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Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
DE 10 2012 022 969 A1 ist eine elektrochemische Zelle bekannt, die dazu ausgestaltet ist, zumindest zeitweise elektrochemische Energie bereitzustellen. Die elektrochemische Zelle umfasst eine negative Elektrode mit einem Material, welches dazu geeignet ist Ladungsträger, insbesondere Lithium-Ionen, aufzunehmen und eine positive Elektrode mit einem Material, welches dazu geeignet ist Ladungsträger, insbesondere Lithium-Ionen, abzugeben. Weiterhin weist die elektrochemische Zelle einen Elektrolyten auf, welcher für den Transport der Ladungsträger, insbesondere von Lithium-Ionen, geeignet ist. Des Weiteren weist die elektrochemische Zelle mindestens eine Schutzeinrichtung auf, wobei die Schutzeinrichtung wenigstens ein Vorratsbehältnis, z. B. eine Mikrokapsel aufweist, die im Wesentlichen ein integraler Bestandteil von mindestens einer der Komponenten der elektrochemischen Zeile, insbesondere der Elektroden, ist und die mindestens eine Umhüllung aufweist, wobei die mindestens eine Schutzeinrichtung so ausgestaltet ist, dass bei Eintritt eines die elektrochemische Zelle schädigenden Einflusses, insbesondere Hitze, mindestens ein stabilisierender Zusatz, vorzugsweise ein chemischer-stabilisierender Zusatz aus der Umhüllung freigesetzt wird, wobei der stabilisierende Zusatz so ausgestaltet ist, dass dieser einer Schädigung der elektrochemischen Zelle, insbesondere der Elektroden, zumindest teilweise entgegenwirkt.
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Weiterhin ist aus der
US 2008/0160418 A1 eine wiederaufladbare Zelle mit einem nichtwässrigen Elektrolyt bekannt, welcher Maleimid-haltige Additive aufweist. Der Elektrolyt besteht dabei aus einem Alkali-Metall-Elektrolyt, einem nicht-wässrigen Lösungsmittel und Maleimid-haltigen Additiven. Die Maleimid-haltigen Additive weisen Maleimid-Monomere, bis-Maleimid-Monomore, bis-Maleimid-Oligomere oder Mischungen daraus auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten elektrochemischen Energiespeicher anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein elektrochemischer Energiespeicher umfasst zumindest eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Elektrolyt mit einem Additiv versetzt ist, welches als eine Komponente (RS)-1-(3-Dimethylaminopropyl)-1-(4-fluorphenyl)-3H-2-benzofuran-5-carbonitril und als weitere Komponente 5-Ethyl-5-isopentylbarbitursäure umfasst.
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Die Versetzung des Elektrolyten mit dem Additiv ermöglicht eine Ausbildung einer ionenselektiven Schutzschicht auf einer dem Elektrolyt zugewandten Oberflächenseite der Kathode und somit eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Stabilität der Kathode hinsichtlich eines Oberflächenverlusts bedingt durch chemisches Herauslösen chemisch aktiver Komponenten der Kathode während des Betriebs des elektrochemischen Energiespeichers. Daraus ergibt sich eine gegenüber dem Stand der Technik verlängerte Lebensdauer des elektrochemischen Energiespeichers. Die ionenselektive Schicht ist dabei für Ionen eines chemisch aktiven Materials der Anode, z. B. Lithium-Ionen, durchlässig, nicht aber für Polysulfide.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 schematisch eine Schnittdarstellung eines elektrochemischen Energiespeichers in einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
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Die einzige 1 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung, insbesondere einen Längsschnitt eines elektrochemischen Energiespeichers 1.
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Der elektrochemische Energiespeicher 1 umfasst eine negative Elektrode, im Folgenden als Anode 1.1 bezeichnet, und eine positive Elektrode, im Folgenden als Kathode 1.2 bezeichnet, die räumlich durch einen Elektrodenzwischenraum voneinander getrennt sind. In dem Elektrodenzwischenraum sind ein Elektrolyt 1.3 und ein ionenleitender Separator 1.4 angeordnet.
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Die Anode 1.1 und Kathode 1.2 sind jeweils als Festkörperelektroden ausgebildet, deren dem Elektrolyten 1.3 zugewandte Oberflächenseite mit einer elektrisch leitfähigen Matrix beschichtet ist. Die elektrisch leitfähige Matrix der Anode 1.1 umfasst beispielsweise eine elektrisch leitfähige Kohlenstoffstruktur, z. B. Graphit oder Ruß, und eine poröse Siliziumstruktur. Zwar weist Silizium eine gegenüber Kohlenstoff verringerte elektrische Leitfähigkeit auf, jedoch kann in eine Siliziumstruktur eine größere Menge chemisch aktives Material interkaliert werden. Als chemisch aktives Material wird beispielsweise Lithium oder Lithiumverbindungen in die elektrisch leitfähige Matrix der Anode 1.1 interkaliert. In die Kathode 1.2 wird als chemisch aktives Material beispielsweise Schwefel oder eine Schwefelverbindung interkaliert. Damit ist der vorliegende elektrochemische Energiespeicher 1 als Metall-Schwefel-Akkumulator, insbesondere als Lithium-Schwefel-Akkumulator ausgebildet.
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Der Elektrolyt 1.3 dient als Übertragungsmedium der zwischen der Anode 1.1 und der Kathode 1.2 ablaufenden chemischen Reaktion während des Ladens und Entladens. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Elektrolyt 1.3 im flüssigen Aggregatzustand und weist ein Lösungsmittel, z. B. Polyethylenglycol oder Derivate davon, auf.
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Die chemische Reaktion zwischen der Anode 1.1 und der Kathode 1.2 wird im Folgenden anhand des als Lithium-Schwefel-Akkumulator ausgebildeten elektrochemischen Energiespeichers 1 näher beschrieben.
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Beim Entladen wird das in der Anode 1.1 interkalierte Lithium in Lithium-Ionen und Elektronen oxidiert. Die Lithium-Ionen wandern über den Elektrolyten 1.3 durch den Separator 1.4 zur Kathode 1.2 während gleichzeitig die Elektronen über einen äußeren Stromkreis von der Anode 1.1 zur Kathode 1.2 übertragen werden, in den ein elektrischer Verbraucher 2 eingebunden ist. An der Kathode 1.2 werden die Lithium-Ionen durch eine Reduktionsreaktion aufgenommen, wobei das chemisch aktive Material der Kathode 1.2, hierbei Schwefel, zu Lithiumsulfid reduziert wird.
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Beim Laden des elektrochemischen Energiespeichers 1 wird an die Anode 1.1 und Kathode 1.2 eine Energiequelle angeschlossen. Dabei wird das Lithium aus dem Lithiumsulfid zu Lithium-Kationen und Elektronen oxidiert, wobei die Lithium-Kationen über den Elektrolyten 1.3 und die Elektronen über den äußeren Stromkreis zurück zur Anode 1.1 wandern.
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Bei einem folgenden Entladen des elektrochemischen Energiespeichers 1 können zusätzlich Polysulfide entstehen, die beim vorhergehenden Ladevorgang möglicherweise nicht vollständig zu elementaren Schwefel umgewandelt wurden. Diese Polysulfide können über den Elektrolyten 1.3 und den Separator 1.4 zur Anode 1.1 wandern und dort eine Lithiumsulfid-Schicht bilden, die eine Kapazität und damit eine Lebensdauer des elektrochemischen Energiespeichers 1 erheblich verringern. Zudem wird der in der elektrisch leitfähigen Matrix der Kathode 1.2 eingebundene Schwefel sukzessive abgebaut und ein Risiko eines Kurzschlusses zwischen der Anode 1.1 und der Kathode 1.2 steigt signifikant an.
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Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung vor, den Elektrolyten 1.3 mit einem Additiv zu versetzen, welches zur Ausbildung einer Schutzschicht 1.2.1 auf der Kathode 1.2 vorgesehen ist und somit ein ungewolltes Herauslösen des in der elektrisch leitfähigen Matrix der Kathode 1.2 eingebundenen Schwefels vermieden oder zumindest verringert werden kann.
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Das Additiv umfasst als eine erste Komponente (RS)-1-(3-Dimethylaminopropyl)-1-(4-fluorphenyl)-3H-2-benzofuran-5-carbonitril und als zweite Komponente 5-Ethyl-5-isopentylbarbitursäure. Die erste Komponente ist auch als Citalopram bekannt, welches ein Arzneistoff aus der Gruppe der selektiven Serotonin-Wiederaufnahmehemmer ist. Die zweite Komponente ist als Amobarbital bekannt, welches ein langwirkendes Barbiturat mit Wirkung auf die sogenannten GABAA-Rezeptoren ist.
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Vorzugsweise sind die erste Komponente mit 1,5 Vol.-% und die zweite Komponente mit 0,75 Vol.-% im Elektrolyten 1.3 gelöst.
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Das Additiv wird dem Elektrolyten 1.3 während der Herstellung des elektrochemischen Energiespeichers 1 hinzugefügt, wobei eine Umgebungstemperatur zwischen 18°C und 22°C für eine optimale Vermischung des Additivs mit dem Elektrolyten 1.3 erforderlich ist. Dabei wird das Additiv mit den zuvor angegebenen Anteilen der Komponenten dem Elektrolyten 1.3 hinzugefügt und dieser anschließend in den Elektrodenzwischenraum gefüllt. Die Herstellung des elektrochemischen Energiespeichers 1 ist somit auf sehr einfache Art und Weise möglich, da eine spezielle Vorbehandlung der Kathode 1.2 zur Ausbildung der Schicht 1.1.1 nicht erforderlich ist.
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Bestandteile des Additivs lagern sich an der dem Elektrolyten 1.3 zugewandten Oberflächenseite der Kathode 1.2 und der Anode 1.1 an bzw. scheiden sich an den Oberflächenseiten ab, wodurch insbesondere an der Kathode 1.2 die ionenselektive Schutzschicht 1.2.1 ausgebildet wird. Damit kann ein ungewolltes Herauslösen von Schwefel in Form von Polysulfiden in den Elektrolyten 1.3 effektiv verhindert oder zumindest derart verringert werden, dass eine Lebensdauer und Sicherheit des elektrochemischen Energiespeichers 1 gegenüber einer Kathode 1.2 ohne eine solche Schutzschicht 1.2.1 verbessert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012022969 A1 [0002]
- US 2008/0160418 A1 [0003]
