WO2018215124A1 - Hybrid supercapacitor for high-temperature applications - Google Patents

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WO2018215124A1
WO2018215124A1 PCT/EP2018/058548 EP2018058548W WO2018215124A1 WO 2018215124 A1 WO2018215124 A1 WO 2018215124A1 EP 2018058548 W EP2018058548 W EP 2018058548W WO 2018215124 A1 WO2018215124 A1 WO 2018215124A1
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lithium
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imide
bis
trifluoromethylsulfonyl
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PCT/EP2018/058548
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Inventor
Lars BOMMER
Michael Donotek
Mathias Widmaier
Yu-Chuan Chien
Veronika Haug
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/04Hybrid capacitors
    • H01G11/06Hybrid capacitors with one of the electrodes allowing ions to be reversibly doped thereinto, e.g. lithium ion capacitors [LIC]
    • HELECTRICITY
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a hybrid supercapacitor for
  • Supercapacitors typically include a negative and a positive electrode, which are separated by a separator. Between the electrodes is also an electrolyte, which is electrically conductive. The storage of electrical energy is based on the fact that, when a voltage is applied to the electrodes of the supercapacitor, an electrical double layer is formed on the surfaces thereof. This double layer is formed from solvated charge carriers from the electrolyte, which are arranged on the surfaces of the oppositely electrically charged electrodes. A redox reaction is not involved in this type of energy storage.
  • Supercapacitors can theoretically be charged as often as desired and thus have a very long service life. Also, the power density of the supercapacitors is high, whereas the energy density is rather low compared to, for example, lithium-ion batteries.
  • the energy storage in primary and secondary batteries takes place through a redox reaction.
  • This battery also usually comprise a negative and a positive electrode, which are separated by a separator. There is also a conductive electrolyte between the electrodes. In lithium-ion batteries, one of the most widely used
  • lithium ions migrate from the negative electrode to the positive electrode during a discharge process.
  • the lithium ions from the active material of the negative electrode store reversible, which is also referred to as delithiation.
  • the lithium ions migrate from the positive electrode to the negative electrode.
  • the lithium ions reversibly reenter the active material of the negative electrode, which is also referred to as lithiation.
  • Hybrid supercapacitors are a combination of these technologies and are well suited to fill the gap in the applications that the lithium
  • Hybridsuperkondensatoren usually also have two electrodes, each comprising a current collector and separated by a separator. The transport of the electrical charges between the electrodes is ensured by electrolytes or electrolyte compositions.
  • the electrodes usually comprise a conventional active material
  • Called active material as well as a material which is capable of redox To respond with the charge carriers of the electrolyte and a
  • electrochemical redox active material The energy storage principle of the hybrid supercapacitors is thus based on the formation of an electric double layer in combination with the formation of a faradic lithium
  • the energy storage system thus obtained has a high energy density at the same time high power density and high
  • US 2016/0099474 A1 discloses an energy storage system comprising a cathode, a lithium-based anode, in particular based on a
  • Lithium alloy an electrolyte which is formed from an ionic liquid and a lithium salt dissolved therein, and a separator.
  • the energy storage system can be operated in a temperature range of 180 ° C to 200 ° C. Although the energy storage system can operate at significantly higher temperatures than conventional energy storage devices, the temperature range in which they can be used is very narrow.
  • lithium-based anodes tend to precipitate lithium dendrites, which can result in a short circuit of the electrochemical cells.
  • lithium-based anodes are rate-limited compared to activated carbon electrodes.
  • Lithium-ion batteries the upper limit of the operating temperature is often around 60 ° C. Exceeding this temperature can lead to failure of the energy storage. On the other hand, special lithium-ion batteries for high temperature applications are often characterized by poor power density and low cycle stability.
  • Object of the present invention is therefore an electrochemical
  • the subject matter of the invention is a hybrid supercapacitor comprising
  • At least one negative electrode, at least one positive electrode, at least one separator and at least one electrolyte composition characterized in that
  • the negative electrode comprises as active material a purely statically capacitive active material
  • the positive electrode as active material a purely electrochemical
  • Redox active material or a mixture of a purely electrochemical
  • Redox active material and a purely capacitive active material
  • the electrolyte composition comprises at least one ionic liquid and at least one lithium-containing conductive additive.
  • the hybrid supercapacitor according to the invention comprises at least one positive electrode and at least one negative electrode.
  • the electrodes each comprise an electrically conductive current collector, as well as an applied thereto
  • the current collector includes, for example, copper or aluminum as an electrically conductive material.
  • the current collector includes, for example, copper or aluminum as an electrically conductive material.
  • the negative active material comprises comprising a static capacitive active material, an electrochemical redox active material or a mixture thereof.
  • a statically capacitive active material in the sense of this invention is a material which is known from conventional double-layer electrodes and is suitable for forming a static double-layer capacitance, in particular by forming a Helmholtz layer. It is designed so that there is the largest possible surface area for the formation of the electric double layer.
  • Supercapacitors is carbon in its various Such forms as activated carbon (AC), activated carbon fiber (ACF), carbide-derived carbon (CDC), carbon airgel, graphene and
  • Carbon nanotubes are suitable as static capacitive active materials within the scope of the invention.
  • AC F Activated carbon fibers
  • CDC carbide-derived carbon
  • CNTs carbon nanotubes
  • the positive active material comprises at least one electrochemical redox active material or a mixture of at least one electrochemical redox active material and at least one static capacitive active material.
  • Active materials mentioned are also suitable for the positive electrode.
  • Suitable electrochemical redox active materials for the positive electrode are, for example, lithiated intercalation compounds which are capable of reversibly taking up and releasing lithium ions.
  • the positive active material may comprise a composite oxide containing at least one metal selected from the group consisting of cobalt, magnesium, nickel, and lithium.
  • One embodiment of the present invention comprises a positive electrode active material comprising a compound of the formula L1 MO2 wherein M is selected from Co, Ni, Mn, Cr or mixtures of these and mixtures of these with Al.
  • M is selected from Co, Ni, Mn, Cr or mixtures of these and mixtures of these with Al.
  • Examples include lithium nickel cobalt aluminum oxide cathodes (e.g., LiNio, 8Co 0 , 15Alo, 502, NCA) and lithium nickel manganese cobalt oxide cathodes (e.g., LiNio, 8Mno, iCoo, i0 2 , N MC (811) or LiNio, 33Mno, 33Coo, 330 2 , NMC (111)).
  • overlaid layered oxides which are known to the person skilled in the art. Examples are Lii + x Mn2-yM y 0 4 with x ⁇ 0.8, y ⁇ 2; Lii + x Coi-yM y 02 with x ⁇ 0.8, y ⁇ 1; Lii + x Nii-y-zCo y MzO4 with x ⁇ 0.8, y ⁇ 1, z ⁇ 1 and y + z ⁇ 1.
  • M may be selected from Al, Mg and / or Mn.
  • a preferred embodiment comprises, for example, compounds of the formula ⁇ ( ⁇ _ ⁇ 2 ⁇ 3): nl (LiNi x M ' x 02) where M' is selected from Co, Mn, Cr and Al and 0 ⁇ n ⁇ 1 and 0 ⁇ x ⁇ 1 ,
  • LiFePO 4 , LiMnO 4 , ⁇ - ⁇ - ⁇ O 3 , Li 1 7 17Nio.17Coo.1Mno.56O 2 , UCO 2, and LiNiO 2 are particularly noteworthy as suitable positive active materials. It is particularly preferable to use LiFePO 4 as the electrochemical redox active material for the positive electrode.
  • the positive electrode comprises a mixture of static capacitive active material and electrochemical redox active material, for example, a mixture of activated carbon and LiFePO 4 .
  • the mass ratio of capacitive active material to electrochemical redox active material is preferably in one
  • the negative active material and / or the positive active material in particular binders such as styrene-butadiene copolymer (SBR), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyacrylonitrile (PAN) and
  • SBR styrene-butadiene copolymer
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PAN polyacrylonitrile
  • EPDM Ethylene-propylene-diene terpolymer
  • Suitable materials are characterized in that they are formed from an electrically insulating material having a porous structure. Suitable materials are in particular polymers such as cellulose, polyolefins, polyesters and fluorinated Polymers. Particularly preferred polymers are cellulose, polyethylene (PE),
  • the separator may comprise or consist of ceramic materials, as far as a substantial (lithium) ion transfer is ensured.
  • ceramics comprising MgO, CuO or Al 2 O 3 and glass fiber may be mentioned as materials.
  • the separator may consist of a layer of one or more of the aforementioned materials or else of several layers, in which in each case one or more of said materials are combined with one another.
  • the hybrid supercapacitor comprises an electrolyte composition comprising at least one ionic liquid and at least one lithium-containing conductive additive.
  • Ionic liquids in the context of this invention are organic salts which do not form stable crystal lattices as a result of charge delocalization and steric effects. It therefore has a low melting temperature, which
  • ⁇ 75 ° C preferably ⁇ 50 ° C and especially ⁇ 30 ° C.
  • Suitable cations of ionic liquids include imidazolium,
  • Pyridinium, pyrrolidinium, guanidinium, uronium, thiouronium, piperidinium, morpholinium, ammonium and phosphonium cations which may be optionally substituted with one or more alkyl groups of 1 to 6 carbon atoms.
  • Particularly preferred are imidazolium, pyridinium, pyrrolidinium and ammonium cations, which may be preferably substituted with one or more alkyl radical (s) having 1 to 6 carbon atoms.
  • Suitable anions of the ionic liquid include halide,
  • Tetrafluoroborate trifluoroacetate, triflate, hexafluorophosphate, phosphinate,
  • the carbon atoms of the anions are perfluorinated.
  • Particularly preferred are sterically demanding imide anions, in particular perfluorinated imide anions such as the bis (trifluoromethylsulfonyl) imide anion.
  • Preferred ionic liquids are 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, 1-methyl-1-propylpiperidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, butyltrimethylammonium bis ( trifluoromethylsulfonyl) imide, diethylmethyl (methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, and mixtures thereof. Particularly preferred is 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide.
  • the electrolyte composition comprises at least one lithium-containing conductive additive.
  • the lithium-containing conductive additive may for example be selected from the
  • LiClO 4 lithium chlorate
  • LiBF 4 lithium tetrafluoroborate
  • LiPFe Lithium hexafluorophosphate
  • LiAsFe lithium hexafluoroarsenate
  • Lithium trifluoromethanesulfonate (L1SO 3 CF 3), lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (LiN (SO 2 CF 3) 2 ), lithium bis (pentafluoroethylsulfonyl) imide (LiN (SO 2 C 2 F 5) 2 ),
  • LiBOB LiBOB (C20 4 ) 2
  • LiB (C20 4 ) 2 Lithium bis (oxalato) borate
  • LiB (C20 4 ) 2 Lithium bis (oxalato) borate
  • LiPF 2 (C 2 F 5) lithium difluoro-tri (pentafluoroethyl) phosphate
  • the concentration of lithium-containing conductive additive is preferably in a range of 0.01 mol / L to 1 mol / L, in particular in a range of 0.1 to 0.5 mol / L.
  • the invention relates to a
  • Hybrid supercapacitor comprising at least one negative electrode
  • At least one positive electrode, at least one separator and at least one electrolyte composition characterized in that
  • the negative electrode comprises as active material a purely statically capacitive active material
  • the positive electrode comprises as active material LiFeP0 4 or a mixture of LiFeP0 4 and a purely capacitive active material, and
  • the electrolyte composition comprises 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide and lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide.
  • a hybrid supercapacitor of these components has a particularly good stability in high-temperature operation.
  • An inventive hybrid supercapacitor finds advantageous use in a vehicle, in particular in a vehicle with a conventional internal combustion engine (ICE), in an electric vehicle (EV), in one
  • Hybrid vehicle HEV
  • PHEV plug-in hybrid vehicle
  • Hybridsuperkondensator be used advantageously.
  • the hybrid supercapacitor according to the invention can be used advantageously in backup systems for safety-critical or security-relevant
  • exemplary systems are e.g. the brake system or the steering.
  • the failure of the electrical system can be used by the hybrid capacitor according to the invention electrical energy to maintain the
  • Another example of use is the increase in performance with pressure build-up in the brake system and modulation of the pressure in an electronic system
  • the hybrid supercapacitor according to the invention is characterized in that it is stable even at high operating temperatures, preferably at temperatures of more than 60 ° C, more preferably greater than 80 ° C, in particular greater than 100 ° C, and no decomposition of the active materials or of the
  • Figure 1 shows schematically the basic structure of a
  • FIG. 2 shows the performance of a ragone diagram
  • Hybrid supercapacitor according to the invention at 105 ° C.
  • FIG. 3 shows the course of the decrease in the energy density of a
  • Hybrid supercapacitor according to the invention at 105 ° C.
  • a flat current collector 31 contacts a negative electrode 21 and connects it to the negative terminal 11.
  • a positive electrode 22 which is also conductively connected to a current collector 32 for dissipation to the positive terminal 12.
  • the two electrodes 21, 22 are separated by a separator 18 and are arranged in a housing 2.
  • the conductive electrolyte composition 15 provides a
  • LiFeP0 4 and 61.9 parts by weight of activated carbon as active material weight ratio LiFePGVar coal: 35/65) and 4.76 parts by weight of carbon black as conductive additive. This is dry blended for 10 minutes at 1000 rpm in a blender. Then 105 parts by weight of a 4.76% binder solution (PVDF in dimethyl sulfoxide) are added and the resulting suspension is first stirred for 2 minutes at 900 U / min, then treated with ultrasound for 5 minutes and then again 4 Stirred for minutes at 2500 rev / min. The suspension is by means of a
  • Suspension first stirred for 2 minutes at 900 U / min, then treated for 5 minutes with ultrasound and then stirred again for 4 minutes at 2500 rev / min.
  • the suspension is poured by means of a doctor blade method directly onto a current collector 31 with a layer thickness of about 200 ⁇ to a negative electrode and dried.
  • the mass ratio of the negative electrode active material composition to the positive electrode is 2.5.
  • the separator 18 was manufactured on the basis of cellulose.
  • Electrolytic Composition 15 a solution of lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide in 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide having a Li salt concentration of 0.5 mol / L was used.
  • the hybrid supercapacitor 1 according to the invention is characterized by a good energy density (denoted by the letter E in FIG. kg) and power density (in Fig. 2 with the
  • Hybrid supercapacitor 1 according to the invention according to embodiment 1 at a temperature of 105 ° C over a period of 130 hours.
  • the hybrid supercapacitor is kept at a voltage of 2 V, every 10 hours the discharge energy density is measured by charging and discharging the cells several times.
  • the abscissa axis shows the time t in hours. On the ordinate axis is the normalized remaining one

Abstract

The invention relates to a hybrid supercapacitor (1), comprising at least one negative electrode (21), at least one positive electrode (22), at least one separator (18), and at least one electrolyte composition (15), characterised in that the negative electrode (21) comprises, as active material, a purely statically capacitive active material, the positive electrode (22) comprises, as active material, a purely electrochemical redox active material or a mixture of a purely electrochemical redox active material and a purely capacitive active material, and the electrolyte composition (15) comprises at least one ionic liquid and at least one lithium-containing conductive additive. The hybrid supercapacitor according to the invention can also be used at high temperatures.

Description

Beschreibung  description
Hybridsuperkondensator für Hochtemperaturanwendungen Hybrid supercapacitor for high temperature applications
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hybridsuperkondensator für The present invention relates to a hybrid supercapacitor for
Hochtemperaturanwendungen. High temperature applications.
Stand der Technik State of the art
Die Speicherung elektrischer Energie mittels elektrochemischer The storage of electrical energy by means of electrochemical
Energiespeichersysteme wie elektrochemischer Kondensatoren Energy storage systems such as electrochemical capacitors
(Superkondensatoren) oder elektrochemischer Primär- oder Sekundärbatterien ist seit vielen Jahren bekannt. Die genannten Energiespeichersysteme unterschieden sich dabei in dem der Energiespeicherung zu Grunde liegenden Prinzip. (Supercapacitors) or electrochemical primary or secondary batteries has been known for many years. The energy storage systems mentioned differed in the principle of energy storage.
Superkondensatoren umfassen in der Regel eine negative und eine positive Elektrode, welche durch einen Separator voneinander getrennt sind. Zwischen den Elektroden befindet sich außerdem ein Elektrolyt, welcher elektrisch leitfähig ist. Die Speicherung elektrischer Energie beruht darauf, dass sich beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden des Superkondensators eine elektrische Doppelschicht an deren Oberflächen ausbildet. Diese Doppelschicht wird aus solvatisierten Ladungsträgern aus dem Elektrolyten gebildet, welche sich an den Oberflächen der entgegensetzt elektrisch geladenen Elektroden anordnen. Eine Redox- Reaktion ist bei dieser Art der Energiespeicherung nicht beteiligt. Supercapacitors typically include a negative and a positive electrode, which are separated by a separator. Between the electrodes is also an electrolyte, which is electrically conductive. The storage of electrical energy is based on the fact that, when a voltage is applied to the electrodes of the supercapacitor, an electrical double layer is formed on the surfaces thereof. This double layer is formed from solvated charge carriers from the electrolyte, which are arranged on the surfaces of the oppositely electrically charged electrodes. A redox reaction is not involved in this type of energy storage.
Superkondensatoren können daher theoretisch beliebig oft Aufgeladen werden und haben somit eine sehr hohe Lebensdauer. Auch die Leistungsdichte der Superkondensatoren ist hoch, wohingegen die Energiedichte im Vergleich zu beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien eher gering ist. Die Energiespeicherung in Primär- und Sekundärbatterien findet hingegen durch eine Redox- Reaktion statt. Auch diese Batterie umfassen dabei in der Regel eine negative und eine positive Elektrode, welche durch einen Separator voneinander getrennt sind. Zwischen den Elektroden befindet sich ebenso ein leitfähiger Elektrolyt. In Lithium-Ionen-Batterien, einem der am weitesten verbreitetenSupercapacitors can theoretically be charged as often as desired and thus have a very long service life. Also, the power density of the supercapacitors is high, whereas the energy density is rather low compared to, for example, lithium-ion batteries. The energy storage in primary and secondary batteries, however, takes place through a redox reaction. This battery also usually comprise a negative and a positive electrode, which are separated by a separator. There is also a conductive electrolyte between the electrodes. In lithium-ion batteries, one of the most widely used
Sekundärbatterietypen, findet die Energiespeicherung durch die Einlagerung von Lithium-Ionen in die Elektrodenaktivmaterialien statt. Beim Betrieb der Secondary battery types, the energy storage takes place by the incorporation of lithium ions in the electrode active materials. When operating the
Batteriezelle, also bei einem Entladevorgang, fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Battery cell, so in a discharge process, electrons flow in an external circuit from the negative electrode to the positive electrode.
Innerhalb der Batteriezelle wandern Lithium-Ionen bei einem Entladevorgang von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Dabei lagern die Lithium-Ionen aus dem Aktivmaterial der negativen Elektrode reversibel aus, was auch als Delithiierung bezeichnet wird. Bei einem Ladevorgang der Batteriezelle wandern die Lithium-Ionen von der positiven Elektrode zu der negativen Elektrode. Dabei lagern die Lithium-Ionen wieder in das Aktivmaterial der negativen Elektrode reversibel ein, was auch als Lithiierung bezeichnet wird. Within the battery cell, lithium ions migrate from the negative electrode to the positive electrode during a discharge process. In this case, the lithium ions from the active material of the negative electrode store reversible, which is also referred to as delithiation. During a charging process of the battery cell, the lithium ions migrate from the positive electrode to the negative electrode. The lithium ions reversibly reenter the active material of the negative electrode, which is also referred to as lithiation.
Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine hohe Lithium-ion batteries are characterized by a high level of
Energiedichte haben, d.h. dass sie eine große Menge an Energie pro Masse bzw. Volumen speichern können. Im Gegenzug weisen sie jedoch nur eine begrenzte Leistungsdichte und Lebensdauer auf. Dies ist für viele Anwendungen nachteilig, sodass Lithium-Ionen-Batterien in diesen Bereichen nicht oder nur in geringem Umfang eingesetzt werden können. Have energy density, i. that they can store a large amount of energy per mass or volume. In return, however, they have only a limited power density and life. This is disadvantageous for many applications, so that lithium-ion batteries can not be used in these areas or only to a limited extent.
Hybridsuperkondensatoren stellen eine Kombination dieser Technologien dar und sind geeignet die Lücke in den Anwendungsmöglichkeiten, die die Lithium-Hybrid supercapacitors are a combination of these technologies and are well suited to fill the gap in the applications that the lithium
Ionen-Batterie-Technologie und die Superkondensatorentechnologie aufweisen, zu schließen. Ion battery technology and supercapacitor technology have to close.
Hybridsuperkondensatoren weisen in der Regel ebenfalls zwei Elektroden auf, die je einen Stromsammler umfassend und durch einen Separator voneinander getrennt sind. Der Transport der elektrischen Ladungen zwischen den Elektroden wird durch Elektrolyte bzw. Elektrolytzusammensetzungen gewährleistet. Die Elektroden umfassen als Aktivmaterial in der Regel ein herkömmliches Hybridsuperkondensatoren usually also have two electrodes, each comprising a current collector and separated by a separator. The transport of the electrical charges between the electrodes is ensured by electrolytes or electrolyte compositions. The electrodes usually comprise a conventional active material
Superkondensationsmaterial (nachfolgend auch statisch kapazitives Supercapacitor material (hereinafter also statically capacitive
Aktivmaterial genannt) sowie ein Material, welches in der Lage ist eine Redox- Reaktion mit den Ladungsträgern des Elektrolyten einzugehen und eine Called active material) as well as a material which is capable of redox To respond with the charge carriers of the electrolyte and a
Interkalationsverbindungen davon zu bilden (nachfolgend auch Form intercalation compounds thereof (hereinafter also
elektrochemisches Redoxaktivmaterial genannt). Das Energiespeicherprinzip der Hybridsuperkondensatoren beruht somit auf der Ausbildung einer elektrischen Doppelschicht in Kombination mit der Bildung einer faradischen Lithium-called electrochemical redox active material). The energy storage principle of the hybrid supercapacitors is thus based on the formation of an electric double layer in combination with the formation of a faradic lithium
Interkallationsverbindung. Das so erhaltene Energiespeichersystem besitzt eine hohe Energiedichte bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte und hoher Inter Kalla Transportation connection. The energy storage system thus obtained has a high energy density at the same time high power density and high
Lebensdauer. Lifespan.
US 2016/0099474 AI offenbart ein Energiespeichersystem, umfassend eine Kathode, eine Lithium-basierte Anode, insbesondere auf Basis einer US 2016/0099474 A1 discloses an energy storage system comprising a cathode, a lithium-based anode, in particular based on a
Lithiumlegierung, ein Elektrolyt, welcher aus einer ionischen Flüssigkeit und einem darin gelösten Lithiumsalz gebildet wird, und einem Separator. Das Energiespeichersystem kann in Temperaturbereich von 180°C bis 200°C betrieben werden. Obwohl das Energiespeichersystem bei deutlich höheren Temperaturen als herkömmliche Energiespeicher betrieben werden kann, ist der Temperaturbereich, in dem diese zum Einsatz kommen können, sehr eng. Lithium alloy, an electrolyte which is formed from an ionic liquid and a lithium salt dissolved therein, and a separator. The energy storage system can be operated in a temperature range of 180 ° C to 200 ° C. Although the energy storage system can operate at significantly higher temperatures than conventional energy storage devices, the temperature range in which they can be used is very narrow.
Darüber hinaus neigen Lithium-basierte Anoden zur Abscheidung von Lithium- Dendriten, welche einen Kurzschluss der elektrochemischen Zellen zur Folge haben können. Zudem sind Lithium-basierte Anoden im Vergleich zu Elektroden aus Aktivkohle ratenlimitiert. In addition, lithium-based anodes tend to precipitate lithium dendrites, which can result in a short circuit of the electrochemical cells. In addition, lithium-based anodes are rate-limited compared to activated carbon electrodes.
Herkömmliche Energiespeichersysteme sind in der Regel auf einen engen Temperaturbereich begrenzt, in welchem das System betrieben werden kann. Bei herkömmlichen Superkondensatoren, Hybridsuperkondensatoren oder auchConventional energy storage systems are typically limited to a narrow temperature range in which the system can operate. In conventional supercapacitors, hybrid supercapacitors or else
Lithium-Ionen-Batterien, liegt die Obergrenze der Betriebstemperatur häufig bei etwa 60°C. Ein Überschreiten dieser Temperatur kann zum Versagen des Energiespeichers führen. Auf der anderen Seite zeichnen sich spezielle Lithium- Ionen-Batterien für Hochtemperaturanwendungen häufig durch eine schlechte Leistungsdichte und geringe Zyklenstabilität aus. Lithium-ion batteries, the upper limit of the operating temperature is often around 60 ° C. Exceeding this temperature can lead to failure of the energy storage. On the other hand, special lithium-ion batteries for high temperature applications are often characterized by poor power density and low cycle stability.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein elektrochemisches Object of the present invention is therefore an electrochemical
Energiespeichersystem bereitzustellen, welches sowohl eine hohe To provide energy storage system, which is both a high
Leistungsdichte als auch eine hohe Energiedichte und Lebensdauer bei hohen Temperaturen aufweist. Diese Aufgabe wird durch die nachfolgende Power density as well as high energy density and lifetime at high Temperatures. This task is explained by the following
beschriebene Erfindung gelöst. described invention solved.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Gegenstand der Erfindung ist ein Hybridsuperkondensator, umfassend The subject matter of the invention is a hybrid supercapacitor comprising
mindestens eine negative Elektrode, mindestens eine positive Elektrode, mindestens einen Separator und mindestens eine Elektrolytzusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass at least one negative electrode, at least one positive electrode, at least one separator and at least one electrolyte composition, characterized in that
die negative Elektrode als Aktivmaterial ein rein statisch kapazitives Aktivmaterial umfasst, the negative electrode comprises as active material a purely statically capacitive active material,
die positive Elektrode als Aktivmaterial ein rein elektrochemisches the positive electrode as active material a purely electrochemical
Redoxaktivmaterial oder ein Gemisch aus einem rein elektrochemischen Redox active material or a mixture of a purely electrochemical
Redoxaktivmaterial und einem rein kapazitiven Aktivmaterial umfasst, und die Elektrolytzusammensetzung mindestens eine ionische Flüssigkeit und mindestens einen Lithium-haltigen Leitzusatz umfasst. Redox active material and a purely capacitive active material, and the electrolyte composition comprises at least one ionic liquid and at least one lithium-containing conductive additive.
Der erfindungsgemäße Hybridsuperkondensator umfasst mindestens eine positive Elektrode und mindestens eine negative Elektrode. Die Elektroden umfassen jeweils einen elektrisch leitenden Stromsammler, sowie ein darauf aufgebrachtes The hybrid supercapacitor according to the invention comprises at least one positive electrode and at least one negative electrode. The electrodes each comprise an electrically conductive current collector, as well as an applied thereto
Aktivmaterial. Der Stromsammler umfasst beispielswiese Kupfer oder Aluminium als elektrisch leitendes Material. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Active material. The current collector includes, for example, copper or aluminum as an electrically conductive material. In a preferred embodiment, the
Stromsammler der Elektroden aus Aluminium gefertigt. Current collector of the electrodes made of aluminum.
Auf die negative Elektrode ist ein negatives Aktivmaterial aufgebracht. Das negative Aktivmaterial umfasst umfassend ein statisch kapazitives Aktivmaterial, ein elektrochemisches Redoxaktivmaterial oder ein Gemisch davon. On the negative electrode, a negative active material is applied. The negative active material comprises comprising a static capacitive active material, an electrochemical redox active material or a mixture thereof.
Ein statisch kapazitives Aktivmaterial ist im Sinne dieser Erfindung ein Material, welches aus herkömmlichen Doppelschicht-Elektroden bekannt ist und geeignet ist eine statische Doppelschichtkapazität, insbesondere durch das Ausbilden einer Helmholtzschicht, auszubilden. Es ist dabei so gestaltet, dass sich eine möglichst große Oberfläche zur Ausbildung der elektrischen Doppelschicht ergibt. Das am häufigsten verwendete Elektrodenmaterial für A statically capacitive active material in the sense of this invention is a material which is known from conventional double-layer electrodes and is suitable for forming a static double-layer capacitance, in particular by forming a Helmholtz layer. It is designed so that there is the largest possible surface area for the formation of the electric double layer. The most commonly used electrode material for
Superkondensatoren ist Kohlenstoff in seinen verschiedenen Erscheinungsformen, wie Aktivkohle (AC), Aktivkohlefasern (ACF), Carbid- abgeleiteter Kohlenstoff (CDC), Kohlenstoff-Aerogel, Graphen und Supercapacitors is carbon in its various Such forms as activated carbon (AC), activated carbon fiber (ACF), carbide-derived carbon (CDC), carbon airgel, graphene and
Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs). Sämtliche Elektrodenaktivmaterialien sind als statisch kapazitive Aktivmaterialien im Rahmen der Erfindung geeignet. Carbon nanotubes (CNTs). All electrode active materials are suitable as static capacitive active materials within the scope of the invention.
Bevorzugt werden die Kohlenstoffmodifikationen Aktivkohle (AC), Preference is given to the carbon modifications activated carbon (AC),
Aktivkohlefasern (AC F), Carbid-abgeleiteter Kohlenstoff (CDC), Kohlenstoff- Aerogel, Graphen und Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) eingesetzt, Activated carbon fibers (AC F), carbide-derived carbon (CDC), carbon airgel, graphene and carbon nanotubes (CNTs),
insbesondere Aktivkohle. in particular activated carbon.
Auf die positive Elektrode ist ein positives Aktivmaterial aufgebracht. Das positive Aktivmaterial umfasst mindestens ein elektrochemisches Redoxaktivmaterial oder ein Gemisch aus mindestens einem elektrochemisches Redoxaktivmaterial und mindestens einem statisch kapazitivem Aktivmaterial, ein. On the positive electrode, a positive active material is applied. The positive active material comprises at least one electrochemical redox active material or a mixture of at least one electrochemical redox active material and at least one static capacitive active material.
Bezüglich des statisch kapazitiven Materials der positiven Elektrode gelten sämtliche Ausführungen zur negativen Elektrode entsprechend. Die dort With regard to the static capacitive material of the positive electrode, all statements on the negative electrode apply accordingly. These
genannten Aktivmaterialien sind auch für die positive Elektrode geeignet. Active materials mentioned are also suitable for the positive electrode.
Geeignete elektrochemische Redoxaktivmaterialien für die positive Elektrode sind beispielsweise lithiierte Interkalationsverbindungen, welche in der Lage sind Lithium- Ionen reversibel aufzunehmen und freizusetzen. Das positive Aktivmaterial kann ein zusammengesetztes Oxid umfassen, welches mindestens ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Magnesium, Nickel, sowie Lithium, enthält. Suitable electrochemical redox active materials for the positive electrode are, for example, lithiated intercalation compounds which are capable of reversibly taking up and releasing lithium ions. The positive active material may comprise a composite oxide containing at least one metal selected from the group consisting of cobalt, magnesium, nickel, and lithium.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Aktivmaterial der positiven Elektrode, umfassend eine Verbindung der Formel L1 MO2, wobei M ausgewählt ist aus Co, Ni, Mn, Cr oder Gemischen von diesen sowie Gemischen von diesen mit AI. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem One embodiment of the present invention comprises a positive electrode active material comprising a compound of the formula L1 MO2 wherein M is selected from Co, Ni, Mn, Cr or mixtures of these and mixtures of these with Al. In a preferred embodiment, the
Kathodenaktivmaterial um ein Material, welches Nickel umfasst, d.h. LiNii-xM'x02, wobei M' ausgewählt ist aus Co, Mn, Cr und AI und 0 < x < 1 ist. Beispiele umfassen Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid-Kathoden (z. B. LiNio,8Co0,i5Alo,o502; NCA) und Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Kathoden (z. B. LiNio,8Mno,iCoo,i02; N MC (811) oder LiNio,33Mno,33Coo,3302; NMC (111)). Ferner sind als bevorzugte positive Aktivmaterialien überlithiierte schichtförmige Oxide zu nennen, welche dem Fachmann bekannt sind. Beispiele hierfür sind Lii+xMn2-yMy04 mit x < 0,8, y < 2; Lii+xCoi-yMy02 mit x < 0,8, y < 1; Lii+xNii-y-zCoyMz04 mit x < 0,8, y < 1, z < 1 und y+z < 1. In den vorgenannten Verbindungen kann M ausgewählt sein aus AI, Mg und/oder Mn. Cathode active material around a material comprising nickel, ie LiNi x M ' x O 2, where M' is selected from Co, Mn, Cr and Al and 0 <x <1. Examples include lithium nickel cobalt aluminum oxide cathodes (e.g., LiNio, 8Co 0 , 15Alo, 502, NCA) and lithium nickel manganese cobalt oxide cathodes (e.g., LiNio, 8Mno, iCoo, i0 2 , N MC (811) or LiNio, 33Mno, 33Coo, 330 2 , NMC (111)). Furthermore, as preferred positive active materials, mention may be made of overlaid layered oxides which are known to the person skilled in the art. Examples are Lii + x Mn2-yM y 0 4 with x <0.8, y <2; Lii + x Coi-yM y 02 with x <0.8, y <1; Lii + x Nii-y-zCo y MzO4 with x <0.8, y <1, z <1 and y + z <1. In the aforementioned compounds, M may be selected from Al, Mg and / or Mn.
Zwei oder mehrere der positiven Aktivmaterialien können insbesondere auch in Kombination miteinander verwendet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst beispielsweise Verbindungen der Formel η(Ι_ΐ2Μηθ3) : n-l(LiNii-xM'x02) wobei M' ausgewählt ist aus Co, Mn, Cr und AI und 0 < n < 1 ist und 0 < x < 1 ist. In particular, two or more of the positive active materials may also be used in combination with each other. A preferred embodiment comprises, for example, compounds of the formula η (Ι_ΐ2Μηθ3): nl (LiNi x M ' x 02) where M' is selected from Co, Mn, Cr and Al and 0 <n <1 and 0 <x <1 ,
Ferner sind insbesondere LiFeP04, LiMn204, Ι_ΐ2Μηθ3, Li1.17Nio.17Coo.1Mno.56O2, UC0O2 und LiNi02 als geeignete positive Aktivmaterialien hervorzuheben. Besonders bevorzugt ist LiFeP04 als elektrochemisches Redoxaktivmaterial für die positive Elektrode zu verwenden. Further, LiFePO 4 , LiMnO 4 , Ι-Μ-ΜΜO 3 , Li 1 7 17Nio.17Coo.1Mno.56O 2 , UCO 2, and LiNiO 2 are particularly noteworthy as suitable positive active materials. It is particularly preferable to use LiFePO 4 as the electrochemical redox active material for the positive electrode.
In einer Ausführungsform umfasst die positive Elektrode ein Gemisch aus statisch kapazitivem Aktivmaterial und elektrochemischen Redoxaktivmaterial, beispielsweise ein Gemisch aus Aktivkohle und LiFeP04. Das Massenverhältnis von kapazitivem Aktivmaterial zu elektrochemischen Redoxaktivmaterial liegt vorzugsweise in einemIn one embodiment, the positive electrode comprises a mixture of static capacitive active material and electrochemical redox active material, for example, a mixture of activated carbon and LiFePO 4 . The mass ratio of capacitive active material to electrochemical redox active material is preferably in one
Bereich von 1: 0,5 bis 1:3. Range from 1: 0.5 to 1: 3.
Als weitere Bestandteile kann das negative Aktivmaterial und/oder das positive Aktivmaterial insbesondere Bindemittel wie Styrol-Butadien-Copolymer (SBR), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethen (PTFE), Polyacrylnitril (PAN) undAs further constituents, the negative active material and / or the positive active material, in particular binders such as styrene-butadiene copolymer (SBR), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyacrylonitrile (PAN) and
Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM) umfassen, um die Stabilität der Ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM) to improve the stability of the
Elektroden zu erhöhen. Ferner können Leitadditive wie Leitruß oder Graphit zugegeben werden. Der Separator dient der Aufgabe, die Elektroden von einem direkten Kontakt miteinander zu schützen und so einen Kurzschluss zu unterbinden. Gleichzeitig muss der Separator den Transfer der Ionen von einer Elektrode zur anderen gewährleisten. Geeignete Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie aus einem elektrisch isolierenden Material mit einer porösen Struktur gebildet sind. Geeignete Materialien sind insbesondere Polymere, wie Cellulose, Polyolefine, Polyester und fluorierte Polymere. Besonders bevorzugte Polymere sind Cellulose, Polyethylen (PE), Increase electrodes. Further, conductive additives such as carbon black or graphite may be added. The purpose of the separator is to protect the electrodes from direct contact with each other, thus preventing a short circuit. At the same time, the separator must ensure the transfer of ions from one electrode to another. Suitable materials are characterized in that they are formed from an electrically insulating material having a porous structure. Suitable materials are in particular polymers such as cellulose, polyolefins, polyesters and fluorinated Polymers. Particularly preferred polymers are cellulose, polyethylene (PE),
Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polytetrafluorethen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF). Ferner kann der Separator keramische Materialen umfassen oder aus diesen bestehen, sofern ein weitgehender (Lithium-) Ionen-Transfer gewährleistet ist. Als Materialien sind insbesondere Keramiken, welche MgO, CuO oder AI2O3 umfassen und Glasfaser, zu nennen. Der Separator kann aus einer Schicht aus einem oder mehreren der zuvor genannten Materialien bestehen oder auch aus mehreren Schichten, in denen jeweils eines oder mehrere der genannten Materialein miteinander kombiniert sind. Polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF). Furthermore, the separator may comprise or consist of ceramic materials, as far as a substantial (lithium) ion transfer is ensured. In particular, ceramics comprising MgO, CuO or Al 2 O 3 and glass fiber may be mentioned as materials. The separator may consist of a layer of one or more of the aforementioned materials or else of several layers, in which in each case one or more of said materials are combined with one another.
Ferner umfasst der Hybridsuperkondensator eine Elektrolytzusammensetzung, umfassend mindestens eine ionische Flüssigkeit und mindestens einen Lithium- haltigen Leitzusatz. Furthermore, the hybrid supercapacitor comprises an electrolyte composition comprising at least one ionic liquid and at least one lithium-containing conductive additive.
Ionische Flüssigkeiten im Sinne dieser Erfindung sind organische Salze, die durch Ladungsdelokalisierung und sterische Effekte keine stabilen Kristallgitter bilden. Sie weise daher eine niedrige Schmelztemperatur auf, welche Ionic liquids in the context of this invention are organic salts which do not form stable crystal lattices as a result of charge delocalization and steric effects. It therefore has a low melting temperature, which
vorzugsweise < 75°C, stärker bevorzugt < 50°C und insbesondere < 30°C ist. preferably <75 ° C, more preferably <50 ° C and especially <30 ° C.
Geeignete Kationen der ionischen Flüssigkeiten umfassen Imidazolium-, Suitable cations of ionic liquids include imidazolium,
Pyridinium-, Pyrrolidinium-, Guanidinium-, Uronium-, Thiouronium-, Piperidinium-, Morpholinium-, Ammonium- und Phosphonium-Kationen, welche gegebenenfalls mit einem oder mehreren Alkylrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen substituiert sein können. Besonders bevorzugt sind Imidazolium-, Pyridinium-, Pyrrolidinium- und Ammonium-Kationen, die vorzugsweise mit einem oder mehreren Alkylrest(en) mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen substituiert sein können. Pyridinium, pyrrolidinium, guanidinium, uronium, thiouronium, piperidinium, morpholinium, ammonium and phosphonium cations, which may be optionally substituted with one or more alkyl groups of 1 to 6 carbon atoms. Particularly preferred are imidazolium, pyridinium, pyrrolidinium and ammonium cations, which may be preferably substituted with one or more alkyl radical (s) having 1 to 6 carbon atoms.
Geeignete Anionen der ionischen Flüssigkeit umfassen Halogenid-, Suitable anions of the ionic liquid include halide,
Tetrafluorborat-, Trifluoracetat-, Triflat-, Hexafluorphosphat-, Phosphinat-, Tetrafluoroborate, trifluoroacetate, triflate, hexafluorophosphate, phosphinate,
Tosylat- und sterisch anspruchsvolle Imid- und Amid-Anionen. Vorzugsweise sind die Kohlenstoffatome der Anionen perfluoriert. Besonders bevorzugt sind sterisch anspruchsvolle Imid-Anionen, insbesondere perfluorierte Imid-Anionen wie das Bis(trifluormethylsulfonyl)imid-Anion. Bevorzugte ionische Flüssigkeiten sind l-Ethyl-3-methylimidazolium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid, 1-Methyl-l-propylpiperidinium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid, 1-Butyl-l-methylpyrrolidinium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid, Butyltrimethylammonium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid, Diethylmethyl-(methoxyethyl)ammonium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid und Gemische davon. Besonders bevorzugt ist 1- Butyl-l-methylpyrrolidinium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid. Tosylate and sterically demanding imide and amide anions. Preferably, the carbon atoms of the anions are perfluorinated. Particularly preferred are sterically demanding imide anions, in particular perfluorinated imide anions such as the bis (trifluoromethylsulfonyl) imide anion. Preferred ionic liquids are 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, 1-methyl-1-propylpiperidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, butyltrimethylammonium bis ( trifluoromethylsulfonyl) imide, diethylmethyl (methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, and mixtures thereof. Particularly preferred is 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide.
Ferner umfasst die Elektrolytzusammensetzung mindestens einen Lithium-haltigen Leitzusatz. Der Lithium-haltige Leitzusatz kann beispielsweise ausgewählt sein aus derFurthermore, the electrolyte composition comprises at least one lithium-containing conductive additive. The lithium-containing conductive additive may for example be selected from the
Gruppe bestehend aus Lithiumchlorat (LiCI04), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), Group consisting of lithium chlorate (LiClO 4 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ),
Lithiumhexafluorphosphat (LiPFe), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsFe), Lithium hexafluorophosphate (LiPFe), lithium hexafluoroarsenate (LiAsFe),
Lithiumtrifluormethansulfonat (L1SO3CF3), Lithiumbis(trifluormethylsulphonyl)imid (LiN(S02CF3)2), Lithiumbis(pentafluorethylsulphonyl)imid (LiN(S02C2F5)2), Lithium trifluoromethanesulfonate (L1SO 3 CF 3), lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (LiN (SO 2 CF 3) 2 ), lithium bis (pentafluoroethylsulfonyl) imide (LiN (SO 2 C 2 F 5) 2 ),
Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB, LiB(C204)2), Lithiumdifluor(oxalato)borat Lithium bis (oxalato) borate (LiBOB, LiB (C20 4 ) 2), lithium difluoro (oxalato) borate
(LiBF2(C20 )), Lithiumdifluor-tri(pentafluorethyl)phosphat (LiPF2(C2 F5)3) und (LiBF 2 (C 2 O)), lithium difluoro-tri (pentafluoroethyl) phosphate (LiPF 2 (C 2 F 5) 3) and
Kombinationen davon. Combinations of it.
Die Konzentration an Lithium-haltigem Leitzusatz liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,01 mol/L bis 1 mol/L, insbesondere in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 mol/L. The concentration of lithium-containing conductive additive is preferably in a range of 0.01 mol / L to 1 mol / L, in particular in a range of 0.1 to 0.5 mol / L.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung einen In a particularly preferred embodiment, the invention relates to a
Hybridsuperkondensator, umfassend mindestens eine negative Elektrode, Hybrid supercapacitor comprising at least one negative electrode,
mindestens eine positive Elektrode, mindestens eine Separator und mindestens eine Elektrolytzusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass at least one positive electrode, at least one separator and at least one electrolyte composition, characterized in that
die negative Elektrode als Aktivmaterial ein rein statisch kapazitives Aktivmaterial umfasst, the negative electrode comprises as active material a purely statically capacitive active material,
die positive Elektrode als Aktivmaterial LiFeP04 oder ein Gemisch aus LiFeP04 und einem rein kapazitiven Aktivmaterial umfasst, und the positive electrode comprises as active material LiFeP0 4 or a mixture of LiFeP0 4 and a purely capacitive active material, and
die Elektrolytzusammensetzung 1-Butyl-l-methylpyrrolidinium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid und Lithium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid umfasst. the electrolyte composition comprises 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide and lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass ein Hybridsuperkondensator aus diesen Bestandteilen eine besonders gute Stabilität im Hochtemperaturbetrieb aufweist. Ein erfindungsgemäßer Hybridsuperkondensator findet vorteilhaft Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Fahrzeug mit einem herkömmlichen Verbrennungsmotor (ICE), in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem It has surprisingly been found that a hybrid supercapacitor of these components has a particularly good stability in high-temperature operation. An inventive hybrid supercapacitor finds advantageous use in a vehicle, in particular in a vehicle with a conventional internal combustion engine (ICE), in an electric vehicle (EV), in one
Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV). Hybrid vehicle (HEV), or in a plug-in hybrid vehicle (PHEV).
Insbesondere in Rekuperationssystemen von Fahrzeugen kann der In particular, in Rekuperationssystemen of vehicles, the
Hybridsuperkondensator vorteilhaft eingesetzt werden. Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Hybridsuperkondensator vorteilhaft Verwendung finden in Backup-Systemen für sicherheitskritische bzw. sicherheitsrelevante Hybridsuperkondensator be used advantageously. In addition, the hybrid supercapacitor according to the invention can be used advantageously in backup systems for safety-critical or security-relevant
Komponenten, Systeme und/oder Subsysteme in Fahrzeugen. Beispielhafte Systeme sind z.B. das Bremssystem oder auch die Lenkung. Im Anwendungsfall, d.h. beispielsweise dem Ausfall des Bordnetzes, kann vom erfindungsgemäßen Hybridkondensator elektrische Energie zur Aufrechterhaltung der Components, systems and / or subsystems in vehicles. Exemplary systems are e.g. the brake system or the steering. In the application, i. For example, the failure of the electrical system, can be used by the hybrid capacitor according to the invention electrical energy to maintain the
Funktionsfähigkeit der sicherheitskritische bzw. sicherheitsrelevante Operability of the safety-critical or safety-relevant
Komponenten, Systeme und/oder Subsysteme bereitgestellt werden. Components, systems and / or subsystems are provided.
Ein weiteres Verwendungsbeispiel ist die Performanceerhöhung bei Druckaufbau im Bremssystem sowie Modulation des Druckes in einem elektronischen Another example of use is the increase in performance with pressure build-up in the brake system and modulation of the pressure in an electronic system
Stabilitätsprogramm (ESP). Stability Program (ESP).
Weitere Verwendungsbeispiele sind Werkzeuge sowie Consumer-Elektronik- Produkte. Unter Werkzeugen sind dabei insbesondere Heimwerkzeuge sowie Gartenwerkzeuge zu verstehen. Unter Consumer-Elektronik-Produkten sind insbesondere Mobiltelefone, Tablet-PCs oder Notebooks zu verstehen. Further examples of use are tools as well as consumer electronics products. Under tools are in particular home tools and garden tools to understand. Consumer electronics products are in particular mobile phones, tablet PCs or notebooks.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Der erfindungsgemäße Hybridsuperkondensator zeichnet sich dadurch aus, dass dieser auch bei hohen Betriebstemperaturen, vorzugsweise bei Temperaturen von mehr als 60°C, stärker bevorzugt von mehr als 80°C, insbesondere von mehr als 100°C, stabil ist und keiner Zersetzung der Aktivmaterialien oder der The hybrid supercapacitor according to the invention is characterized in that it is stable even at high operating temperatures, preferably at temperatures of more than 60 ° C, more preferably greater than 80 ° C, in particular greater than 100 ° C, and no decomposition of the active materials or of the
Elektrolytzusammensetzung unterläuft. Kurze Beschreibung der Zeichnungen Underflow electrolyte composition. Brief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert: Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing and the following description:
Figur 1 zeigt schematisch den grundsätzlichen Aufbau eines Figure 1 shows schematically the basic structure of a
Hybridsuperkondensators.  Hybrid supercapacitor.
Figur 2 zeigt in einem Ragone-Diagramm die Performance eines FIG. 2 shows the performance of a ragone diagram
erfindungsgemäßen Hybridsuperkondensators bei 105°C.  Hybrid supercapacitor according to the invention at 105 ° C.
Figur 3 zeigt den Verlauf der Abnahme der Energiedichte eines FIG. 3 shows the course of the decrease in the energy density of a
erfindungsgemäßen Hybridsuperkondensators bei 105°C.  Hybrid supercapacitor according to the invention at 105 ° C.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Der Figur 1 ist der Aufbaus eines Hybridsuperkondensators 1 schematisch dargestellt. Ein flächiger Stromsammler 31 kontaktiert eine negative Elektrode 21 und verbindet diese mit dem negativen Terminal 11. Gegenüberliegend befindet sich eine positive Elektrode 22, die ebenfalls leitend mit einem Stromsammler 32 zur Ableitung an das positive Terminal 12 verbunden ist. Die beiden Elektroden 21, 22 werden durch einen Separator 18 getrennt und sind in einem Gehäuse 2 angeordnet. Die leitfähige Elektrolytzusammensetzung 15 stellt eine 1 shows the structure of a hybrid supercapacitor 1 is shown schematically. A flat current collector 31 contacts a negative electrode 21 and connects it to the negative terminal 11. Opposite there is a positive electrode 22, which is also conductively connected to a current collector 32 for dissipation to the positive terminal 12. The two electrodes 21, 22 are separated by a separator 18 and are arranged in a housing 2. The conductive electrolyte composition 15 provides a
ionenleitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden 21, 22 her. Ion-conductive connection between the two electrodes 21, 22 ago.
Ausführungsbeispiel 1 Embodiment 1
Zur Herstellung der positiven Elektrode 22 wird ein Gemisch aus 33,34 To prepare the positive electrode 22, a mixture of 33,34
Gewichtsteilen LiFeP04 und 61,9 Gewichtsteilen Aktivkohle als Aktivmaterial (Massenverhältnis LiFePGVAktivkohle: 35 / 65) sowie 4,76 Gewichtsteilen Carbon Black als Leitadditiv hergestellt. Dieses wird 10 Minuten lang bei 1000 U/min in einem Mischer trockenvermischt. Dann werden 105 Gewichtsteile einer 4,76%igen Bindemittellösung (PVDF in Dimethylsulfoxid) zugefügt und die erhaltene Suspension zunächst 2 Minuten lang bei 900 U/min gerührt, diese dann 5 Minuten lang mit Ultraschall behandelt und anschließend nochmals 4 Minuten lang bei 2500 U/min gerührt. Die Suspension wird mittels eines Parts by weight of LiFeP0 4 and 61.9 parts by weight of activated carbon as active material (mass ratio LiFePGVar coal: 35/65) and 4.76 parts by weight of carbon black as conductive additive. This is dry blended for 10 minutes at 1000 rpm in a blender. Then 105 parts by weight of a 4.76% binder solution (PVDF in dimethyl sulfoxide) are added and the resulting suspension is first stirred for 2 minutes at 900 U / min, then treated with ultrasound for 5 minutes and then again 4 Stirred for minutes at 2500 rev / min. The suspension is by means of a
Rakelverfahrens direkt auf einen Stromsammler 32 mit einer Schichtdicke von ca. 100 μηη zu einer positiven Elektrode gegossen, und getrocknet. Squeegee method directly onto a current collector 32 with a layer thickness of about 100 μηη poured into a positive electrode, and dried.
Zur Herstellung der negativen Elektrode 21 wird ein Gemisch aus 95,24 For the preparation of the negative electrode 21, a mixture of 95,24
Gewichtsteilen Aktivkohle als Aktivmaterial sowie 4,76 Gewichtsteile Carbon Black als Leitadditiv hergestellt. Dieses wird 10 min lang bei 1000 U/min in einem Mischer trockenvermischt. Dann werden 105 Gewichtsteile einer 4,76 %-igen Bindemittellösung (PVDF in Dimethylsulfoxid) zugefügt und die erhaltene Parts by weight of activated charcoal as active material and 4.76 parts by weight of carbon black as conductive additive. This is dry blended for 10 minutes at 1000 rpm in a blender. Then 105 parts by weight of a 4.76% binder solution (PVDF in dimethyl sulfoxide) are added and the resulting
Suspension zunächst 2 Minuten lang bei 900 U/min gerührt, diese dann 5 Minuten lang mit Ultraschall behandelt und anschließend nochmals 4 Minuten lang bei 2500 U/min gerührt. Die Suspension wird mittels eines Rakelverfahrens direkt auf einen Stromsammler 31 mit einer Schichtdicke von ca. 200 μηη zu einer negativen Elektrode gegossen und getrocknet. Suspension first stirred for 2 minutes at 900 U / min, then treated for 5 minutes with ultrasound and then stirred again for 4 minutes at 2500 rev / min. The suspension is poured by means of a doctor blade method directly onto a current collector 31 with a layer thickness of about 200 μηη to a negative electrode and dried.
Das Massenverhältnis der Aktivmaterialzusammensetzung von negativer Elektrode zu positiver Elektrode liegt bei 2,5. The mass ratio of the negative electrode active material composition to the positive electrode is 2.5.
Der Separator 18 wurde auf Basis von Cellulose hergestellt. Als The separator 18 was manufactured on the basis of cellulose. When
Elektrolytzusammensetzung 15 wurde eine Lösung von Lithium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid in 1-Butyl-l-methylpyrrolidinium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid mit einer Li-Salz- Konzentration von 0,5 mol/L verwendet. Electrolytic Composition 15, a solution of lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide in 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide having a Li salt concentration of 0.5 mol / L was used.
In dem in Figur 2 darstellen Ragone-Diagramm wird die spezifische Leistung in Abhängigkeit von der spezifischen Energie aufgetragen. Figur 2 zeigt In the Ragone diagram shown in FIG. 2, the specific power is plotted as a function of the specific energy. Figure 2 shows
entsprechende Kurve des erfindungsgemäßen Hybridsuperkondensators 1 gemäß Ausführungsbeispiel 1 bei einer Temperatur von 105°C. Die Messung erfolgt in einem Spannungsbereich von 0,8 bis 2,0 V. Es ist ersichtlich, dass sich der erfindungsgemäße Hybridsuperkondensator 1 auch bei erhöhter Temperatur durch eine gute Energiedichte (in Fig. 2 mit dem Buchstaben E abgekürzt und in der Einheit Wh/kg angegeben) und Leistungsdichte (in Fig. 2 mit dem corresponding curve of the hybrid supercapacitor 1 according to the invention according to embodiment 1 at a temperature of 105 ° C. The measurement takes place in a voltage range from 0.8 to 2.0 V. It can be seen that the hybrid supercapacitor 1 according to the invention, even at elevated temperature, is characterized by a good energy density (denoted by the letter E in FIG. kg) and power density (in Fig. 2 with the
Buchstaben P abgekürzt und in der Einheit W/kg angegeben) auszeichnet. In Figur 3 zeigt die Degradation der Energiedichte einer Zelle des Letter P abbreviated and in the unit W / kg indicated). In FIG. 3, the degradation of the energy density of a cell of FIG
erfindungsgemäßen Hybridsuperkondensators 1 gemäß Ausführungsbeispiel 1 bei einer Temperatur von 105°C über einen Zeitraum von 130 Stunden. Der Hybridsuperkondensator wird auf einer Spannung von 2 V gehalten, alle 10 Stunden erfolgt die Messung der Entladeenergiedichte durch mehrfaches Laden und Entladen der Zellen. Auf der Abszissenachse ist die Zeit t in Stunden dargestellt. Auf der Ordinatenachse ist die normierte verbliebene Hybrid supercapacitor 1 according to the invention according to embodiment 1 at a temperature of 105 ° C over a period of 130 hours. The hybrid supercapacitor is kept at a voltage of 2 V, every 10 hours the discharge energy density is measured by charging and discharging the cells several times. The abscissa axis shows the time t in hours. On the ordinate axis is the normalized remaining one
Entladungsenergie E dargestellt. Der Ausgangswert bei t=0 ist dabei auf 1 normiert. Es ist erkennbar, dass auch nach einem Zeitraum von 130 Stunden bei 105°C der Erfindungsgemäße Hybridsuperkondensator noch eine Energie von 80% der Ausgangsenergie speichern kann. Discharge energy E shown. The output value at t = 0 is normalized to 1. It can be seen that even after a period of 130 hours at 105 ° C., the hybrid supercapacitor according to the invention can still store an energy of 80% of the initial energy.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action

Claims

Ansprüche claims
1. Hybridsuperkondensator (1), umfassend mindestens eine negative Hybrid supercapacitor (1) comprising at least one negative
Elektrode (21), mindestens eine positive Elektrode (22), mindestens eine Separator (18) und mindestens eine Elektrolytzusammensetzung (15), dadurch gekennzeichnet, dass  Electrode (21), at least one positive electrode (22), at least one separator (18) and at least one electrolyte composition (15), characterized in that
die negative Elektrode (21) als Aktivmaterial ein rein statisch kapazitives Aktivmaterial umfasst,  the negative electrode (21) comprises as active material a purely statically capacitive active material,
die positive Elektrode (22) als Aktivmaterial ein rein elektrochemisches Redoxaktivmaterial oder ein Gemisch aus einem rein elektrochemischen Redoxaktivmaterial und einem rein kapazitiven Aktivmaterial umfasst, und  the positive electrode (22) comprises as active material a purely electrochemical redox active material or a mixture of a purely electrochemical redox active material and a purely capacitive active material, and
die Elektrolytzusammensetzung (15) mindestens eine ionische  the electrolyte composition (15) at least one ionic
Flüssigkeit und mindestens einen Lithium-haltigen Leitzusatz umfasst.  Liquid and at least one lithium-containing conductive additive comprises.
2. Hybridsuperkondensator (1) nach Anspruch 1, wobei die ionische 2. hybrid supercapacitor (1) according to claim 1, wherein the ionic
Flüssigkeit ausgewählt ist aus l-Ethyl-3-methylimidazolium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid, 1-Methyl-l-propylpiperidinium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid, 1-Butyl-l-methylpyrrolidinium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid, Butyltrimethylammonium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid, Diethylmethyl-(methoxyethyl)ammonium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid und Gemische davon.  Liquid is selected from 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, 1-methyl-1-propylpiperidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, butyltrimethylammonium bis ( trifluoromethylsulfonyl) imide, diethylmethyl (methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, and mixtures thereof.
3. Hybridsuperkondensator (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der 3. super hybrid capacitor (1) according to claim 1 or 2, wherein the
mindestens eine Lithium-haltige Leitzusatz ein Lithiumsalz ist.  at least one lithium-containing conductive additive is a lithium salt.
4. Hybridsuperkondensator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Lithiumsalz ausgewählt ist aus Lithiumchlorat (LiCI04), A hybrid supercapacitor (1) according to any one of claims 1 to 3, wherein the lithium salt is selected from lithium chlorate (LiCI0 4 ),
Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), Lithiumhexafluorphosphat (LiPFe), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsFe), Lithiumtrifluormethansulfonat Lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPFe), lithium hexafluoroarsenate (LiAsFe), lithium trifluoromethanesulfonate
(USO3CF3), Lithiumbis(trifluormethylsulphonyl)imid (LiN(S02CF3)2), Lithiumbis(pentafluorethylsulphonyl)imid (LiN(S02C2Fs)2), (USO3CF3), lithium bis (trifluoromethylsulphonyl) imide (LiN (SO 2 CF 3) 2 ), Lithium bis (pentafluoroethylsulphonyl) imide (LiN (SO 2 C 2 Fs) 2),
Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB, LiB(C204)2), Lithium bis (oxalato) borate (LiBOB, LiB (C 2 04) 2 ),
Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiBF2(C204)), Lithiumdifluor- tri(pentafluorethyl)phosphat (LiPF2(C2F5)3), und Gemischen davon. Lithium difluoro (oxalato) borate (LiBF 2 (C20 4 )), lithium difluorotri (pentafluoroethyl) phosphate (LiPF 2 (C 2 F 5) 3), and mixtures thereof.
Hybridsuperkondensator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das rein elektrochemische Redoxaktivmaterial ausgewählt ist aus LiFeP04, LiMn20 , Li2Mn03, LiCo02, LiNi02 und Li1.17Nio.17Coo.1Mno.56O2. Hybrid Super capacitor (1) according to any one of claims 1 to 4, wherein the purely electrochemical Redoxaktivmaterial is selected from LiFeP0 4, LiMn 2 0, Li 2 Mn0 3, LiCo0 2, LiNi0 2 and Li1.17Nio.17Coo.1Mno.56O2.
Hybridsuperkondensator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Hybrid supercapacitor (1) according to one of claims 1 to 5, characterized in that
die negative Elektrode (21) als Aktivmaterial ein rein statisch kapazitives Aktivmaterial umfasst, the negative electrode (21) comprises as active material a purely statically capacitive active material,
die positive Elektrode (22) als Aktivmaterial LiFeP04 oder ein Gemisch aus LiFeP04 und einem rein kapazitiven Aktivmaterial umfasst, und die Elektrolytzusammensetzung (15) 1-Butyl-l-methylpyrrolidinium- bis(trifluormethylsulfonyl)imid und Lithium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid umfasst. the positive electrode (22) comprises as active material LiFePO 4 or a mixture of LiFePO 4 and a purely capacitive active material, and the electrolyte composition (15) 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide and lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide includes.
Verwendung einer Zusammensetzung, umfassend mindestens eine ionische Flüssigkeit und mindestens einen Lithium-haltigen Leitzusatz als Elektrolytzusammensetzung (15) in einem Hybridsuperkondensator (1). Use of a composition comprising at least one ionic liquid and at least one lithium-containing conductive additive as the electrolyte composition (15) in a hybrid supercapacitor (1).
Verwendung nach Anspruch 7, wobei die Elektrolytzusammensetzung (15) l-Butyl-l-methylpyrrolidinium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid und Lithium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid umfasst. Use according to claim 7, wherein the electrolyte composition (15) comprises 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide and lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide.
Verwendung eines Hybridsuperkondensators (1) nach einem der Use of a hybrid supercapacitor (1) according to one of
Ansprüche 1 bis 8 in einem Fahrzeug, einem Werkzeug oder einem Consumer-Elektronik-Produkt. Claims 1 to 8 in a vehicle, a tool or a consumer electronics product.
Verwendung eines Hybridsuperkondensators (1) nach Anspruch 9 zur Speicherung von Rekuperationsenergie in einem Fahrzeug oder in Backup-Systemen für sicherheitskritische bzw. sicherheitsrelevante Komponenten, Systeme und/oder Subsysteme in einem Fahrzeug. Use of a hybrid supercapacitor (1) according to claim 9 for the storage of recuperation energy in a vehicle or in backup systems for safety-critical or safety-relevant components, systems and / or subsystems in a vehicle.
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