case, the purification according to process step b) can be carried out by a Soxhlet extraction, in particular wherein the Soxhlet extraction can be carried out using an organic solvent. In particular, the Soxhiet extraction can be carried out with an apolar solvent or solvent mixture, for example toluene, and the excess sulfur removed. Soxhiet extraction is a particularly simple and cost-effective method and is particularly gentle on the composite material produced, so that no structural change of the particles can take place during the purification. As a result, the rate capability can remain particularly stable. The Soxhiet extraction can also take place, for example, immediately after cooling of the composite material, or also after prior treatment of the composite material with an organic solvent, for example second
Aufreinigungsstufe.  Purification step.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann zumindest der Verfahrensschritt a) unter Inertgasatmosphäre durchgeführt werden. Überraschenderweise wurde gefunden, dass eine Inertgasatmosphäre dazu beitragen kann, eine besonders homogene und definierte Struktur des Polyacrylnitril-Schwefel- Kompositwerkstoffs zu erhalten. Unter einer Inertgasatmosphäre kann dabei insbesondere eine Atmosphäre eines bei den bei dem Verfahrensschritt a) herrschenden Bedingungen unreaktiven Gases verstanden werden. Within the scope of a further embodiment, at least the method step a) can be carried out under an inert gas atmosphere. Surprisingly, it has been found that an inert gas atmosphere can help to obtain a particularly homogeneous and defined structure of the polyacrylonitrile-sulfur composite material. In this context, an inert gas atmosphere can be understood as meaning in particular an atmosphere of an unreactive gas in the conditions prevailing in process step a).
Beispielsweise kann eine Inertgasatmosphäre durch Argon oder Stickstoff gebildet werden. For example, an inert gas atmosphere may be formed by argon or nitrogen.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann in dem Verfahrensschritt a) ein zyklisiertes Polyacrylnitril mit Schwefel umgesetzt werden, wobei das zyklisierte Polyacrylnitril erhalten werden kann durch Umsetzen von Polyacrylnitril zu zyklisiertem Polyacrylnitril. In a further embodiment, a cyclized polyacrylonitrile can be reacted with sulfur in the process step a), wherein the cyclized polyacrylonitrile can be obtained by reacting polyacrylonitrile to cyclized polyacrylonitrile.
Im einem ersten Verfahrensschritt kann somit beispielsweise zunächst eine elektrisch leitfähige Basis in Form des elektrisch leitenden, zyklisierten In a first method step, an electrically conductive base in the form of the electrically conductive, cyclized first, for example, can thus be used
Polyacrylnitrils (cPAN) gebildet werden. In einem weiteren Verfahrensschritt kann dann die Umsetzung mit dem elektrochemisch aktiven Schwefel erfolgen, insbesondere wobei dieser kovalent an das elektrisch leitende Gerüst aus zyklisiertem Polyacrylnitril unter Ausbildung eines Polyacrylnitril-Schwefel- Kompositwerkstoffs (ScPAN) gebunden werden kann. Durch eine Separation in zwei Teilreaktion können die Reaktionsbedingungen vorteilhafterweise auf die jeweilige Reaktion optimiert werden. Der erste Verfahrensschritt ähnelt dabei einer aus der Carbonfaserherstellung bekannten Dehydrierungsreaktion, wobei der zweite Verfahrensschritt einer Reaktion aus einem weiteren, vollkommen anderen technischen Gebiet, nämlich, der Vulkanisationsreaktion von Kautschuk ähnelt. Polyacrylonitrile (cPAN) are formed. In a further process step, the reaction can then be carried out with the electrochemically active sulfur, in particular wherein this can be covalently bonded to the electrically conductive skeleton of cyclized polyacrylonitrile to form a polyacrylonitrile-sulfur composite (ScPAN). By separating into two partial reactions, the reaction conditions can advantageously be optimized for the respective reaction. The first process step is similar a dehydrogenation reaction known from carbon fiber manufacture, the second process step being similar to a reaction from another completely different technical field, namely the vulcanization reaction of rubber.
Die Schwefelatome können in dem Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoff sowohl direkt durch kovalente Schwefel-Kohlenstoffbindungen als auch indirekt durch eine oder mehrere kovalente Schwefel-Schwefelbindungen und eine oder mehrere Schwefel-Kohlenstoffbindungen mit dem zyklisierten The sulfur atoms may be cyclized in the polyacrylonitrile-sulfur composite both directly through covalent sulfur-carbon bonds and indirectly through one or more covalent sulfur-sulfur bonds and one or more sulfur-carbon bonds
Polyacrylnitrilgerüst verbunden sein. Polyacrylnitrilgerüst be connected.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein Teil der Schwefelatome des Alternatively or additionally, a portion of the sulfur atoms of the
Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoffs, beispielsweise in Form von Polyacrylonitrile-sulfur composite material, for example in the form of
Polysulfidketten, beidseitig intramolekular mit einem zyklisierten Polysulfide chains, bilaterally intramolecular with a cyclized
Polyacrylnitrilstrang, insbesondere unter Ausbildung eines an den zyklisiertenPolyacrylonitrile, in particular with the formation of a cyclized to the
Polyacrylnitrilstrang annelierten S-Heterozyklus, und/oder intermolekular mit zwei zyklisierten Polyacrylnitrilsträngen, insbesondere unter Ausbildung einer Brücke, insbesondere Polysulfidbrücke, zwischen den zyklisierten Polyacrylnitrilsträngen, kovalent verbunden sein. Polyacrylonitrile strand annelierten S-heterocycle, and / or intermolecularly with two cyclized polyacrylonitrile strands, in particular to form a bridge, in particular Polysulfidbrücke, between the cyclized polyacrylonitrile strands, covalently connected.
Dabei kann die Zyklisierung insbesondere in einer sauerstoffhaltigen In this case, the cyclization in particular in an oxygen-containing
Atmosphäre, beispielsweise einer Luft- oder Sauerstoffatmosphäre, erfolgen. Dabei kann die Zyklisierung beispielsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 150 °C bis kleiner oder gleich 500 °C, Atmosphere, for example, an air or oxygen atmosphere, take place. The cyclization may, for example, at a temperature in a range of greater than or equal to 150 ° C to less than or equal to 500 ° C,
insbesondere von größer oder gleich 150 °C bis kleiner oder gleich 330 °C oder kleiner oder gleich 300 °C oder kleiner oder gleich 280 °C, beispielsweise von größer oder gleich 230 °C bis kleiner oder gleich 270 °C, erfolgen. in particular from greater than or equal to 150 ° C to less than or equal to 330 ° C or less than or equal to 300 ° C or less than or equal to 280 ° C, for example from greater than or equal to 230 ° C to less than or equal to 270 ° C.
Vorteilhafterweise kann die Reaktionszeit des ersten Verfahrensschritts weniger als 3 h, insbesondere weniger als 2 h, beispielsweise weniger als 1 h betragen. Insbesondere kann der erste Verfahrensschritt in Gegenwart eines Advantageously, the reaction time of the first process step may be less than 3 hours, in particular less than 2 hours, for example less than 1 hour. In particular, the first process step in the presence of a
Zyklisierungskatalysators erfolgen. Als Zyklisierungskatalysatoren können beispielsweise aus der Carbonfaserherstellung bekannt Katalysatoren eingesetzt werden. Durch den Zusatz eines Zyklisierungskatalysators kann  Cyclization take place. As cyclization catalysts known catalysts can be used, for example, from the production of carbon fiber. By the addition of a Zyklisierungskatalysators can
vorteilhafterweise die Reaktionstemperatur und/oder die Reaktionszeit der Umsetzung des Polyacrylnitrils mit dem Schwefel verringert werden. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann in Verfahrensschritt a) advantageously the reaction temperature and / or the reaction time of the reaction of the polyacrylonitrile with the sulfur are reduced. Within the scope of a further embodiment, in method step a)
Polyacrylnitril mit Schwefel in Gegenwart eines Katalysators umgesetzt werden. Durch den Zusatz eines Katalysators kann vorteilhafterweise die Polyacrylonitrile can be reacted with sulfur in the presence of a catalyst. By adding a catalyst can advantageously the
Reaktionstemperatur sowie die Reaktionszeit verringert werden. Durch eine Erniedrigung der Reaktionstemperatur kann zudem die Kettenlänge von an das zyklisierte Polyacrylnitril kovalent gebundenen Polysulfiden erhöht werden. Dies liegt darin begründet, dass elementarer Schwefel bei Raumtemperatur in Form von S8-Ringen vorliegt. Bei Temperaturen oberhalb der Raumtemperatur liegt Schwefel in Form von Sx-Ketten mittlerer Kettenlänge, beispielsweise von 6 bis 26 Schwefelatomen, oder großer Kettenlänge, beispielsweise von 103 bis 106Reaction temperature and the reaction time can be reduced. By lowering the reaction temperature, moreover, the chain length of polysulfides covalently bonded to the cyclized polyacrylonitrile can be increased. This is because elemental sulfur is present at room temperature in the form of S8 rings. At temperatures above room temperature, sulfur is in the form of medium chain Sx chains, for example, from 6 to 26 sulfur atoms, or large chain length, for example, from 103 to 106
Schwefelatomen, vor. Oberhalb von 187°C beginnt ein thermischer Crackprozess und die Kettenlänge sinkt wieder. Ab 444, 6°C (Siedepunkt) liegt gasförmiger Schwefel mit einer Kettenlänge von 1 -8 Atomen vor. Die Verwendung eines Vulkanisationskatalysators hat dabei den Vorteil, dass bei einer niedrigeren Temperatur längere inter- und/oder intramolekulare, kovalent an, insbesondere zyklisiertes, Polyacrylnitril gebundene Schwefelbrücken in den Polyacrylnitril- Schwefel-Kompositwerkstoff eingeführt werden können. So kann wiederum vorteilhafterweise ein höherer Schwefelgehalt des Polyacrylnitril-Schwefel- Kompositwerkstoffs und damit eine höhere Kapazität und Energiedichte der mit dem Kathodenmaterial auszustattenden Alkali-Schwefel-Zelle, insbesondereSulfur atoms, before. Above 187 ° C, a thermal cracking process begins and the chain length decreases again. From 444, 6 ° C (boiling point) is gaseous sulfur with a chain length of 1-8 atoms. The use of a vulcanization catalyst has the advantage that at a lower temperature, longer inter- and / or intramolecular, covalently bonded to, in particular cyclized, polyacrylonitrile bound sulfur bridges can be introduced into the polyacrylonitrile-sulfur composite material. Thus, in turn, advantageously, a higher sulfur content of the polyacrylonitrile-sulfur composite and thus a higher capacity and energy density of auszustattenden with the cathode material alkali-sulfur cell, in particular
Lithium-Schwefel-Zelle, erzielt werden. Lithium-sulfur cell, can be achieved.
Geeignete Katalysatoren sind aus dem technischen Gebiet der Suitable catalysts are known in the technical field
Kautschukvulkanisation bekannt. Vorzugsweise wird die Umsetzung daher hierbei zumindest zeitweilig in Gegenwart eines Vulkanisationskatalysators beziehungsweise Vulkanisationsbeschleunigers durchgeführt. Insbesondere kann der Vulkanisationskatalysator beziehungsweise Rubber vulcanization known. The reaction is therefore preferably carried out here at least temporarily in the presence of a vulcanization catalyst or vulcanization accelerator. In particular, the vulcanization catalyst or
Vulkanisationsbeschleuniger mindestens einen sulfidischen Radikalstarter umfassen oder daraus bestehen. Insbesondere kann der sulfidische Vulkanisationsbeschleuniger comprise or consist of at least one sulfidic radical initiator. In particular, the sulfidic
Radikalstarter ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus sulfidischenRadical starter may be selected from the group consisting of sulfidic
Metallkomplexen, beispielsweise erhältlich durch Reaktion von Zinkoxid (ZnO) und Tetramethylthiuramidisulfid oder Ν,Ν-Dimethylthiocarbamat, Sulfenamiden, zum Beispiel 2-Mercaptobenzothiazoylaminderivaten, und Kombinationen davon. Beispielsweise kann die Reaktionsmischung größer oder gleich 3 Gew.-% bis kleiner oder gleich 5 Gew.-% Zinkoxid und gegebenenfalls größer oder gleich 0,5Metal complexes, for example obtainable by reaction of zinc oxide (ZnO) and tetramethylthiuramidisulfide or Ν, Ν-dimethylthiocarbamate, sulfenamides, for example 2-mercaptobenzothiazoylamine derivatives, and combinations thereof. For example, the reaction mixture may be greater than or equal to 3 wt% to less than or equal to 5 wt% zinc oxide and optionally greater than or equal to 0.5
Gew.-% bis kleiner oder gleich 1 Gew.-% Tetramethylthiuramidisulfid umfassen. Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu verringern oder eine Reaktionsphase mit einer, beispielsweise durch den Katalysator, erhöhten Reaktionsgeschwindigkeit zu beenden, kann die Umsetzung zumindest zeitweilig in Gegenwart eines Vulkanisationsinhibitors durchgeführt werden. Hierfür geeignete Wt .-% to less than or equal to 1 wt .-% Tetramethylthiuramidisulfid. In order to reduce the reaction rate or terminate a reaction phase with, for example, by the catalyst, increased reaction rate, the reaction can be carried out at least temporarily in the presence of a vulcanization inhibitor. Suitable for this
Vulkanisationsinhibitoren sind ebenfalls aus dem technischen Gebiet der Kautschukvulkanisation bekannt. Beispielsweise kann N- (Cyclohexylthio)phthalamid als Vulkanisationsinhibitor eingesetzt werden. Durch den Einsatz und die Dauer des Einsatzes des Katalysators, insbesondere des Vulkanisationskatalysators beziehungsweise Vulkanisationsbeschleunigers und/oder Vulkanisationsinhibitors, können die Eigenschaften des Polyacrylnitril- Schwefel-Kompositwerkstoff gezielt eingestellt werden. Gegebenenfalls werden der Katalysator und gegebenenfalls der Inhibitor in einem Entfernungsschritt teilweise oder vollständig entfernt. Vulcanization inhibitors are also known in the rubber vulcanization art. For example, N- (cyclohexylthio) phthalamide can be used as a vulcanization inhibitor. Through the use and duration of the use of the catalyst, in particular of the vulcanization catalyst or vulcanization accelerator and / or vulcanization inhibitor, the properties of the polyacrylonitrile-sulfur composite material can be adjusted in a targeted manner. Optionally, the catalyst and optionally the inhibitor are partially or completely removed in a removal step.
Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoffs wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Aktivmaterials für eine Elektrode, der With regard to further features and advantages of the inventive method for producing a polyacrylonitrile-sulfur composite material is hereby explicitly to the explanations in connection with the inventive method for producing an active material for an electrode, the
Verwendung, dem Energiespeicher, der Figur sowie der Figurenbeschreibung verwiesen. Use, the energy storage, the figure and the description of the figures referenced.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines The invention further relates to a method for producing a
Aktivmaterials für eine Elektrode, insbesondere für eine Kathode einer Lithium- Schwefel-Batterie, umfassend wie vorstehend beschrieben ausgestaltetes Verfahren zum Herstellen eines Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoffs. Hier kann insbesondere ausgenutzt werden, dass ein wie vorstehend ausgeführt hergestellter Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoff insbesondere als Aktivmaterial einer Elektrode, insbesondere einer Kathode, für eine Lithium- Schwefel-Batterie vorteilhafte Eigenschaften, wie insbesondere eine hohe Ratenfähigkeit, aufweisen kann. Dadurch kann etwa ein hiermit ausgestatteter Energiespeicher ein besonders bevorzugtes Lade- und/oder Entladeverhalten aufweisen. An active material for an electrode, in particular for a cathode of a lithium-sulfur battery, comprising a method configured as described above for producing a polyacrylonitrile-sulfur composite material. Here, in particular, it can be utilized that a polyacrylonitrile-sulfur composite material produced as described above can have advantageous properties, in particular a high rate capability, in particular as active material of an electrode, in particular a cathode, for a lithium-sulfur battery. As a result, for example, an energy store equipped with this can have a particularly preferred charging and / or discharging behavior.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann das Verfahren weiterhin den As part of an embodiment, the method can continue the
Verfahrensschritt umfassen: c) Zumischen mindestens eines elektrisch leitenden Additivs zu demProcess step include: c) admixing at least one electrically conductive additive to the
Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoff, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ruß, Graphit, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhrchen und Mischungen davon. Polyacrylonitrile-sulfur composite material, in particular selected from the group consisting of carbon black, graphite, carbon fibers, carbon nanotubes and mixtures thereof.
Dabei kann exemplarisch größer oder gleich 0, 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich 30 Gew.-%, beispielsweise größer oder gleich 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich 20 Gew.-%, an elektrisch leitenden Additiven zugemischt werden. Durch das Zumischen eines elektrisch leitenden Additivs kann die Leitfähigkeit und damit die Ratenfähigkeit der erhaltenen Mischung noch weiter verbessert werden, was einen Einsatz als Aktivmaterial in einer Elektrode besonders vorteilhaft gestaltet. In this case, by way of example, greater than or equal to 0.1% by weight to less than or equal to 30% by weight, for example greater than or equal to 5% by weight to less than or equal to 20% by weight, can be admixed to electrically conductive additives. By adding an electrically conductive additive, the conductivity and thus the rate capability of the resulting mixture can be further improved, which makes use as an active material in an electrode particularly advantageous.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt umfassen: Within the scope of a further embodiment, the method may further comprise the method step:
d) Zumischen mindestens eines Bindemittels, insbesondere von d) admixing at least one binder, in particular of
Polyvinylidenfluorid und/oder Polytetrafluorethylen, zu dem  Polyvinylidene fluoride and / or polytetrafluoroethylene, to which
Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoff.  Polyacrylonitrile-sulfur composite.
Dabei können größer oder gleich 0, 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich 30 Gew.-%, beispielsweise größer oder gleich 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich 20 Gew.-%, an Bindemitteln zugemischt werden. Durch das Zusetzen von Bindemitteln kann insbesondere die Stabilität des Kathodenmaterials verbessert werden, was einen Einsatz in elektrochemischen Energiespeichern verbessern kann. Dabei kann das Bindemittel etwa gemeinsam mit N-Methyl-2-pyrrolidon als Lösungsmittel zugesetzt werden. In this case, greater than or equal to 0.1% by weight to less than or equal to 30% by weight, for example greater than or equal to 5% by weight to less than or equal to 20% by weight, can be admixed to binders. In particular, the stability of the cathode material can be improved by adding binders, which can improve use in electrochemical energy stores. The binder may be added together with N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann Within the scope of a further embodiment
in Verfahrensschritt c) und/oder in Verfahrensschritt d) größer oder gleich 60Gew.-% bis kleiner oder gleich 90Gew.-%, insbesondere größer oder gleich 65Gew.-% bis kleiner oder gleich 75Gew.-%, beispielsweise 7 Gew.-% an Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoff verwendet werden, und/oder  in process step c) and / or in process step d) greater than or equal to 60% by weight to less than or equal to 90% by weight, in particular greater than or equal to 65% by weight to less than or equal to 75% by weight, for example 7% by weight be used on polyacrylonitrile-sulfur composite material, and / or
in Verfahrensschritt c) größer oder gleich 0, 1 Gew. -% bis kleiner oder gleich 30Gew.-%, beispielsweise größer oder gleich 5Gew.-% bis kleiner oder gleich 20Gew.-%, an elektrisch leitenden Additiven zugemischt werden, und/oder in Verfahrensschritt d) größer oder gleich 0, 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich 30Gew.-%, beispielsweise größer oder gleich 5Gew.-% bis kleiner oder gleich 20Gew.-%, an Bindemitteln zugemischt werden. in process step c) greater than or equal to 0.1% by weight to less than or equal to 30% by weight, for example greater than or equal to 5% by weight to less than or equal to 20% by weight, are admixed to electrically conductive additives, and / or in process step d) greater than or equal to 0.1 wt% to less than or equal to 30 wt%, for example greater than or equal to 5 wt% to less than or equal to 20 wt%, are admixed to binders.
Dabei kann die Summe der Gewichtsprozentwerte von Polyacrylnitril-Schwefel- Kompositwerkstoff, elektrisch leitenden Additiven und Bindemitteln je nach Einsatz insbesondere insgesamt 100 Gewichtsprozent ergeben. In this case, the sum of the percentages by weight of polyacrylonitrile-sulfur composite material, electrically conductive additives and binders, depending on the use, in particular a total of 100 percent by weight result.
Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Aktivmaterials für eine Elektrode wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoffs, der Verwendung, dem Energiespeicher, der Figur sowie der Figurenbeschreibung verwiesen. With regard to further features and advantages of the method according to the invention for producing an active material for an electrode, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention for producing a polyacrylonitrile-sulfur composite material, the use, the energy store, the figure and the description of the figures.
Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung eines Polyacrylnitril- Schwefel-Kompositwerkstoffs, hergestellt nach einem vorbeschriebenen The invention further provides the use of a polyacrylonitrile-sulfur composite material, prepared according to a previously described
Verfahren, als Aktivmaterial in einer Elektrode, insbesondere in einer Kathode einer Lithium-Ionen-Batterie. Insbesondere als Aktivmaterial kann ein derart hergestellter Kompositwerkstoff vorteilhafte Eigenschaften, wie etwa eine gute Kapazität und Ratenfähigkeit liefern. Method, as an active material in an electrode, in particular in a cathode of a lithium-ion battery. In particular, as an active material, a composite material thus produced can provide advantageous properties such as good capacity and rate capability.
Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem With regard to further features and advantages of the use according to the invention is hereby explicitly to the explanations in connection with the
erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Polyacrylnitril-Schwefel- Kompositwerkstoffs, dem Verfahren zum Herstellen eines Aktivmaterials für eine Elektrode, dem Energiespeicher, der Figur sowie der Figurenbeschreibung verwiesen. Inventive method for producing a polyacrylonitrile-sulfur composite, the method for producing an active material for an electrode, the energy storage, the figure and the figure description referenced.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Energiespeicher, insbesondere eine Lithium-Schwefel-Batterie, umfassend eine Elektrode mit einem Aktivmaterial, das einen wie vorstehend ausgeführt hergestellten Polyacrylnitril-Schwefel- Kompositwerkstoff aufweist. The invention furthermore relates to an energy store, in particular a lithium-sulfur battery, comprising an electrode with an active material which has a polyacrylonitrile-sulfur composite material produced as described above.
Um einen derartigen Energiespeicher herzustellen, kann ein wie vorstehend beschrieben hergestelltes Aktivmaterial insbesondere in Form eines To produce such an energy storage, an active material produced as described above, in particular in the form of a
Kathodenmatenalschlickers zur Herstellung einer Kathode, weiterhin mindestens ein Lösungsmittel, beispielsweise N-Methyl-2-pyrrolidon, umfassen. Ein derartiger Kathodenmetanalschlicker kann, beispielsweise durch Rakeln, auf ein Trägermaterial, zum Beispiel eine Aluminiumplatte oder -folie, aufgebracht werden. Die Lösungsmittel werden vorzugsweise nach dem Aufbringen des Kathodenmaterials und vor dem Zusammenbau der Lithium-Schwefel-Zelle, vorzugsweise vollständig, insbesondere durch ein Trocknungsverfahren, wieder entfernt. Kathodenmatenalschlickers for producing a cathode, continue at least a solvent, for example N-methyl-2-pyrrolidone. Such a cathode metal slag can be applied, for example by doctoring, to a carrier material, for example an aluminum plate or foil. The solvents are preferably removed again after the application of the cathode material and before the assembly of the lithium-sulfur cell, preferably completely, in particular by a drying process.
Die Kathodenmaterial-Trägermaterial-Anordnung kann anschließend, beispielsweise durch Stanzen oder Schneiden, zu mehreren Kathodenmaterial- Trägermaterial-Einheiten zerteilt werden. The cathode material-carrier material arrangement can then be divided into several cathode material-carrier material units, for example by punching or cutting.
Die Kathodenmaterial-Trägermaterial-Anordnung beziehungsweise -einheiten können mit einer Lithiummetallanode, beispielsweise in Form einer Platte oder Folie aus metallischem Lithium, zu einer Lithium-Schwefel-Zelle verbaut werden. The cathode material-carrier material arrangement or units can be installed with a lithium metal anode, for example in the form of a plate or foil of metallic lithium, to form a lithium-sulfur cell.
Dabei kann insbesondere ein später erläuterter Elektrolyt zugesetzt werden. In particular, a later-explained electrolyte can be added.
Die Anode kann dabei insbesondere eine Alkalimetallanode, insbesondere eine Lithiummetallanode, beispielsweise in Form einer Platte oder Folie, zum Beispiel aus metallischem Lithium, sein. The anode may in particular be an alkali metal anode, in particular a lithium metal anode, for example in the form of a plate or foil, for example of metallic lithium.
Dabei kann die Alkali-Schwefel-Zelle oder -batterie einen Elektrolyten, insbesondere aus mindestens einem Elektrolytlösungsmittel und mindestens einem Leitsalz, umfassen. Grundsätzlich kann das Elektrolytlösungsmittel ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Kohlensäureestern, In this case, the alkali-sulfur cell or battery may comprise an electrolyte, in particular of at least one electrolyte solvent and at least one conductive salt. Basically, the electrolyte solvent may be selected from the group consisting of carbonic acid esters,
insbesondere zyklischen oder azyklischen Carbonaten, Lactonen, Ethern, insbesondere zyklischen oder acyclischen Ethern, und Kombinationen davon. Zum Beispiel kann das Elektrolytlösungsmittel Diethylcarbonat (DEC), in particular cyclic or acyclic carbonates, lactones, ethers, in particular cyclic or acyclic ethers, and combinations thereof. For example, the electrolyte solvent may be diethyl carbonate (DEC),
Dimethylcarbonat (DMC), Propylencarbonat (PC), Ethylencarbonat (EC), 1 ,3- Dioxolan (DOL), 1 ,2-Dimethoxyethan (DME) oder eine Kombination davon umfassen oder daraus bestehen. Das Leitsalz kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumbis(trifluormethylsulphonyl)imid (LiTFSI), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3S03), Lithiumchlorat (LiCI04), Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumfluorid (LiF), Lithiumnitrat (LiN03), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF6) und Kombinationen davon. Dimethyl carbonate (DMC), propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), 1,3-dioxolane (DOL), 1,2-dimethoxyethane (DME), or a combination thereof, or consisting thereof. The salt can for example be selected from the group consisting of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6), lithium bis (trifluormethylsulphonyl) imide (LiTFSI), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 S0 3), lithium chlorate (LiCI0 4) Lithium bis (oxalato) borate (LiBOB), lithium fluoride (LiF), lithium nitrate (LiN0 3 ), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), and combinations thereof.
Ferner kann das Elektrolytlösungsmittel ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus zyklischen Ethern, acyclischen Ethern und Kombinationen davon, und/oder kann ist das Leitsalz Lithiumbis(trifluormethylsulphonyl)imid (LiTFSI) umfassen. Diese Elektrolytlösungsmittel beziehungsweise dieses Leitsalz haben sich für erfindungsgemäße Kathodenmaterialien als vorteilhaft erwiesen, insbesondere um Reaktionen zwischen dem elementaren Schwefel und dem Elektrolyt zu vermeiden. Further, the electrolyte solvent may be selected from the group consisting of cyclic ethers, acyclic ethers, and combinations thereof, and / or may include the conductive salt lithium bis (trifluoromethylsulphonyl) imide (LiTFSI). These electrolyte solvents or this conductive salt have proved to be advantageous for cathode materials according to the invention, in particular to avoid reactions between the elemental sulfur and the electrolyte.
Ein derartig herstellbarer Energiespeicher kann insbesondere ein mobiler oder stationärer Energiespeicher sein, welcher eine erfindungsgemäße Alkali- Schwefel-Zelle -oder Batterie, insbesondere Lithium-Schwefel-Zelle oder - Batterie, umfasst. Zum Beispiel kann es sich bei dem Energiespeicher um einen Energiespeicher für ein Fahrzeug, beispielsweise ein Elektro- oder An energy store that can be produced in this way can be, in particular, a mobile or stationary energy store, which comprises an alkali-sulfur cell or battery according to the invention, in particular a lithium-sulfur cell or battery. For example, the energy storage device may be an energy storage device for a vehicle, for example an electric or electronic vehicle
Hybridfahrzeug, oder ein Elektrowerkzeug oder -gerät, beispielsweise einen Schraubendreher oder ein Gartengerät, oder ein elektronisches Gerät, beispielsweise einen tragbaren Computer und/oder eine Hybrid vehicle, or a power tool or device, such as a screwdriver or gardening tool, or an electronic device, such as a portable computer and / or a
Telekommunikationsgerät, wie ein Mobiltelefon, PDA, oder ein Telecommunication device, such as a mobile phone, PDA, or a
Hochenergiespeichersystem für ein Haus oder eine Anlage handeln. Da die erfindungsgemäßen Alkali-Schwefel-Zellen oder -Batterien eine sehr hohe Energiedichte aufweisen, sind diese besonders für Fahrzeuge und stationäre Speichersysteme, wie Hochenergiespeichersysteme für Häuser oder Anlagen, geeignet. High energy storage system for a home or a facility. Since the alkali-sulfur cells or batteries according to the invention have a very high energy density, they are particularly suitable for vehicles and stationary storage systems, such as high-energy storage systems for houses or installations.
Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen With regard to further features and advantages of the invention
Energiespeichers wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Polyacrylnitril- Schwefel-Kompositwerkstoffs, dem Verfahren zum Herstellen eines Energy storage is hereby explicitly to the explanations in connection with the inventive method for producing a polyacrylonitrile-sulfur composite material, the method for producing a
Aktivmaterials für eine Elektrode, der Verwendung, der Figur sowie der Active material for an electrode, the use, the figure and the
Figurenbeschreibung verwiesen. Beispiele und Zeichnungen Figure description referenced. Examples and drawings
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Beispiele und die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Beispiele und Zeichnung nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the examples and the drawings and explained in the following description. It should be noted that the examples and drawings are only descriptive and are not intended to limit the invention in any way. It shows
Fig. 1 ein Diagramm darstellend den Kapazitätsverlauf von Testzellen in Fig. 1 is a diagram showing the capacity curve of test cells in
Abhängigkeit der Schwefelkonzentration in der Kathode.  Dependence of sulfur concentration in the cathode.
Im Folgenden wird ein Beispiel der Herstellung eines erfindungsgemäßen Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoffs beziehungsweise eines darauf basierenden Aktivmaterials beziehungsweise einer erfindungsgemäßen The following is an example of the preparation of a polyacrylonitrile-sulfur composite material according to the invention or of an active material based thereon or an inventive material
Elektrode für eine Lithium-Schwefel-Batterie mit anschließender Electrode for a lithium-sulfur battery with subsequent
elektrochemischer Charakterisierung gezeigt. Im Detail wird untersucht die Abhängigkeit der Kapazität eines Energiespeichers von dem Schwefelgehalt in einem Aktivmaterial umfassend einen erfindungsgemäß erzeugten Schwefel- Polyacrylnitril-Kompositwerkstoff. electrochemical characterization. The dependence of the capacity of an energy store on the sulfur content in an active material comprising a sulfur-polyacrylonitrile composite material produced according to the invention is examined in detail.
Das schwefelhaltige, zyklisierte Polyacrylnitril, also das fertiggestellte Komposit, wird zu einer Kathodenslurry zur Ausbildung eines Kathoden-Aktivmaterials verarbeitet. Dafür werden das Aktivmaterial (SPAN), Ruß (etwa das unter dem Handelsnamen Super P Li erhältliche Ruß) als elektrisch leitendes Additiv und Polyvinylidenfluorid (PVDF) als Binder beziehungsweise Bindemittel in einem Verhältnis von 70:15: 15 (in Gew.-%) in N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) als The sulfur-containing, cyclized polyacrylonitrile, ie the finished composite, is processed to a cathode slurry for forming a cathode active material. For this, the active material (SPAN), carbon black (such as the carbon black available under the trade name Super P Li) as an electrically conductive additive and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder or binder in a ratio of 70:15:15 (in wt .-%) in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as
Lösungsmittel gemischt und homogenisiert. Die Slurry wird auf eine Solvent mixed and homogenized. The slurry will be on one
Aluminiumfolie geräkelt und getrocknet. Nach vollständiger Trocknung wird eine Kathode ausgestanzt und in einer Testzelle gegen eine Lithium-Metallanode verbaut. Als Elektrolyt kommen verschiedene zyklische und lineare Carbonate (DEC, DMC, EC) sowie Mischungen daraus mit einem lithiumhaltigen Leitsalz (beispielsweise LiPF6, Lithium-Bis(Trifluoromethansulfonyl)lmid (LiTFSI) zum Einsatz. Figur 1 zeigt dabei einen Kapazitätsverlauf von Testzellen in Abhängigkeit derLapped and dried aluminum foil. After complete drying, a cathode is punched out and installed in a test cell against a lithium-metal anode. Various cyclic and linear carbonates (DEC, DMC, EC) and mixtures thereof with a lithium-containing conducting salt (for example LiPF 6 , lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI) are used as the electrolyte.) Figure 1 shows a dependence on the capacity of test cells of the
Eduktmischung beziehungsweise des Schwefelgehalts. Dabei zeigt die X-Achse die Zyklenanzahl N und die Y-Achse die spezifische Kapazität cs der Kathode in mAh/g(Kathode). Dabei sind unterschiedliche Kapazitätsverläufe gezeigt, von denen Kurve A einem Verhältnis von 15: 1 (Gew.-%) von Schwefel zu Eduktmischung or the sulfur content. This shows the X-axis the number of cycles N and the Y-axis the specific capacity c s of the cathode in mAh / g (cathode). In this case, different capacity curves are shown, of which curve A a ratio of 15: 1 (wt .-%) of sulfur to
Polyacrylnitril während der Herstellung des Polyacrylnitril-Kompositwerkstoffs und einem Schwefelgehalt in dem Kompositwerkstoff von 31 Gew.-% entspricht, von denen Kurve B einem Verhältnis von 10: 1 (Gew.-%) von Schwefel zu Polyacrylnitril während der Herstellung des Polyacrylnitril-Kompositwerkstoffs und einem Schwefelgehalt in dem Kompositwerkstoff von 27 Gew.-% entspricht, von denen Kurve C einem Verhältnis von 5: 1 (Gew.-%) von Schwefel zu Polyacrylonitrile during the preparation of the polyacrylonitrile composite and a sulfur content in the composite material of 31 wt .-% of which curve B a ratio of 10: 1 (wt .-%) of sulfur to polyacrylonitrile during the preparation of the polyacrylonitrile composite material and corresponds to a sulfur content in the composite material of 27 wt .-%, of which curve C to a ratio of 5: 1 (wt .-%) of sulfur to
Polyacrylnitril während der Herstellung des Polyacrylnitril-Kompositwerkstoffs und einem Schwefelgehalt in dem Kompositwerkstoff von 24 Gew.-% entspricht, und von denen Kurve D einem Verhältnis von 3: 1 (Gew.-%) von Schwefel zu Polyacrylnitril während der Herstellung des Polyacrylnitril-Kompositwerkstoffs und einem Schwefelgehalt in dem Kompositwerkstoff von 22Gew.-% entspricht. Polyacrylonitrile during the preparation of the polyacrylonitrile composite and a sulfur content in the composite of 24 wt .-%, and of which curve D a ratio of 3: 1 (wt .-%) of sulfur to polyacrylonitrile during the preparation of the polyacrylonitrile composite and a sulfur content in the composite material of 22% by weight.
Deutlich zu erkennen ist, dass mit steigendem Schwefel-PAN-Verhältnis in der Eduktmischung der Schwefelgehalt im Komposit und somit auch in der Kathode steigt. Dies kann vollständig in zusätzliche Kapazität übergehen. Somit kann die Ausgangskapazität von ungefähr 300mAh um etwa 50% gesteigert werden und erreicht bei einer Eduktmischung von 15: 1 eine stabile Kapazität von ungefähr 450mAh. It can be clearly seen that with increasing sulfur-PAN ratio in the educt mixture, the sulfur content in the composite and thus also in the cathode increases. This can go completely into extra capacity. Thus, the output capacity of about 300mAh can be increased by about 50% and achieves a stable capacity of about 450mAh with a reactant mixture of 15: 1.
Es wird ersichtlich, dass bezüglich der theoretischen Kapazität der It can be seen that with respect to the theoretical capacity of the
Kompositwerkstoffe eine Steigerung des Schwefelgehalts im Komposit um 5% zu einer Kapazitätserhöhung von ungefähr 60-70mAh/gKathode führt. Dies entspricht einer relativen Steigerung von 15-20% bezogen auf die tatsächlich erreichbare Kapazität. Composite materials, an increase in the sulfur content in the composite by 5% to a capacity increase of about 60-70mAh / g Ka Thode leads. This corresponds to a relative increase of 15-20% in relation to the actually achievable capacity.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zum Herstellen eines Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoffs, umfassend den Verfahrensschritt: A process for producing a polyacrylonitrile-sulfur composite comprising the step of:
a) Umsetzen von Schwefel mit Polyacrylnitril mit einem Überschuss an Schwefel bei einer Temperatur von größer oder gleich 300°C, insbesondere von größer oder gleich 550°C;  a) reacting sulfur with polyacrylonitrile with an excess of sulfur at a temperature greater than or equal to 300 ° C, in particular greater than or equal to 550 ° C;
wobei das Verhältnis von Schwefel zu Polyacrylnitril gewählt wird in  wherein the ratio of sulfur to polyacrylonitrile is chosen in
Abhängigkeit der in Verfahrensschritt a) gewählten Umsetzungstemperatur.  Dependence of the reaction temperature selected in process step a).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in Verfahrensschritt a) eine Mischung aus Schwefel und Polyacrylnitril in einem Bereich von größer oder gleich 7,5: 1 umgesetzt wird. 2. The method of claim 1, wherein in step a) a mixture of sulfur and polyacrylonitrile in a range of greater than or equal to 7.5: 1 is reacted.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren den weiteren 3. The method of claim 1 or 2, wherein the method further
Verfahrensschritt umfasst:  Process step includes:
b) Aufreinigen des erzeugten Kompositwerkstoffs.  b) purifying the composite material produced.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Aufreinigen gemäß Verfahrensschritt b) durch eine Soxhlet-Extraktion erfolgt, insbesondere wobei die Soxhlet- Extraktion durchgeführt wird unter Verwendung eines organischen 4. The method of claim 3, wherein the purifying according to step b) is carried out by a Soxhlet extraction, in particular wherein the Soxhlet extraction is carried out using an organic
Lösungsmittels.  Solvent.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest der 5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein at least the
Verfahrensschritt a) unter Inertgasatmosphäre durchgeführt wird.  Process step a) is carried out under an inert gas atmosphere.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem 6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein in the
Verfahrensschritt a) ein zyklisiertes Polyacrylnitril mit Schwefel umgesetzt wird, wobei das zyklisierte Polyacrylnitril erhalten wird durch Umsetzen von Polyacrylnitril zu zyklisiertem Polyacrylnitril. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in Verfahrensschritt a) Polyacrylnitril mit Schwefel in Gegenwart eines Katalysators umgesetzt wird Process step a) a cyclized polyacrylonitrile is reacted with sulfur, wherein the cyclized polyacrylonitrile is obtained by reacting polyacrylonitrile to cyclized polyacrylonitrile. Method according to one of claims 1 to 6, wherein in step a) polyacrylonitrile is reacted with sulfur in the presence of a catalyst
Verfahren zum Herstellen eines Aktivmaterials für eine Elektrode, insbesondere für eine Kathode einer Lithium-Schwefel-Batterie, umfassend ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7. A method for producing an active material for an electrode, in particular for a cathode of a lithium-sulfur battery, comprising a method according to one of claims 1 to 7.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verfahren weiterhin den The method of claim 8, wherein the method further comprises
Verfahrensschritt umfasst:  Process step includes:
c) Zumischen mindestens eines elektrisch leitenden Additivs zu dem  c) admixing at least one electrically conductive additive to the
Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoff, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ruß, Graphit, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhrchen und Mischungen davon. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das Verfahren  Polyacrylonitrile-sulfur composite material, in particular selected from the group consisting of carbon black, graphite, carbon fibers, carbon nanotubes and mixtures thereof. 10. The method according to any one of claims 8 or 9, wherein the method
weiterhin den Verfahrensschritt umfasst:  further comprising the method step:
d) Zumischen mindestens eines Bindemittels, insbesondere von  d) admixing at least one binder, in particular of
Polyvinylidenfluorid und/oder Polytetrafluorethylen, zu dem  Polyvinylidene fluoride and / or polytetrafluoroethylene, to which
Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoff.  Polyacrylonitrile-sulfur composite.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei 1 1. A method according to any one of claims 8 to 10, wherein
in Verfahrensschritt c) und/oder in Verfahrensschritt d) größer oder gleich 60Gew.-% bis kleiner oder gleich 90Gew.-%, insbesondere größer oder gleich 65Gew.-% bis kleiner oder gleich 75Gew.-%, weiter insbesondere 70Gew.-% an Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoff verwendet werden, und/oder  in process step c) and / or in process step d) greater than or equal to 60% by weight to less than or equal to 90% by weight, in particular greater than or equal to 65% by weight to less than or equal to 75% by weight, further preferably 70% by weight be used on polyacrylonitrile-sulfur composite material, and / or
in Verfahrensschritt c) größer oder gleich 0, 1 Gew. -% bis kleiner oder gleich 30Gew.-%, beispielsweise größer oder gleich 5Gew.-% bis kleiner oder gleich 20Gew.-%, an elektrisch leitenden Additiven zugemischt werden, und/oder  in process step c) greater than or equal to 0.1% by weight to less than or equal to 30% by weight, for example greater than or equal to 5% by weight to less than or equal to 20% by weight, are admixed to electrically conductive additives, and / or
in Verfahrensschritt d) größer oder gleich 0, 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich 30Gew.-%, beispielsweise größer oder gleich 5Gew.-% bis kleiner oder gleich 20Gew.-%, an Bindemitteln zugemischt werden.  in process step d) greater than or equal to 0.1 wt% to less than or equal to 30 wt%, for example greater than or equal to 5 wt% to less than or equal to 20 wt%, are admixed to binders.
12. Verwendung eines Polyacrylnitril-Schwefel-Kompositwerkstoffs, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 als Aktivmaterial in einer Elektrode, insbesondere in einer Kathode einer Lithium-Ionen- Batterie. 12. Use of a polyacrylonitrile-sulfur composite material prepared by a process according to any one of claims 1 to 7 as an active material in an electrode, in particular in a cathode of a lithium-ion battery.
13. Energiespeicher, insbesondere Lithium-Schwefel-Batterie, umfassend eine Elektrode mit einem Aktivmaterial, das einen Polyacrylnitril-Schwefel-13. Energy storage device, in particular lithium-sulfur battery, comprising an electrode with an active material containing a polyacrylonitrile-sulfur
Kompositwerkstoff aufweist, der gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist. Composite material, which is prepared according to a method according to one of claims 1 to 7.
PCT/EP2013/059302 2012-06-08 2013-05-03 Method for the production of a polyacrylonitrile-sulfur composite material WO2013182360A1 (en)

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