DE102012200827A1 - Verwendung eines Polymernetzwerkes als Kathodenmaterial für wiederaufladbare Batterien - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Chemie und der Energietechnik, insbesondere der Energiespeichertechnik, und betrifft die Verwendung eines Polymernetzwerkes als Kathodenmaterial, wie es insbesondere für organische wiederaufladbare Hochleistungsbatterien zur Anwendung kommen kann. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Verwendung eines Netzwerkes als Kathodenmaterial für wiederaufladbare Batterien, durch das die spezifische Energie der Batterien deutlich erhöht wird. Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung eines Polymernetzwerkes als Kathodenmaterial für wiederaufladbare Batterien, wobei als Netzwerk ein amorphes bipolares poröses Polymernetzwerk auf der Basis von Triazin als Kathodenmaterial eingesetzt wird.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Chemie und der Energietechnik, insbesondere der Energiespeichertechnik, und betrifft die Verwendung eines Polymernetzwerkes als Kathodenmaterial, wie es insbesondere für organische wiederaufladbare Hochleistungsbatterien zur Anwendung kommen kann.
- Wiederaufladbare Batterien bestehen grundsätzlich aus Anode, Kathode und einem Elektrolyten.
- Seit die grundlegenden Technologien für Li-Ionenbatterien erarbeitet worden sind (Whittingham, M. S. et al: Science 192, 1126–1127 (1976)), ist das Hauptaugenmerk der weiteren Forschung auf die Verbesserung der spezifischen Energie dieser Batterien auf das Kathodenmaterial gelegt worden (Mizushima, K. et al: Mater. Res. Bull. 15, 783–789 (1980), Barpanda, P. et al: Nature Mater. 10, 772–779 (2011)).
- Die hohen Kosten der gegenwärtigen Li-Ionenbatterien sind ein weiteres Problem, insbesondere beim Einsatz solcher Batterien in Elektroautos oder für Energiespeicherzwecke. Daher sind organische Materialien als Elektrodenmaterialien in den Blickpunkt der Forschungen gerückt, insbesondere aufgrund ihrer geringen Kosten. Als Kathoden auf Polymerbasis sind solche aus Polyacetylen bekannt (Nigrey, P. J. et al: J. Electrochem. Soc. 128, 1651–1654 (1981)). Verbesserte Eigenschaften konnten mit radikalischen Polymermaterialien erreicht werden (Nishide, H. et al: Electrochim. Acta 50, 827–831 (2004)).
- Weiterhin sind amorphe kovalente triazin-basierte Netzwerke (ACTF-1 – amorphous covalent triazin-based framework) bekannt. Die Poren des Netzwerkes mit einer Größe von ~1.5 nm sind von schichtähnlichen Strukturen (sheet-like structure) umgeben. Diese Netzwerke liegen als definiertes Netzwerk aus einer schichtartigen Struktur vor, jedoch ohne ein dreidimensionales regelmäßiges Netzwerk zu bilden (Kuhn, P. et al: Macromolecules 42, 319–326 (2009)).
- Nachteilig bei den bekannten Lösungen des Standes der Technik ist, dass die spezifische Energie der Batterien immer noch nicht ausreichend hoch ist.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Verwendung eines Netzwerkes als Kathodenmaterial für wiederaufladbare Batterien, durch das die spezifische Energie der Batterien deutlich erhöht wird.
- Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Erfindungsgemäß wird ein Polymernetzwerk als Kathodenmaterial für wiederaufladbare Batterien verwendet, wobei als Netzwerk ein amorphes bipolares poröses Polymernetzwerk auf der Basis von Triazin als Kathodenmaterial eingesetzt wird.
- Vorteilhafterweise werden Anionen des Elektrolytmaterials und Li+-Ionen für das Kathodenmaterial verwendet.
- Ebenfalls vorteilhafterweise wird das Netzwerk als Kathodenmaterial und Lithium als Anodenmaterial verwendet.
- Und weiterhin vorteilhafterweise wird als Elektrolyt 1M LiPF6 im Volumenverhältnis Ethylencarbonat: Dimetylencarbonat von 1:1 verwendet.
- Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich, die spezifische Energie von wiederaufladbaren Batterien unter Verwendung eines Netzwerkes aus einem amorphen bipolaren porösen Polymernetzwerk auf der Basis von Triazin als Kathodenmaterial deutlich zu erhöhen.
- Dies wird im Wesentlichen durch die Verwendung des speziellen Kathodenmaterials erreicht.
- Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Lösung ist folgende. Aufgrund der chemischen und bipolaren Struktur des Polymernetzwerkes ändert sich während des Ladens und Entladens der Kathode ihrer Ladungszustand durch einen kontinuierlichen, linearen bipolaren Redoxmechanismus. Der neutrale Zustand des Triazinrings überbrückt linear und kontinuierlich seinen oxidierten Zustand und den reduzierten Zustand durch den kontinuierlichen linearen Übergang der bipolaren Redoxmechanismen in Verbindung mit Anionen und Li+-Ionen entsprechend. Dementsprechend liegen sowohl Anionen als auch Li+-Ionen vor, die beide für die erfindungsgemäß erreichte Erhöhung der spezifischen Energie benötigt werden.
- Beispielsweise kann der Entladungsprozess von 4,5 auf 1,5 V gegenüber Li mit LiPF6 als Elektrolyt (PF6 – ist das Anion) so beschrieben werden:
Die erste Reaktion führt zu:[C3N3 +x(PF6 –)x] + xLi → (C3N3) + xLi+(PF6 –) (4.5–3.0 V gegen Li) (C3N3) + xLi → [C3N3 –x(Li+)x] (3.0–1.5 V gegen Li). - Die erfindungsgemäße Lösung zeigt eine hohe mechanische Stabilität auf, ebenso wie ein großes Arbeitspotential aufgrund eines schnellen Ionentransportes und einer großen Kathodenoberfläche.
- Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
- Beispiel 1
- Ein Netzwerk bestehend aus Triazinringen (C3N3) in amorpher Struktur wird zu einer Kathode verarbeitet. Dazu werden 70 Ma.-% amorphes CTF-1, 20 Ma.-% Ruß als leitfähiges Additiv und 10 Ma.-% Carboxymethylcellulose als Binder gemischt und mit einer Al-Folie als Stromabnehmer umhüllt. Das Polymernetzwerk wurde gemäß dem bekannten Verfahren nach P. Kuhn et al: Angew. Chem. Int. Ed. 47, 3450–3453 (2008) hergestellt. Das ACTF-1 wurde synthetisiert, indem eine Mischung aus p-Dicyanobenzen und ZnCl2 in einem Verhältnis von p-Dicyanobenzen/ZnCl2 von 0,1 in einem Quarzgefäß auf 400 °C aufgeheizt wurde. Eine Anode aus kommerziellem Li-Metall wird zusammen mit der Kathode elektrisch verbunden und in eine Swagelock-Zelle eingebaut, um die elektrochemischen Eigenschaften zu prüfen. Dazu werden die Anode und Kathode in der Zelle mit 1M LiPF6 als Elektrolyten positioniert. Glasfasern trennen die Kathode von der Anode. Die Zelle wird in einen Raum mit einer Ar-Atmosphäre überführt und in einem VMP3 (multichannel potentiostatic-galvanostatic system) geprüft.
- Die erreichte spezifische Energie beträgt 1,084 Wh kg–1 bei einer spezifischen Kraft von 13,238 W kg–1 bezogen auf die Kathodenmasse. Dies ist eine deutliche Verbesserung der spezifischen Energie gegenüber typischen Werten von 600 Wh kg–1 und für die spezifische Kraft von 500–2000 W kg–1 für Kathodenmaterialien nach dem Stand der Technik.
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- Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Whittingham, M. S. et al: Science 192, 1126–1127 (1976) [0003]
- Mizushima, K. et al: Mater. Res. Bull. 15, 783–789 (1980) [0003]
- Barpanda, P. et al: Nature Mater. 10, 772–779 (2011) [0003]
- Nigrey, P. J. et al: J. Electrochem. Soc. 128, 1651–1654 (1981) [0004]
- Nishide, H. et al: Electrochim. Acta 50, 827–831 (2004) [0004]
- Kuhn, P. et al: Macromolecules 42, 319–326 (2009) [0005]
- P. Kuhn et al: Angew. Chem. Int. Ed. 47, 3450–3453 (2008) [0019]
Claims (4)
- Verwendung eines Polymernetzwerkes als Kathodenmaterial für wiederaufladbare Batterien, wobei als Netzwerk ein amorphes bipolares poröses Polymernetzwerk auf der Basis von Triazin als Kathodenmaterial eingesetzt wird.
- Verwendung nach Anspruch 1 von Anionen des Elektrolytmaterials und Li+-Ionen für das Kathodenmaterial.
- Verwendung nach Anspruch 1 des Netzwerkes als Kathodenmaterial und Lithium als Anodenmaterial.
- Verwendung nach Anspruch 1 des Elektrolytes 1M LiPF6 im Volumenverhältnis Ethylencarbonat: Dimetylencarbonat von 1:1.
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