DE102021115802A1 - Electrochemical component and its use - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches Bauelement umfassend eine Aluminium-Anode und/oder ein Stromkollektor und eine aromatische Aminverbindung als aktives Kathodenmaterial, sowie die Verwendung des elektrochemischen Bauelements zur Stromversorgung eines elektronischen Geräts, zur Stromversorgung eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs oder zur Speicherung von elektrischer Energie innerhalb eines elektrischen Stromnetzes.The invention relates to an electrochemical component comprising an aluminum anode and/or a current collector and an aromatic amine compound as active cathode material, and the use of the electrochemical component to power an electronic device, to power a hybrid or electric vehicle, or to store electrical energy within an electrical power grid.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches Bauelement umfassend eine Anode und eine aromatische Aminverbindung als aktives Kathodenmaterial, sowie die Verwendung des elektrochemischen Bauelements zur Stromversorgung eines elektronischen Geräts, zur Stromversorgung eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs oder zur Speicherung von elektrischer Energie innerhalb eines elektrischen Stromnetzes.The invention relates to an electrochemical component comprising an anode and an aromatic amine compound as active cathode material, and the use of the electrochemical component to power an electronic device, to power a hybrid or electric vehicle, or to store electrical energy within an electrical power grid.

Stand der TechnikState of the art

Aufgrund der niedrigen Kosten, der geringen Entflammbarkeit und der hohen Kapazität (Drei-Elektronen-Redoxfähigkeit) des Metalls Aluminium stellen Aluminium-Ionen-Batterien in der Post-Lithium-Ära eine äußerst attraktive alternative Energiespeichertechnologie dar, um verschiedene tragbare elektronische Geräte und sogar Netzanwendungen zu betreiben.Due to the low cost, low flammability and high capacity (three-electron redox ability) of the metal aluminium, aluminum-ion batteries represent an extremely attractive alternative energy storage technology in the post-lithium era for various portable electronic devices and even grid applications to operate.

Basierend auf den aktiven Ladungsträgern können die bekannten Kathodenmaterialien grundsätzlich in drei Kategorien unterteilt werden: (1) p-Typ-Materialien, wie Graphit oder Graphen, fürAlCl4 --Speicherung, (2) n-Typ-Materialien, wie Schwefel, Metalldichalcogenide oder Metalloxide, für Al3+-Speicherung, (3) n-Typ-Materialien, wie Chinone, für AlCl2+-Speicherung. Bevorzugt werden als Kathodenmaterialien für Aluminium-Ionen-Batterien Graphit, Schwefel oder trianguläre Phenanthrenchinon-Makrozyklen verwendet.Based on the active charge carriers, the known cathode materials can basically be divided into three categories: (1) p-type materials such as graphite or graphene for AlCl 4 - storage, (2) n-type materials such as sulfur, metal dichalcogenides or metal oxides, for Al 3+ storage, (3) n-type materials, such as quinones, for AlCl 2+ storage. Graphite, sulfur or triangular phenanthrenequinone macrocycles are preferably used as cathode materials for aluminum ion batteries.

Wang et al. beschreiben die Verwendung von Aluminium-Ionen-Batterien umfassend eine Aluminiumanode, eine Graphitelektrode aus einem Film von natürlichen Graphitblättchen und einer ionischen Flüssigkeit als Elektrolyt (Wang et al. 2017).Wang et al. describe the use of aluminum-ion batteries comprising an aluminum anode, a graphite electrode made from a film of natural graphite flakes and an ionic liquid as the electrolyte (Wang et al. 2017).

Lin et al. offenbaren die Verwendung einer Anode aus metallischem Aluminium, einer dreidimensionalen Graphit-Schaum-Kathode sowie einer ionischen Flüssigkeit umfassend AlCl3/1-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid ([EMIm]CI) als Elektrolyt (Lin et al. 2015).Lin et al. disclose the use of an anode made of metallic aluminum, a three-dimensional graphite foam cathode and an ionic liquid comprising AlCl 3 /1-ethyl-3-methylimidazolium chloride ([EMIm]CI) as the electrolyte (Lin et al. 2015).

WO 2020/056514 A1 beschreibt die Verwendung eines Elektrolyten enthaltend Aluminiumchlorid und eine Amidverbindung, bevorzugt Harnstoff, N,N-Dimethylharnstoff oder Acetamid, in einer Aluminium-Ionen-Batterie mit Graphit-Kathode. WO 2020/056514 A1 describes the use of an electrolyte containing aluminum chloride and an amide compound, preferably urea, N,N-dimethylurea or acetamide, in an aluminum-ion battery with a graphite cathode.

EP 3229309 B1 beschreibt ein Aluminium-Luft-Sekundärelement bzw. einen Akkumulator umfassend eine Aluminiumanode und eine Kathode umfassend eine in ein Metallnetz gepresste Gasdiffusionsschicht, ausgewählt aus einer pyrolytischen Graphitfolie oder einem Kohlenstoffvliesstoff, und eine auf der Gasdiffusionsschicht dispergierte katalytische Farbe umfassend einen Metalloxidkatalysator ausgewählt aus RuO2, MnO2, IrO2, Ni2O3 und La2O3. EP 3229309 B1 describes an aluminium-air secondary element or an accumulator comprising an aluminum anode and a cathode comprising a gas diffusion layer pressed into a metal mesh, selected from a pyrolytic graphite foil or a carbon non-woven fabric, and a catalytic paint comprising a metal oxide catalyst selected from RuO 2 dispersed on the gas diffusion layer, MnO 2 , IrO 2 , Ni 2 O 3 and La 2 O 3 .

WO 2020/045793 A1 offenbart ein Aluminium-Luft-Sekundärelement umfassend eine Aluminiumanode und ein exfoliertes Übergangsmetallchalcogenit- und Graphenkomposit als Kathodenmaterial. WO 2020/045793 A1 discloses an aluminum-air secondary cell comprising an aluminum anode and an exfoliated transition metal chalcogenite and graphene composite cathode material.

Wang et al. offenbaren Aluminium-Ionen-Batterien unter Verwendung von Graphitkathoden umfassend einen starken Alginatbinder (Wang et al. 2018).Wang et al. disclose aluminum-ion batteries using graphite cathodes comprising a strong alginate binder (Wang et al. 2018).

Die Graphitkathode liefert eine hohe Entladespannung von bis zu 2 V, weist jedoch eine schnelle Selbstentladung auf, da Graphitkohle nicht als starkes Reduktionsmittel zur Speicherung von Anionen fungiert.The graphite cathode provides a high discharge voltage of up to 2V, but exhibits rapid self-discharge because graphite carbon does not function as a strong reducing agent to store anions.

Hu et al. offenbaren wiederaufladbare Aluminium-Batterien unter Verwendung von SnS2 auf einem Graphenoxid-Träger als Kathodenmaterial (Hu et al. 2017).Hu et al. disclose rechargeable aluminum batteries using SnS 2 on a graphene oxide support as cathode material (Hu et al. 2017).

Geng et al. beschreiben wiederaufladbare Aluminium-Batterien unter Verwendung von Chevrel-Phasen-Molybdän-Sulfid (Mo6S8) als Kathodenmaterial, wobei eine reversible Aluminiuminterkalation erfolgt (Geng et al. 2015). Geng et al. beschreiben die Verwendung ionischen Flüssigkeiten als Elektrolyten in Form einer Mischung aus AlCl3 und 1-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid ([BMlm]Cl) mit einem molaren Verhältnis von 1,5:1.Geng et al. describe rechargeable aluminum batteries using Chevrel phase molybdenum sulfide (Mo 6 S 8 ) as cathode material, with reversible aluminum intercalation occurring (Geng et al. 2015). Geng et al. describe the use of ionic liquids as electrolytes in the form of a mixture of AlCl 3 and 1-butyl-3-methylimidazolium chloride ([BMlm]Cl) with a molar ratio of 1.5:1.

Schwefel-Kathoden besitzen eine hohe theoretische Kapazität, weisen aber einen schnellen Kapazitätsabfall und eine kurze Zyklenlebensdauer (< 30 Zyklen) auf.Sulfur cathodes have a high theoretical capacity but exhibit rapid capacity decay and short cycle life (<30 cycles).

WO 2020/018881 A1 und Kim et al. offenbaren die Verwendung von makrozyklischen, substituierten und unsubstituierten Phenanthrenchinon-Verbindungen und Graphitblättchen als Kathodenmaterial bevorzugt für Aluminiumionenbatterien (Kim et al. 2018). Bevorzugt ist eine redoxaktive, trianguläre Anordnung von drei substituierten oder unsubstituierten Phenanthrenchinoneinheiten, die planare Überstrukturen bilden und zur reversiblen Insertion und Extraktion eines kationischen Aluminiumkomplexes führen. WO 2020/018881 A1 and Kim et al. disclose the use of macrocyclic, substituted and unsubstituted phenanthrenequinone compounds and graphite flakes as cathode material, preferably for aluminum ion batteries (Kim et al. 2018). Preferred is a redox-active triangular arrangement of three substituted or unsubstituted phenanthrenequinone units that form planar superstructures and result in reversible insertion and extraction of a cationic aluminum complex.

Die triangulären Phenanthrenchinon-Makrozyklen weisen eine moderate Zyklenstabilität und eine geringe Kapazität (-100 mAh/g) auf, welche weiter verbessert werden sollte.The triangular phenanthrenequinone macrocycles show moderate cycle stability and low capacity (-100 mAh/g), which should be further improved.

Derzeit ist die Entwicklung von Aluminium-Ionen-Batterien hauptsächlich durch die Kathodenmaterialien gehemmt. Nachteilig weisen bestehende Aluminium-Ionen-Batterien niedrige Kapazitäten, schnelle Kapazitätsabfälle und begrenzte Lebensdauern auf.At present, the development of aluminum ion batteries is mainly hampered by the cathode materials. Existing aluminum-ion batteries have the disadvantage of low capacities, rapid capacity drops and limited service lives.

Weiterhin erweist sich die reversible Einbringung der Aluminium(komplex)ionen in das Kathodenmaterialien als schwierig.Furthermore, the reversible introduction of the aluminum (complex) ions into the cathode materials proves to be difficult.

Aufgabe der Erfindungobject of the invention

Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, verbesserte elektrochemische Bauelemente unter Verwendung von Aluminium(komplex)ionen mit erhöhter Kapazität, verringertem Kapazitätsabfall und/oder verlängerter Lebensdauer bereitzustellen.The object of the present invention is therefore to provide improved electrochemical components using aluminum (complex) ions with an increased capacity, a reduced drop in capacity and/or a longer service life.

Wesen der Erfindungnature of the invention

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein elektrochemisches Bauelement umfassend eine Aluminiumanode und/oder einen Stromkollektor und ein aktives Kathodenmaterial, welches eine aromatische Aminverbindung ist, wobei die Elektronen mindestens eines Stickstoffs mit den π-Elektronen mindestens eines aromatischen Restes konjugiert sind.The object is achieved according to the invention by an electrochemical component comprising an aluminum anode and/or a current collector and an active cathode material which is an aromatic amine compound, the electrons of at least one nitrogen being conjugated with the π electrons of at least one aromatic residue.

Im Sinne der Erfindung ist eine aromatische Aminverbindung eine organische Verbindung mit mindestens einem Amin und mindestens einem aromatischen Substituenten, wobeidie NH2-, NH- und/oder N-Gruppe an mindestens ein aromatisches Kohlenstoffatom gebunden ist.For the purposes of the invention, an aromatic amine compound is an organic compound having at least one amine and at least one aromatic substituent, where the NH 2 , NH and/or N group is attached to at least one aromatic carbon atom.

Erfindungsgemäß befindet sich der mindestens eine Stickstoff der aromatischen Aminverbindung in Alpha-Position zu mindestens einem aromatischen Rest.According to the invention, the at least one nitrogen of the aromatic amine compound is in the alpha position to at least one aromatic radical.

Während des Betriebs des elektrochemischen Bauelements bildet die aromatische Aminverbindung mindestens ein radikalisches Aminkation. Vorteilhaft ermöglicht die starke ionische Bindung zwischen radikalischen Aminkationen und Anionen eine langsame Selbstentladung der elektrochemischen Bauelemente.During operation of the electrochemical device, the aromatic amine compound forms at least one free radical amine cation. Advantageously, the strong ionic bond between free-radical amine cations and anions allows slow self-discharge of the electrochemical components.

Erfindungsgemäß umfasst das elektrochemische Bauelement die folgenden Bestandteile:

  • a. mindestens eine Aluminium-Anode und/oder einen Stromkollektor,
  • b. mindestens eine Kathode umfassend mindestens ein aktives Kathodenmaterial, wobei das aktive Kathodenmaterial eine aromatische Aminverbindung ist, wobei in der aromatischen Aminverbindung die Elektronen mindestens eines Stickstoffs mit den π-Elektronen mindestens eines aromatischen Restes konjugiert sind,
  • c. mindestens einen Separator, und
  • d. mindestens einen Elektrolyten umfassend Aluminiumionen und/oder Aluminiumkomplexionen, wobei der Elektrolyt zwischen der Aluminium-Anode und/oder einen Stromkollektor und der Kathode angeordnet ist.
According to the invention, the electrochemical component comprises the following components:
  • a. at least one aluminum anode and/or a current collector,
  • b. at least one cathode comprising at least one active cathode material, wherein the active cathode material is an aromatic amine compound, wherein in the aromatic amine compound the electrons of at least one nitrogen are conjugated with the π-electrons of at least one aromatic residue,
  • c. at least one separator, and
  • i.e. at least one electrolyte comprising aluminum ions and/or aluminum complex ions, the electrolyte being arranged between the aluminum anode and/or a current collector and the cathode.

Vorteilhaft weist das erfindungsgemäße elektrochemische Bauelement eine hohe theoretische und einstellbare Kapazität (100 bis 300 mAh/g, bevorzugt 100 bis 250 mAh/g) auf, welche wesentlich höher als die Kapazität von Graphitelektroden (maximal 100 mAh/g) ist. Weiterhin vorteilhaft weist das elektrochemische Bauelement eine moderate Arbeitsspannung durch die Verwendung der Aminverbindungen (maximal 1,85 V, bevorzugt im Bereich von 1,1 V bis 1,85 V) auf, was mögliche Nebenreaktionen (AlCl4 -/Cl2) oder eine Korrosion eines Stromkollektors verhindert.The electrochemical component according to the invention advantageously has a high theoretical and adjustable capacity (100 to 300 mAh/g, preferably 100 to 250 mAh/g), which is significantly higher than the capacity of graphite electrodes (maximum 100 mAh/g). Furthermore advantageously, the electrochemical component has a moderate working voltage through the use of the amine compounds (maximum 1.85 V, preferably in the range from 1.1 V to 1.85 V), which possible side reactions (AlCl 4 - / Cl 2 ) or a Corrosion of a current collector prevented.

Die effiziente elektrochemische Reaktion von aromatischen Aminverbindungen und das Fehlen von Nebenreaktionen während des Betriebs bewirken eine lange Zyklenlebensdauer der erfindungsgemäßen elektrochemischen Bauelemente, bevorzugt einen Kapazitätserhalt nach über 4000 Zyklen von mindestens 90 %, besonders bevorzugt einen Kapazitätserhalt nach 4.000 Zyklen von mindestens 93,5 %.The efficient electrochemical reaction of aromatic amine compounds and the absence of side reactions during operation result in a long cycle life of the electrochemical components according to the invention, preferably a capacity retention after more than 4000 cycles of at least 90%, particularly preferably a capacity retention after 4000 cycles of at least 93.5%.

Weiter vorteilhaft können die erfindungsgemäßen elektrochemischen Bauelemente in einem weiten Temperaturbereich betrieben werden, bevorzugt im Bereich von weniger als -20 °C bis über 100 °C, wodurch ein stabiler und sicherer Betrieb von elektronischen Geräten, insbesondere tragbaren Geräten, wie Laptops oder Handys; oder Transportanwendungen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, oder innerhalb eines elektrischen Stromnetzes bzw. in stationären Energiespeichern möglich ist.Further advantageously, the electrochemical components according to the invention can be operated in a wide temperature range, preferably in the range from less than -20° C. to more than 100° C., as a result of which electronic devices, in particular portable devices such as laptops or mobile phones, can be operated in a stable and reliable manner. or transport applications, such as hybrid or electric vehicles, or within an electrical power grid or in stationary energy storage systems.

Darüber hinaus sind bei der Herstellung des erfindungsgemäßen elektrochemischen Bauelements, aufgrund der Verwendung von leicht verfügbaren Komponenten, insbesondere bei der Verwendung einer Aluminiumanode, eine deutliche Verringerung von Produktionskosten zu erwarten und damit eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit.In addition, in the production of the electrochemical component according to the invention, due to the use of readily available components, in particular when using an aluminum anode, a significant reduction in production costs and thus an increase in profitability are to be expected.

In Ausführungsformen ist das elektrochemische Bauelement eine Batterie, die mindestens eine elektrochemische Zelle umfasst.In embodiments, the electrochemical device is a battery that includes at least one electrochemical cell.

In Ausführungsformen ist das elektrochemische Bauelement aus einer Primärbatterie oder einer Sekundärbatterie ausgewählt. Unter dem Begriff „Primärbatterie“ wird eine nicht wieder aufladbare Batterie verstanden. Unter dem Begriff „Sekundärbatterie“ wird eine wieder aufladbare Batterie verstanden. In bevorzugten Ausführungsformen ist das elektrochemische Bauelement eine Sekundärbatterie.In embodiments, the electrochemical device is selected from a primary battery or a secondary battery. The term "primary battery" means a non-rechargeable battery. The term "secondary battery" means a rechargeable battery. In preferred embodiments, the electrochemical device is a secondary battery.

In Ausführungsformen ist das elektrochemische Bauelement eine duale lonen-Batterie. Unter dem Begriff „duale lonen-Batterie“ wird eine kombinierte Batterie verstanden, wobei aktive Spezies (Kationen und Anionen) an der elektrochemischen Reaktion beteiligt sind und aktive Spezies in Wirtsverbindungen eingelagert werden. Zweckmäßig werden Anionen in eine Anionenwirtsverbindung eingelagert wird.In embodiments, the electrochemical device is a dual ion battery. The term “dual ion battery” means a combined battery, where active species (cations and anions) are involved in the electrochemical reaction and active species are stored in host compounds. Conveniently, anions are intercalated into an anion host compound.

Erfindungsgemäß ist das elektrochemische Element eine Aluminiumionen-Batterie. In Aluminiumionen-Batterien geht das Elektrodenmaterial mit Aluminiumionen bzw. Aluminiumionenkomplexen Interkalationsverbindungen ein, wobei das Kathodenmaterial oxidiert und die Aluminiumionen bzw. Aluminiumionenkomplexe an der Anode reduziert und metallisches Aluminium an der Anode abgelagert wird. In Ausführungsformen wird während des Ladens der elektrochemischen Zelle ein AlClx-Komplex in die Kathode interkaliert.According to the invention, the electrochemical element is an aluminum ion battery. In aluminum ion batteries, the electrode material enters into intercalation compounds with aluminum ions or aluminum ion complexes, with the cathode material being oxidized and the aluminum ions or aluminum ion complexes being reduced at the anode and metallic aluminum being deposited at the anode. In embodiments, an AlCl x complex is intercalated into the cathode during charging of the electrochemical cell.

In Ausführungsformen ist das elektrochemische Bauelement eine Redox-Flow-Batterie (RFB). Unter dem Begriff „Redox-Flow-Batterie“, auch Flüssigbatterie oder Nasszelle genannt, wird eine Sekundärbatterie verstanden, wobei zwei energiespeichernde Elektrolyte, in Form von in Lösungsmitteln gelösten chemischen Verbindungen (Reaktionspartner), in zwei getrennten Kreisläufen zirkulieren, zwischen denen mittels einer Membran der lonenaustausch erfolgt.In embodiments, the electrochemical device is a redox flow battery (RFB). The term “redox flow battery”, also known as a liquid battery or wet cell, refers to a secondary battery in which two energy-storing electrolytes, in the form of chemical compounds (reactants) dissolved in solvents, circulate in two separate circuits, between which a membrane is used the ion exchange takes place.

In Ausführungsformen liegt das elektrochemische Bauelement in Form einer zylindrischen Zelle (mund), mit einer flachen Bauform (flat) oder mit einer eckigen Bauform (square) vor.In embodiments, the electrochemical component is in the form of a cylindrical cell (mouth), with a flat design (flat) or with an angular design (square).

In Ausführungsformen liegt das elektrochemische Bauelement in Form einer flexiblen bzw. verformbaren Zelle vor.In embodiments, the electrochemical device is in the form of a flexible or deformable cell.

In Ausführungsformen liegt das elektrochemische Bauelement in Form einer Swagelok-Zelle, einer Knopfzelle, einer zylindrischen 18650-Zelle oder einer Pouch-Zelle vor.In embodiments, the electrochemical device is in the form of a Swagelok cell, a button cell, a cylindrical 18650 cell, or a pouch cell.

Unter dem Begriff „Swagelok-Zelle“ wird eine zylindrische elektrochemische Zelle umfassend zwei oder drei Elektroden (Kathode, Anode und ggf. Graphitelektrode), einen Separator und externen Edelstahlkappen verstanden, wobei sich zwischen Anode und Kathode ein Elektrolyt befindet.The term "Swagelok cell" means a cylindrical electrochemical cell comprising two or three electrodes (cathode, anode and optionally graphite electrode), a separator and external stainless steel caps, with an electrolyte located between the anode and cathode.

Unter dem Begriff „Knopfzelle“ wird eine elektrochemische Zelle mit rundem Querschnitt verstanden, wobei die Höhe kleiner ist als der Durchmesser der Zelle. Bevorzugt weisen Knopfzellen eine Zellspannung im Bereich von 1,35 V bis 3,6 V auf.The term "button cell" means an electrochemical cell with a round cross-section, the height being smaller than the diameter of the cell. Button cells preferably have a cell voltage in the range from 1.35 V to 3.6 V.

Unter dem Begriff „18650-Zelle“ wird eine zylindrische elektrochemische Zelle mit einem Durchmesser von 18 mm und einer Länge von 65 mm verstanden.The term "18650 cell" means a cylindrical electrochemical cell with a diameter of 18 mm and a length of 65 mm.

Unter dem Begriff „Pouch-Zelle“ wird eine elektrochemische Zelle in Form eines Beutels verstanden, wobei die aktiven Schichten gestapelt oder gefaltet vorliegen und von einer flexiblen, Außenfolie, bevorzugt aus Aluminium, umschlossen sind. Vorteilhaft weisen Pouch-Zellen eine geringe Dicke, ein geringeres Gewicht und anwendungsspezifische Größen auf.The term “pouch cell” is understood to mean an electrochemical cell in the form of a pouch, the active layers being present in a stacked or folded state and being surrounded by a flexible outer film, preferably made of aluminum. Advantageously, pouch cells have a small thickness, a lower weight and application-specific sizes.

Erfindungsgemäß umfasst das elektrochemische Bauelement mindestens eine Aluminium-Anode und/oder einen Stromkollektor. Während des Betriebs des elektrochemischen Bauteils erfolgt die Abscheidung Aluminium an der Anode und/oder dem Stromkollektor reversibel.According to the invention, the electrochemical component comprises at least one aluminum anode and/or a current collector. During the operation of the electrochemical component, aluminum is deposited on the anode and/or the current collector in a reversible manner.

Das elektrochemische Bauelement umfassend einen Stromkollektor stellt eine Anoden-freie Batterie-Konfiguration dar. Zweckmäßig erfolgt eine Ablagerung von Aluminium auf dem Stromkollektor beim Laden der Batterie, wobei eine Aluminium-Anode gebildet wird.The electrochemical component comprising a current collector represents an anode-free battery configuration. Suitably, aluminum is deposited on the current collector when the battery is charged, forming an aluminum anode.

In Ausführungsformen umfasst der Stromkollektor mindestens ein leitendes Material, bevorzugt ausgewählt aus Kupfer, Karbongewebe, Karbonpapier und Graphenfilmen.In embodiments, the current collector comprises at least one conductive material, preferably selected from copper, carbon cloth, carbon paper, and graphene films.

In Ausführungsformen besteht die Anode aus Aluminium oder deren Legierungen. In Ausführungsformen besteht die Anode aus hochreinem Aluminium (5N) oder einer hochreinen Aluminiumlegierung (5N), die mindestens ein Metall, ausgewählt aus Magnesium, Zinn, Zink, Indium und Gallium enthält.In embodiments, the anode is made of aluminum or its alloys. In embodiments, the anode is made of high purity aluminum (5N) or a high purity aluminum alloy (5N) containing at least one metal selected from magnesium, tin, zinc, indium and gallium.

In Ausführungsformen ist die Aluminium-Anode eine Aluminiumfolie, ein Aluminiumstab oder umfasst Aluminiumpartikel. Bevorzugt ist die Aluminium-Anode eine Aluminiumfolie.In embodiments, the aluminum anode is aluminum foil, aluminum rod, or includes aluminum particles. The aluminum anode is preferably aluminum foil.

In weiteren Ausführungsformen umfasst die mindestens eine Aluminium-Anode und/oder Stromkollektor weiterhin ein Elektronen-leitendes Additiv und/oder ein Bindemittel.In further embodiments, the at least one aluminum anode and/or current collector further comprises an electron-conductive additive and/or a binder.

In Ausführungsformen ist das Elektronen-leitende Additiv aus Ruß, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Karbonfasern, Graphitpartikeln oder Naturgraphitflocken ausgewählt.In embodiments, the electron-conductive additive is selected from carbon black, graphene, carbon nanotubes, carbon fibers, graphite particles, or natural graphite flakes.

Unter dem Begriff „Ruß“ wird ein schwarzer, pulverförmiger Feststoff, enthaltend Kohlenstoff mit einem Anteil im Bereich von 80 % bis 100 %, verstanden.The term “soot” means a black, powdery solid containing carbon with a proportion in the range from 80% to 100%.

Unter dem Begriff „Graphen“ wird eine Modifikation des Kohlenstoffs, insbesondere ein polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoff, verstanden, wobei zweidimensionale Schichten von vierwertigen Kohlenstoffatomen vorliegen und jedes Kohlenstoffatom im Winkel von 120° von drei weiteren Kohlenstoffatomen umgeben ist.The term “graphene” is understood to mean a modification of carbon, in particular a polycyclic aromatic hydrocarbon, in which two-dimensional layers of tetravalent carbon atoms are present and each carbon atom is surrounded by three further carbon atoms at an angle of 120°.

Unter dem Begriff „Graphit“ wird eine Modifikation des Kohlenstoffs, insbesondere hexagonale Kohlenstoffkristalle, verstanden. Graphit liegt natürlich in Form von Flocken („Naturgraphitflocken“) oder Partikeln („Graphitpartikel“) vor. In Ausführungsformen weisen die Naturgraphitflocken eine Größe im Bereich von 20 µm bis 300 µm auf.The term "graphite" means a modification of carbon, in particular hexagonal carbon crystals. Graphite occurs naturally in the form of flakes (“natural graphite flakes”) or particles (“graphite particles”). In embodiments, the natural graphite flakes range in size from 20 μm to 300 μm.

In Ausführungsformen ist das Bindemittel aus Natriumalginat, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und Natrium-Carboxymethylcellulose ausgewählt.In embodiments, the binder is selected from sodium alginate, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene butadiene rubber (SBR), and sodium carboxymethyl cellulose.

Unter dem Begriff „Natrium-Carboxymethylcellulose“ werden Natriumsalze von Carboxymethylcellulosen (CMC) verstanden, welche Celluloseether sind, bei denen ein Teil der Hydroxygruppen der Cellulose als Ether mit einer Carboxymethyl-Gruppe (-CH2-COOH) verknüpft sind.The term “sodium carboxymethyl cellulose” is understood to mean sodium salts of carboxymethyl cellulose (CMC), which are cellulose ethers in which some of the hydroxy groups of the cellulose are linked to a carboxymethyl group (-CH 2 -COOH) as an ether.

Erfindungsgemäß ist das aktive Kathodenmaterial eine aromatische Aminverbindung, wobei die Elektronen mindestens eines Stickstoffs mit den π-Elektronen mindestens eines aromatischen Restes konjugiert sind. Zweckmäßig ist der mindestens eine Stickstoff kovalent mit dem mindestens einen aromatischen Rest gebunden.According to the invention, the active cathode material is an aromatic amine compound, the electrons of at least one nitrogen being conjugated with the π-electrons of at least one aromatic residue. The at least one nitrogen is expediently bonded covalently to the at least one aromatic radical.

In Ausführungsformen umfasst das aktive Kathodenmaterial eine aromatische Aminverbindung, ausgewählt aus einem Monomer, einem Oligomer oder Polymer. Unter dem Begriff „Oligomer“ wird ein Molekül, bestehend aus mehreren strukturell gleichen oder ähnlichen Einheiten (Monomer), bevorzugt aus zwei bis zehn strukturell gleichen oder ähnlichen Einheiten, verstanden. Unter dem Begriff „Polymer“ wird ein Molekül, bestehend aus mindestens einhundert strukturell gleichen oder ähnlichen Einheiten (Monomer) verstanden.In embodiments, the cathode active material comprises an aromatic amine compound selected from a monomer, an oligomer, or a polymer. The term "oligomer" is a molecule consisting of several structurally identical or similar units (monomer), preferably from two to ten structurally identical or similar units understood. The term "polymer" means a molecule consisting of at least one hundred structurally identical or similar units (monomer).

In Ausführungsformen weist die aromatische Aminverbindung mindestens einen Anilinrest und/oder Pyrrolrest auf.In embodiments, the aromatic amine compound has at least one aniline residue and/or pyrrole residue.

In Ausführungsformen umfasst die aromatische Aminverbindung mindestens zwei aromatische Reste, welche mit mindestens zwei Stickstoffatomen konjugiert sind, oder mindestens drei aromatische Reste, welche mit mindestens einem Stickstoffatom konjugiert sind.In embodiments, the aromatic amine compound comprises at least two aromatic groups conjugated with at least two nitrogen atoms or at least three aromatic groups conjugated with at least one nitrogen atom.

In Ausführungsformen sind in der aromatischen Aminverbindung mindestens zwei Stickstoffatome über eine konjugierte Brücke miteinander verknüpft. Konjugierte Brücke bedeutet im Sinne der Erfindung eine -CR1=CR1-, -C(=R1)-C(=R1)-, -CR1=CR2-C(=R1)- oder -CR1=CR2-CR2=CR1-Verknüpfung zwischen zwei Stickstoffatomen, wobei R1 aus einem aromatischen Rest ausgewählt ist und R2 H ist, wobei die Stickstoffatome über die konjugierte Brücke miteinander in Konjugation stehen. In Ausführungsformen weist das aromatischeAmin mindestens eine Gruppe R2N-CR1=CR1-NR2, R2-C(=R1)-C(=R1)-R2, R2N-CR1=CR2-C(=R1)-NR2 oder R2N-CR1=CR2-CR2=CR1-NR2 auf.In embodiments, the aromatic amine compound has at least two nitrogen atoms linked together through a conjugated bridge. In the context of the invention, conjugated bridge means a -CR1=CR1-, -C(=R 1 )-C(=R 1 )-, -CR 1 =CR 2 -C(=R 1 )- or -CR 1 =CR A 2 -CR 2 =CR 1 linkage between two nitrogen atoms, where R 1 is selected from an aromatic radical and R 2 is H, wherein the nitrogen atoms are conjugated to each other through the conjugated bridge. In embodiments, the aromatic amine has at least one group R 2 N-CR 1 =CR 1 -NR 2 , R 2 -C(=R 1 )-C(=R 1 )-R 2 , R 2 N-CR 1 =CR 2 -C(=R 1 )-NR 2 or R 2 N-CR 1 =CR 2 -CR 2 =CR 1 -NR 2 on.

In Ausführungsformen ist R1 aus einem Phenyl- oder Pyrrolrest ausgewählt.In embodiments, R 1 is selected from phenyl or pyrrole.

In Ausführungsformen weist die aromatische Aminverbindung mindestens ein Strukturelement nach Formel (I), (II) und/oder (III)

Figure DE102021115802A1_0001
auf.In embodiments, the aromatic amine compound has at least one structural element according to formula (I), (II) and/or (III)
Figure DE102021115802A1_0001
 on.

In bevorzugten Ausführungsformen ist die aromatische Aminverbindung aus den Verbindungen 1 bis 13 ausgewählt:

Figure DE102021115802A1_0002
Figure DE102021115802A1_0003
 In preferred embodiments, the aromatic amine compound is selected from compounds 1 to 13:
Figure DE102021115802A1_0002
Figure DE102021115802A1_0003

In Ausführungsformen ist n eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis 10.000.In embodiments, n is an integer ranging from 1 to 10,000.

In Ausführungsformen ist die aromatische Aminverbindung aus den Verbindungen 7 bis 11 ausgewählt.In embodiments, the aromatic amine compound is selected from compounds 7-11.

In Ausführungsformen umfasst die mindestens eine Kathode weiterhin ein Elektronen-leitendes Additiv und/oder ein Bindemittel.In embodiments, the at least one cathode further comprises an electron-conductive additive and/or a binder.

In Ausführungsformen ist das Elektronen-leitende Additiv aus Ruß, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Karbonfasern, Graphitpartikeln oder Naturgraphitflocken ausgewählt. In embodiments, the electron-conductive additive is selected from carbon black, graphene, carbon nanotubes, carbon fibers, graphite particles, or natural graphite flakes.

In Ausführungsformen ist das Bindemittel aus Natriumalginat, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und Natrium-Carboxymethylcellulose ausgewählt.In embodiments, the binder is selected from sodium alginate, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene butadiene rubber (SBR), and sodium carboxymethyl cellulose.

In Ausführungsformen umfasst das elektrochemische Bauelement weiterhin einen Stromkollektor für die Kathode. Unter dem Begriff „Stromkollektor“ wird ein Element zur Übertragung von elektrischer Energie von einem stromführenden Leiter (Kathode) zu einer elektrischen Vorrichtung verstanden. Zweckmäßig steht der Stromkollektor mit der Kathode in Kontakt.In embodiments, the electrochemical device further includes a current collector for the cathode. The term "current collector" means an element for transferring electrical energy from a current-carrying conductor (cathode) to an electrical device. The current collector is expediently in contact with the cathode.

In Ausführungsformen umfasst der Stromkollektor Karbongewebe, Karbonpapier, Karbonfasern, Graphenfilme, Glaskohlenstoff, Nickel, Tantal und/oder Wolfram.In embodiments, the current collector includes carbon cloth, carbon paper, carbon fibers, graphene film, glassy carbon, nickel, tantalum, and/or tungsten.

Unter dem Begriff „Karbonfasern“ werden graphitartig angeordnete Kohlenstoff-Fasern, welche aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien hergestellt werden, verstanden.The term “carbon fibers” is understood to mean carbon fibers arranged like graphite, which are produced from starting materials containing carbon.

Unter dem Begriff „Glaskohlenstoff“ wird ein synthetischer Werkstoff aus reinem Kohlenstoff mit einer Fulleren-artigen Mikrostruktur verstanden, welcher glasartige keramische Eigenschaften (chemische Stabilität) sowie Eigenschaften von Graphit (elektrische Leitfähigkeit) aufweist.The term "glassy carbon" is understood to mean a synthetic material made of pure carbon with a fullerene-like microstructure, which has glass-like ceramic properties (chemical stability) and properties of graphite (electrical conductivity).

Unter dem Begriff „Separator“ wird ein Bauteil in elektrochemischen Bauelementen verstanden, welches Kathode und Anode, d. h. die negative und positive Elektrode räumlich und elektrisch trennt und für Elektrolytionen durchlässig ist.The term "separator" is understood to mean a component in electrochemical components which comprises a cathode and anode, i. H. spatially and electrically separates the negative and positive electrodes and is permeable to electrolyte ions.

In Ausführungsformen ist der Separator eine mikroporöse Polymermembran, ein Glasfaser- oder ein Polymer-Vlies ist. In Ausführungsformen besteht der Separator aus Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen, Polyamid, Polypropylen oder Glasfaser.In embodiments, the separator is a microporous polymer membrane, a glass fiber or a polymer fleece. In embodiments, the separator consists of polyvinyl chloride (PVC), polyethylene, polyamide, polypropylene or glass fiber.

Bevorzugt ist der Separator ein Vlies aus Glasfaser.The separator is preferably a fiberglass fleece.

Erfindungsgemäß umfasst das elektrochemische Bauelement mindestens einen Elektrolyten umfassend Aluminiumionen und/oder Aluminiumionenkomplexe, wobei der Elektrolyt zwischen der Anode und/oder dem Stromkollektor und der Kathode angeordnet ist.According to the invention, the electrochemical component comprises at least one electrolyte comprising aluminum ions and/or aluminum ion complexes, the electrolyte being arranged between the anode and/or the current collector and the cathode.

In Ausführungsformen ist der Elektrolyt ein anorganischer und/oder ein organischer Elektrolyt. Unter dem Begriff „anorganischer Elektrolyt“ wird ein Elektrolyt umfassend mindestens eine anorganische Verbindung, welche in Ionen dissoziert und sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes gerichtet bewegt, verstanden.In embodiments, the electrolyte is an inorganic and/or an organic electrolyte. The term “inorganic electrolyte” is understood to mean an electrolyte comprising at least one inorganic compound which dissociates into ions and moves in a directed manner under the influence of an electric field.

Unter dem Begriff „organischer Elektrolyt“ wird ein Elektrolyt umfassend mindestens eine organische Verbindung, welche in Ionen dissoziertund sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes gerichtet bewegt, verstanden.The term "organic electrolyte" means an electrolyte comprising at least one organic compound which dissociates into ions and moves in a directed manner under the influence of an electric field.

In Ausführungsformen ist der Elektrolyt eine Lösung, umfassend ein Lösungsmittel, ausgewählt aus Wasser und/oder einem organischen Lösungsmittel.In embodiments, the electrolyte is a solution comprising a solvent selected from water and/or an organic solvent.

In Ausführungsformen umfasst der Elektrolyt ein geschmolzenes Salz. Bevorzugt umfasst der Elektrolyt eine ionische Flüssigkeit. Unter dem Begriff „Ionische Flüssigkeiten“ werden Salze verstanden, deren Schmelztemperatur weniger als 100 °C beträgt. Beispielsweise umfasst eine ionische Flüssigkeit als Kationen alkylierte Imidazolium-, Pyridinium-, Ammonium- oder Phosphonium-Ionen und als Anionen Halogenide, Tetrafluoroborate oder Trifluoromethansulfonimid.In embodiments, the electrolyte comprises a molten salt. The electrolyte preferably comprises an ionic liquid. The term "ionic liquids" refers to salts whose melting point is less than 100 °C. For example, an ionic liquid comprises alkylated imidazolium, pyridinium, ammonium or phosphonium ions as cations and halides, tetrafluoroborates or trifluoromethanesulfonimide as anions.

In bevorzugten Ausführungsformen ist der Elektrolyt ein geschmolzenes Salz, insbesondere eine ionische Flüssigkeit.In preferred embodiments, the electrolyte is a molten salt, especially an ionic liquid.

In Ausführungsformen umfasst der Elektrolyt ein Aluminiumsalz, bevorzugt ein Aluminiumhalogenid oder Aluminiumtriflat (Aluminiumtrifluormethansulfonat), besonders bevorzugt Aluminiumchlorid (AlCl3).In embodiments, the electrolyte comprises an aluminum salt, preferably an aluminum halide or aluminum triflate (aluminum trifluoromethanesulfonate), particularly preferably aluminum chloride (AlCl 3 ).

In weiteren Ausführungsformen umfasst Elektrolyt eine Mischung aus Aluminiumsalz und mindestens einer organischen Verbindung.In further embodiments, the electrolyte comprises a mixture of aluminum salt and at least one organic compound.

In Ausführungsformen umfasst der Elektrolyt eine ionische Flüssigkeit, umfassend ein organisches Salz, insbesondere ein Imidazoliumsalz, ein Pyrrolodiniumsalz, ein Phosphoniumsalz oder eine Kombination davon. Bevorzugt ist das organische Salz ein organisches Chlorid, insbesondere ein Imidazoliumchlorid, ein Pyrrolodiniumchlorid, ein Phosphoniumchlorid oder einer Kombination davon.In embodiments, the electrolyte comprises an ionic liquid comprising an organic salt, in particular an imidazolium salt, a pyrrolidinium salt, a phosphonium salt or a combination thereof. Preferably, the organic salt is an organic chloride, especially an imidazolium chloride, a pyrrolidinium chloride, a phosphonium chloride, or a combination thereof.

Bevorzugt umfasst der Elektrolyt eine Mischung aus 1-Ethyl-3-methylimidazolium-chlorid ([EMlm]CI), 1-Butyl-1-methyl-pyrrolidiniumchlorid oder 1-Butyl-1-methylpiperidiniumchlorid und Aluminiumchlorid (AlCl3), umfassend redoxaktive Chloroaluminatanionen (AlCl4 - and Al2Cl7 -).The electrolyte preferably comprises a mixture of 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride ([EMlm]Cl), 1-butyl-1-methylpyrrolidinium chloride or 1-butyl-1-methylpiperidinium chloride and aluminum chloride (AlCl 3 ), comprising redox-active chloroaluminate anions (AlCl 4 - and Al 2 Cl 7 - ).

In weiteren Ausführungsformen umfasst der Elektrolyt ein Amid, bevorzugt Harnstoff.In further embodiments, the electrolyte comprises an amide, preferably urea.

In Ausführungsformen liegt das molare Verhältnis von Aluminiumsalz zu organischen Halogenid oder Harnstoff im Elektrolyten in einem Bereich von 1:1 bis 2:1, bevorzugt in einem Bereich von 1:1 bis 1:5.In embodiments, the molar ratio of aluminum salt to organic halide or urea in the electrolyte is in a range from 1:1 to 2:1, preferably in a range from 1:1 to 1:5.

In weiteren Ausführungsformen ist der Elektrolyt ein geschmolzenes anorganisches Salz, bevorzugt eine Mischung aus einem Aluminiumhalogenid und Natriumchlorid (NaCl) und Kaliumchlorid (KCl), besonderes bevorzugt eine Mischung aus einem Aluminiumchlorid (AlCl3) und NaCl und KCl.In further embodiments, the electrolyte is a molten inorganic salt, preferably a mixture of an aluminum halide and sodium chloride (NaCl) and potassium chloride (KCl), more preferably a mixture of an aluminum chloride (AlCl 3 ) and NaCl and KCl.

In Ausführungsformen liegt das molare Verhältnis von AlCl3 und NaCl und KCl im Elektrolyten in einem Bereich von 1:1:0 bis 10:3:1.In embodiments, the molar ratio of AlCl 3 and NaCl and KCl in the electrolyte ranges from 1:1:0 to 10:3:1.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen elektrochemischen Bauelements zur Stromversorgung eines elektronischen Geräts, zur Stromversorgung eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs oder zur Speicherung von elektrischer Energie innerhalb eines elektrischen Stromnetzes.A further aspect of the invention relates to the use of the electrochemical component according to the invention for powering an electronic device, for powering a hybrid or electric vehicle or for storing electrical energy within an electrical power grid.

Vorteilhaft lösen die erfindungsgemäßen elektrochemischen Bauelemente beim Einsatz in elektronischen Geräten, insbesondere in Geräten der Unterhaltungselektronik, potenzielle Sicherheitsprobleme durch Brand- und/oder Explosionsgefahr im Zusammenhang mit Lithiumlonen-Batterien. Die Ungefährlichkeit der Komponenten, der elektrochemischen Bauelemente sorgt für eine insgesamt einfache Handhabung bei der Verwendung sowie beim Transport.The electrochemical components according to the invention advantageously solve potential safety problems due to the risk of fire and/or explosion in connection with lithium ion batteries when used in electronic devices, in particular in entertainment electronics devices. The harmlessness of the components, the electrochemical components, ensures overall easy handling during use and transport.

Ein weiterer Aspekt die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lieferung von elektrischer Energie an eine externe Vorrichtung, umfassend:

  1. (a) Bereitstellen eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Bauelements,
  2. (b) Verbinden des elektrochemischen Bauelements mit einer externen Vorrichtung und
  3. (c) Fließen lassen von elektrischer Energie von dem elektrochemischen Bauelement zu der externen Vorrichtung.
Another aspect of the invention relates to a method for supplying electrical energy to an external device, comprising:
  1. (a) providing an electrochemical component according to the invention,
  2. (b) connecting the electrochemical device to an external device and
  3. (c) flowing electrical energy from the electrochemical device to the external device.

In Ausführungsformen ist das elektrochemische Bauelement eine Batterie, bevorzugt eine Sekundärbatterie.In embodiments, the electrochemical device is a battery, preferably a secondary battery.

In weiteren Ausführungsformen ist die externe Vorrichtung ein elektronisches Gerät oder ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug.In other embodiments, the external device is an electronic device or a hybrid or electric vehicle.

In weiteren Ausführungsformen ist das elektrochemische Bauelement eine Komponente einer Batterie, die zur Speicherung elektrischer Energie in einem elektrischen Stromnetz verwendet wird, wobei die Vorrichtung mit dem elektrischen Stromnetz verbunden ist.In further embodiments, the electrochemical device is a component of a battery used to store electrical energy in an electrical power grid, the device being connected to the electrical power grid.

Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zu kombinieren.For the realization of the invention, it is also expedient to combine the above-described embodiments and features of the claims.

Dieses Projekt wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm EU PET Graphene Flagship Corez 785219 der Europäischen Union gefördert.This project was funded by the EU PET Graphene Flagship Corez 785219 research and innovation program of the European Union.

Ausführungsbeispieleexemplary embodiments

Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und zugehöriger Figuren eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.The invention will be explained in more detail below with reference to some exemplary embodiments and associated figures. The exemplary embodiments are intended to describe the invention without restricting it.

Es zeigen die

  • 1 ein Schema einer erfindungsgemäßen Aluminium (Al)-Amin-Batterie.
  • 2 ein Lade-Entlade-Profil einer erfindungsgemäßen Batterie.
  • 3 die Leistungsfähigkeit einer erfindungsgemäßen AI-Batterie bei unterschiedlichen Stromstärken.
  • 4 die Langzeit-Zyklenstabilität einer erfindungsgemäßen AI-Batterie bei 1 A/g.
  • 5 das Zyklenverhalten einer erfindungsgemäßen AI-Batterie unter verschiedenen Aktivmaterialbeladungen bei 0,1 A/g.
  • 6 das Selbstentladungstest einer erfindungsgemäßen AI-Batterie bei 25°C. Die Batterie wurde zunächst mit 0,1 A/g vollständig geladen und stand dann für eine bestimmte Zeit im Leerlauf. Danach wurde die Batterie mit 0,1 A/g vollständig entladen.
  • 7 Selbstentladungstest einer erfindungsgemäßen Al-Amin-Batterie bei verschiedenen Temperaturen.
It show the
  • 1 a schematic of an aluminum (Al) amine battery according to the invention.
  • 2 a charge-discharge profile of a battery according to the invention.
  • 3 the performance of an AI battery according to the invention at different current levels.
  • 4 the long-term cycle stability of an AI battery according to the invention at 1 A/g.
  • 5 the cycle behavior of an Al battery according to the invention with different active material loadings at 0.1 A/g.
  • 6 the self-discharge test of an AI battery according to the invention at 25°C. The battery was first fully charged with 0.1 A/g and then stood idle for a certain time. Thereafter, the battery was fully discharged at 0.1 A/g.
  • 7 Self-discharge test of an Al-amine battery according to the invention at different temperatures.

Alle Chemikalien wurden von Sigma Aldrich und Alfa Aesar bezogen.All chemicals were sourced from Sigma Aldrich and Alfa Aesar.

Ausführungsbeispiel 1: Aluminium-Ionen-BatterieExemplary embodiment 1: aluminum ion battery

Das Funktionsprinzip einer erfindungsgemäßen Aluminium-Ionen-Batterie ist in 1. dargestellt. An den Elektroden laufen die folgenden Reaktionen ab: N + AlCl4 - ↔ N+(AlCl4)- + e- Kathode: 4 Al2Cl7 - + 3 e- ↔ Al + 7 AlCl4 - Anode: The functional principle of an aluminum-ion battery according to the invention is 1 . shown. The following reactions take place at the electrodes: N + AlCl 4 - ↔ N + (AlCl 4 ) - + e - cathode: 4 Al 2 Cl 7 - + 3 e - ↔ Al + 7 AlCl 4 - anode:

Als Kathode wird eine erfindungsgemäße aromatische Aminverbindung verwendet, insbesondere 4,4',4"-Tris(diphenylamino)triphenylamin (9). Die 4,4',4"-Tris(diphenylamino)triphenylamin-Elektrode wurde durch Mischen von 9 mit Ruß und Natriumalginat in einem Massenverhältnis von 8:1:1 hergestellt. Als Lösungsmittel wurde Wasser verwendet. Die Elektrode wurde in einem Vakuumofen bei 80 °C für 8 h getrocknet.An aromatic amine compound according to the invention is used as the cathode, in particular 4,4',4"-tris(diphenylamino)triphenylamine (9). The 4,4',4"-tris(diphenylamino)triphenylamine electrode was prepared by mixing 9 with carbon black and sodium alginate in a mass ratio of 8:1:1. Water was used as the solvent. The electrode was dried in a vacuum oven at 80°C for 8 hours.

Als Anodenmaterial wurde eine Aluminiumfolie verwendet. In alternativen Ausführungsbeispielen wurde Karbongewebe, Karbonpapier und Graphenpapier verwendet.Aluminum foil was used as the anode material. In alternative embodiments, carbon cloth, carbon paper and graph paper have been used.

Als Elektrolyt wurde eine Mischung von 1-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid und AlCl3 in einem Verhältnis von 1:2 verwendet. In alternativen Ausführungsbeispielen wurde eine Mischung von 1-Butyl-1-methylpyrrolidiniumchlorid und AlCl3 in einem Verhältnis von 1:1 bzw. 1:2 und eine Mischung von 1-Butyl-1-methylpiperidiniumchlorid und AlCl3 in einem Verhältnis von 1:1 bzw. 1:2 verwendet. Der Al-Elektrolyt wurde in der Glove-Box durch Mischen von 1-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid mit AlCl3 in einem molaren Verhältnis von 1:2 hergestellt. Der Elektrolyt wurde 2 h lang gerührt, um eine klare Flüssigkeit zu erhalten.A mixture of 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride and AlCl 3 in a ratio of 1:2 was used as the electrolyte. In alternative embodiments, a mixture of 1-butyl-1-methylpyrrolidinium chloride and AlCl 3 in a 1:1 and 1:2 ratio, respectively, and a mixture of 1-butyl-1-methylpiperidinium chloride and AlCl 3 in a 1:1 ratio or 1:2 used. The Al electrolyte was prepared in the glove box by mixing 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride with AlCl 3 in a 1:2 molar ratio. The electrolyte was stirred for 2 hours to obtain a clear liquid.

Die erfindungsgemäße Aluminium-Ionen-Batterie wurde in der Glove-Box zusammengebaut. 0,1 ml des Al-Elektrolyten wurden zusammen mit Glasfasern als Separator zugegeben. Für die Leistungsuntersuchung wurden sowohl Swagelok- als auch Pouch-Zellen gebaut.The aluminum ion battery of the present invention was assembled in the glove box. 0.1 ml of the Al electrolyte was added along with glass fibers as a separator. Both Swagelok and pouch cells were built for the performance study.

Die Ergebnisse der Leistungsuntersuchungen sind in den 2 bis 7 dargestellt.The results of the performance tests are in the 2 until 7 shown.

Zitierte NichtpatentliteraturNon-patent literature cited

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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Claims (14)

Elektrochemisches Bauelement umfassend a. mindestens eine Aluminium-Anode und/oder ein Stromkollektor, b. mindestens eine Kathode umfassend mindestens ein aktives Kathodenmaterial, wobei das aktive Kathodenmaterial eine aromatische Aminverbindung ist, wobei in der aromatischen Aminverbindung die Elektronen mindestens eines Stickstoffs mit den π-Elektronen mindestens eines aromatischen Restes konjugiert sind, c. mindestens einen Separator, und d. mindestens einen Elektrolyten umfassend Aluminiumionen oder Aluminiumionenkomplexe, wobei der Elektrolyt zwischen der Anode und/oder ein Stromkollektor und der Kathode angeordnet ist.Electrochemical component comprising a. at least one aluminum anode and/or a current collector, b. at least one cathode comprising at least one active cathode material, wherein the cathode active material is an aromatic amine compound, wherein in the aromatic amine compound the electrons of at least one nitrogen are conjugated with the π-electrons of at least one aromatic residue, c. at least one separator, and i.e. at least one electrolyte comprising aluminum ions or aluminum ion complexes, wherein the electrolyte is interposed between the anode and/or a current collector and the cathode. Das elektrochemische Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Bauelement eine Sekundärbatterie ist.The electrochemical component claim 1 , characterized in that the electrochemical component is a secondary battery. Das elektrochemische Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor mindestens ein leitendes Material, ausgewählt aus Kupfer, Karbongewebe, Karbonpapier und Graphenfilmen, umfasstThe electrochemical component claim 1 or 2 , characterized in that the current collector comprises at least one conductive material selected from copper, carbon cloth, carbon paper and graphene films Das elektrochemische Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aromatische Aminverbindung mindestens einen Anilinrest und/oder Pyrrolrest aufweist.The electrochemical device according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the aromatic amine compound has at least one aniline residue and/or pyrrole residue. Das elektrochemische Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aromatische Aminverbindung mindestens ein Strukturelement nach Formel (I), (II) und/oder (III)
Figure DE102021115802A1_0004
aufweist.The electrochemical device according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the aromatic amine compound contains at least one structural element according to formula (I), (II) and/or (III)
Figure DE102021115802A1_0004
 having. Das elektrochemische Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kathode weiterhin ein Elektronen-leitendes Additiv und/oder ein Bindemittel umfasst.The electrochemical device according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the at least one cathode further comprises an electron-conductive additive and/or a binder. Das elektrochemische Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronen-leitende Additiv ausgewählt ist aus Ruß, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Karbonfasern, Graphitpartikeln oder Naturgraphitflocken.The electrochemical component claim 6 , characterized in that the electron-conductive additive is selected from carbon black, graphene, carbon nanotubes, carbon fibers, graphite particles or natural graphite flakes. Das elektrochemische Bauelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ausgewählt ist aus Natriumalginat, Polyvinylidenfluorid, Polytetrafluorethylen, Styrol-Butadien-Kautschuk und Natrium-Carboxymethylcellulose.The electrochemical component claim 6 or 7 , characterized in that the binder is selected from sodium alginate, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, styrene butadiene rubber and sodium carboxymethyl cellulose. Das elektrochemische Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator eine mikroporöse Polymermembran, ein Glasfaser- oder ein Polymer-Vlies ist.The electrochemical device according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that the separator is a microporous polymer membrane, a glass fiber or a polymer fleece. Das elektrochemische Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt ein geschmolzenes Salz umfasst.The electrochemical device according to one of Claims 1 until 9 , characterized in that the electrolyte comprises a molten salt. Das elektrochemische Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt ein Aluminiumhalogenid umfasst.The electrochemical device according to one of Claims 1 until 10 , characterized in that the electrolyte comprises an aluminum halide. Das elektrochemische Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend weiterhin einen Stromkollektor für die Kathode.The electrochemical device according to one of Claims 1 until 11 , further comprising a current collector for the cathode. Das elektrochemische Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor für die Kathode mindestens ein leitendes Material, ausgewählt aus Karbongewebe, Karbonpapier, Karbonfasern, Graphenfilme, Glaskohlenstoff, Nickel, Tantal und/oder Wolfram umfasst.The electrochemical component claim 12 , characterized in that the current collector for the cathode comprises at least one conductive material selected from carbon cloth, carbon paper, carbon fibers, graphene film, glassy carbon, nickel, tantalum and/or tungsten. Verwendung eines elektrochemischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Stromversorgung eines elektronischen Geräts, zur Stromversorgung eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs oder zur Speicherung von elektrischer Energie innerhalb eines elektrischen Stromnetzes.Use of an electrochemical component according to one of Claims 1 until 13 to power an electronic device, to power a hybrid or electric vehicle, or to store electrical energy within an electrical power grid.
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