DE102010033020A1 - Lithium-air battery with high oxygen saturation - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein sekundäres Lithium-Luft-Batteriesystem, das eine hohe Leistungsabgabe und Reversibilität hat. Ein solches Batteriesystem ist geschichtet aufgebaut aus einer Lithium-Anode (3), einer Kathode (4), einem zwischen der Anode (3) und der Kathode (4) angeordneten Separator (5), der durchlässig ist für Lithiumionen, einen den Separator (5) und die Kathode (4) benetzenden Elektrolyt (6), einen Kontaktbereich (10) über den der Elektrolyt (6) in Wechselwirkung mit Sauerstoff steht, sowie Elektroden (7) und (8) und einem Gehäuse (19), in dem sich zumindest der Kontaktbereich (10) befindet. Erfindungsgemäß befindet sich in dem Gehäuse (19) komprimierte Luft, wodurch eine höhere Sauerstoffsättigung in dem Elektrolyt erreicht wird. Vorteilhaft weist das Batteriesystem (1) hierzu eine Pumpe (16) auf, mittels der die Luft komprimiert wird. Das Lithium-Luft-Batteriesystem ist insbesondere für Kraftfahrzeuge geeignet.The invention relates to a secondary lithium-air battery system that has a high power output and reversibility. Such a battery system is constructed in layers from a lithium anode (3), a cathode (4), a separator (5) arranged between the anode (3) and the cathode (4), which is permeable to lithium ions, and a separator ( 5) and the cathode (4) wetting electrolyte (6), a contact area (10) through which the electrolyte (6) interacts with oxygen, as well as electrodes (7) and (8) and a housing (19) in which there is at least the contact area (10). According to the invention there is compressed air in the housing (19), as a result of which a higher oxygen saturation is achieved in the electrolyte. For this purpose, the battery system (1) advantageously has a pump (16) by means of which the air is compressed. The lithium-air battery system is particularly suitable for motor vehicles.
Description
Die Erfindung betrifft ein sekundäres Lithium-Luft-System gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a secondary lithium-air system according to the preamble of
Neben den Blei-Akkumulatoren werden als sekundäre Batterien (d. h. wieder aufladbare Batterien) insbesondere Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen-Batterie) und Nickel-Metallhydrid-Batterien (Ni-MH-Batterie) für die Fahrzeugtraktion und für weitere mobile Stromversorgungen (insbesondere für Elektrogeräte wie Laptops, Handys etc.). verwendet. Die Energiedichte dieser Systeme weist eine systembedingte Limitierung auf (derzeitige Li-Ionen-Batterien: 180 Wh/kg; Ni-MH-Batterien: 80 Wh/kg). Beim Einsatz im Kraftfahrzeug bleibt die mit diesen Systemen erreichbare Reichweite derzeit meist noch unterhalb von 100 km. Selbst für den Fall, dass die theoretisch mögliche Energiedichte dieser Systeme erzielt werden könnte, würde deren Reichweite immer noch nicht die von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren erreichen können. Lithium-Ionen-Batterien eignen sich daher eher für den Kurzstreckenbetrieb, etwa in reinen Stadtfahrzeugen, oder aber in Hybridsystemen in Kombination mit einem herkömmlichen Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle. Langfristig müssen daher alternative Batteriesysteme entwickelt werden, die eine wesentlich höhere Reichweite ermöglichen. Eine in Bezug auf die maximal erzielbare Energiedichte weiter verbesserte Lösung stellen Lithium-Luft-Zellen dar. Die mit diesen Zellen maximal erzielbaren Energiedichten liegen oberhalb von 12.000 Wh/kg bei einer Spannung von 2,91 V (
Die zu Grunde liegende chemische Reaktion ist die Umsetzung von Lithium mit Luftsauerstoff:
In organischen Lösungsmitteln geht die Reaktion dabei nur bis zum Peroxid:
Sekundäre Lithium-Luft-Zellen haben bislang jedoch eine zu geringe Reversibilität, so dass sie bislang nicht zum Einsatz kommen. Lediglich der Einsatz der primären (d. h. nicht wieder aufladbaren) Lithium-Sauerstoff-Zellen für den Einsatz in Kleingeräten oder für militärische Anwendungen konnte bisher erfolgreich betrieben werden (
Im Gegensatz zu primären Lithium-Luft-Zellen, die mit wässrigem Elektrolyt betrieben werden, wird mit organischem Elektrolyt eine Zyklisierbarkeit der Zellen, d. h. Ladefähigkeit durch weitgehende Reversibilität der Zellreaktionen erreicht. Die gegenwärtigen Lithium-Luft-Zellen besitzen allerdings immer noch eine nur eingeschränkte Reversibilität. Die eingeschränkte Zyklenfähigkeit wird unter anderem vom verwendeten Katalysator auf der Kathodenseite sowie dem Aufbau der Kathode bestimmt, darüber hinaus aber auch von Verunreinigungen sowie Abbau- und Passivierungserscheinungen der Lithium-Anode. Pro Lade-/Entladezyklus treten bislang Kapazitätsverluste im Bereich von über 10% auf (
Als Kathode werden in Lithium-Luft-Zellen gängige Luftelektroden eingesetzt, wie sie z. B. in Zink-Luft-Batterien oder aber auch in Brennstoffzellen angewendet werden. Sie bestehen meist aus mehreren Schichten beginnend mit einer porösen wasserabweisenden Teflon/Graphitschicht, der eigentlichen Katalysatorschicht sowie einer stromableitenden Folie, die meist aus Nickel ist. Die Katalysatorschicht ist üblicherweise eine Mischung aus Metalloxiden, z. B. MnO2, porösem Graphitpulver sowie einem Binder. Neben MnO2 sind auch Metall-Phtalocyanine mit Co, Fe, Mn und/oder Cu sowie auch hochdisperses Platin, bzw. Platin/Ruthenium, Silber und Rutheniumoxid als Katalysator einsetzbar.As the cathode common air electrodes are used in lithium-air cells, as z. B. in zinc-air batteries or even in fuel cells. They usually consist of several layers starting with a porous water-repellent Teflon / graphite layer, the actual catalyst layer and a stromableitenden film, which is usually made of nickel. The catalyst layer is usually a mixture of metal oxides, e.g. As MnO 2 , porous graphite powder and a binder. In addition to MnO 2 , it is also possible to use metal phthalocyanines with Co, Fe, Mn and / or Cu and also highly disperse platinum or platinum / ruthenium, silver and ruthenium oxide as catalyst.
Neben der eingeschränkten Reversibilität ist die starke Temperaturabhängigkeit der Energie- und Leistungsdichte im Vergleich zu Lithium-Ionen-Zellen ein Problem derzeitiger Lithium-Luft-Zellen (
Ein weiteres großes Problem der Lithium-Luft-Zelle ist auch die ausgeprägte Polarisation der Lade-/Entladekurven sowie die große Differenz zwischen der Lade- und Entladespannung, was zu erheblichen Wirkungsgradverlusten führt. (
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sekundäres Lithium-Luft-Batteriesystem mit verbesserter Reversibilität und/oder höherer Leistungsabgabe bereitzustellen. Zur Aufgabe gehört auch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Lithium-Luft-Batteriesystems.The invention has for its object to provide a secondary lithium-air battery system with improved reversibility and / or higher power output. The task also includes a method for operating such a lithium-air battery system.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Lithium-Luft-Batteriesystem gemäß dem Anspruch 1. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst mit den Maßnahmen des Anspruchs 7. Die Unteransprüche zeigen besonders vorteilhafte Ausführungsformen.This object is achieved with a lithium-air battery system according to
Das erfindungsgemäße sekundäre Lithium-Luft-Batterie System ist insbesondere für die Anwendung bei Automobilen geeignet und basiert auf einer Sauerstoffanreicherung im Elektrolyt, der als Sauerstoffträger fungiert. Diese Sauerstoffanreicherung wird durch einen gegenüber dem Umgebungsluftdruck erhöhten Luftbetriebsdruck erreicht.The secondary lithium-air battery system according to the invention is particularly suitable for use in automobiles and is based on an oxygen enrichment in the electrolyte, which acts as an oxygen carrier. This oxygen enrichment is achieved by a relative to the ambient air pressure increased air operating pressure.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Beladung des Elektrolyten mit Sauerstoff durch Druckluft. Hierbei ist ein konstanter Überdruck einstellbar, insbesondere jedoch erfolgt die Beaufschlagung mit Druckluft in Abhängigkeit von der jeweiligen Lastanforderung an die Zelle.According to the present invention, the electrolyte is charged with oxygen by compressed air. In this case, a constant pressure is adjustable, but in particular, the application of compressed air in response to the respective load request to the cell.
Nach dem Henryschen Gesetz ist die Löslichkeit eines als ideal angenommenen Gases proportional seinem Druck über der Lösung:
- Xs,2
- = Löslichkeit des Gases
- P
- = Druck des Gases über der Lösung.
- X s, 2
- = Solubility of the gas
- P
- = Pressure of the gas over the solution.
Somit kann durch eine Verdopplung des Sauerstoffdruckes auch annähernd eine Verdopplung der Sauerstoffkonzentration in Elektrolyten und damit eine erhebliche Verbesserung der Sauerstoffkathode erreicht werden. Hinzu kommt, dass durch die Druckerhöhung eine Verbesserung der Erschließung eventueller Totzonen in den Poren der Elektrode erreicht wird, so dass die Voraussetzungen für die elektrochemischen Vorgänge in der Zelle auch in Bereichen der Kathode gewährleistet sind, die ohne diese Druckerhöhung inaktiv wären.Thus, by doubling the oxygen pressure also approximately a doubling of the oxygen concentration in electrolytes and thus a considerable improvement of the oxygen cathode can be achieved. In addition, an improvement in the development of potential dead zones in the pores of the electrode is achieved by the pressure increase, so that the conditions for the electrochemical processes in the cell are ensured even in areas of the cathode, which would be inactive without this pressure increase.
Vorteilhaft wird der Betriebsdruck der Zelle zumindest zeitweilig auf mindestens 1,5 bar, vorzugsweise mindestens 1,9 bar erhöht. Je nach Sicherheitsanforderungen und Umhüllung des Batteriesystems wird der Druck auf maximal 3 bar, bei entsprechend ausgelegten Gehäusen auch höher, erhöht. Alle Druckangaben sind Absolutwerte. Dieser Druckbereich stellt einen wirtschaftlichen Betriebsbereich dar, wobei durch eine Druckerhöhung um 1 bar (Betriebsdruck 2 bar absolut) eine Leistungssteigerung um ca. 20% erzielt werden konnte. Zu hohen Betriebsdrücken steht auch der damit einhergehende Wirkungsgradverlust durch die Pumpe entgegen.Advantageously, the operating pressure of the cell is at least temporarily increased to at least 1.5 bar, preferably at least 1.9 bar. Depending on the safety requirements and the surrounding of the battery system, the pressure is increased to a maximum of 3 bar, and higher, if the housings are designed accordingly. All pressures are absolute values. This pressure range represents an economical operating range, whereby an increase in pressure by 1 bar (operating
Grundsätzlich kann die Druckluft zum Betrieb der Zelle auch aus einer Druckgasflasche bereitgestellt werden, insbesondere für den mobilen Einsatz und auch aus betriebswirtschaftlichen Gründen ist es jedoch vorteilhaft, wenn als Druckluftlieferant eine Pumpe eingesetzt wird. Der Einsatz eines Lüfters als Pumpe ist hierbei möglich, vorteilhaft wird jedoch ein Kompressor eingesetzt, der die Umgebungsluft auf den erforderlichen Betriebsdruck komprimiert. Der durch den Einsatz einer Pumpe erforderliche Systemaufwand wird durch den höheren erzielbaren Energiegewinn aus dem Lithium-Luft-Batteriesystem deutlich überkompensiert.In principle, the compressed air for operating the cell can also be provided from a compressed gas cylinder, in particular for mobile use and also for reasons of economy, it is advantageous if a pump is used as compressed air supplier. The use of a fan as a pump is possible, but advantageously a compressor is used, which compresses the ambient air to the required operating pressure. The system overhead required by the use of a pump is significantly overcompensated by the higher recoverable energy gain from the lithium-air battery system.
Vorteilhaft ist erfindungsgemäß eine Steuerung vorgesehen, mittels der der erhöhte Betriebsdruck bei einem Entladevorgang erzeugt wird. Mittels der Steuerung kann vorteilhaft der Betriebsdruck entsprechend den Entladebedingungen eingestellt werden, das heißt für höhere angeforderte Entladeströme wird auch ein höherer Luftbetriebsdruck eingestellt. Über die Steuerung kann ebenso vorteilhaft bei einem Ladevorgang der Zelle der erhöhte Luftbetriebsdruck wieder zurückgenommen werden, insbesondere wird hierfür mittels der Steuerung der Luftbetriebsdruck auf den Umgebungsdruck eingestellt. Am einfachsten wird diese Druckminderung über ein vorzugsweise gesteuertes oder geregeltes Ventil vorgenommen. Hierdurch kann die Druckminderung schnell und kontrolliert erfolgen. Durch die Druckminderung wird vorteilhaft erreicht, dass der beim Laden des Batteriesystems entstehende Sauerstoff leichter entgasen kann und über die verringerte Sauerstoffkonzentration in dem Elektrolyten ein höherer Ladestrom möglich ist.Advantageously, a control is provided according to the invention, by means of which the increased operating pressure is generated during a discharge process. By means of the control, the operating pressure can advantageously be set in accordance with the discharge conditions, that is, a higher operating air pressure is set for higher required discharge flows. About the control can be advantageously withdrawn in a charging process of the cell, the increased air operating pressure again, in particular, this is set by means of the control of the air operating pressure to the ambient pressure. The easiest way to reduce this pressure is carried out via a preferably controlled or regulated valve. As a result, the pressure reduction can be done quickly and controlled. By reducing the pressure is advantageously achieved that the resulting oxygen during charging of the battery system can degas more easily and on the reduced oxygen concentration in the electrolyte, a higher charging current is possible.
Der erhöhte Luftbetriebsdruck wird mittels der Steuerung vorteilhaft stromstärkengesteuert eingestellt, dass heißt für hohe geforderte Stromstärken wird auch ein hoher Betriebsdruck bereitgestellt. Hierdurch arbeitet das System besonders wirtschaftlich, da bei niedrigen geforderten Strömen der energetische Aufwand zum Erhöhen des Betriebsdrucks eingespart wird. Vorteilhaft erfolgt die Erhöhung des Luftbetriebsdrucks mittels der Steuerung alternativ oder zusätzlich auch zeitgesteuert, das heißt erst kurze Zeit (0,1 bis 5 Sekunden) nach Abforderung einer erhöhten Stromausgabe aus der Zelle wird der Druck erhöht. Hierdurch wird erreicht, dass bei sehr kurzfristigen Leistungsabforderungen aus der Zelle nicht gleich die Pumpe in Betrieb gesetzt wird, wodurch die Pumpe wirtschaftlicher betrieben wird.The increased air operating pressure is advantageously set by means of the control current controlled, that is, for high required currents and a high operating pressure is provided. As a result, the system works very economically, since at low currents required the energy cost to increase the operating pressure is saved. Advantageously, the increase of the operating air pressure by means of the control alternatively or additionally also time-controlled, that is only a short time (0.1 to 5 seconds) after the request for an increased current output from the cell, the pressure is increased. This ensures that at very short-term power requirements from the cell not equal to the pump is put into operation, whereby the pump is operated more economically.
Grundsätzlich kann zur Druckminderung in dem System die Pumpe auch in entgegengesetzter Richtung betrieben werden, das heißt zum Absaugen eingesetzt werden. Als besonders vorteilhaft hat sich jedoch der Einsatz des Ventils zur Druckminderung herausgestellt, da hiermit mit minimalem energetischen Aufwand und insbesondere besonders schnell der Druck in dem System bis auf den Umgebungsdruck reduziert werden kann, wodurch einerseits sehr schnell eine Ladung des Batteriesystems mit erhöhten Strömen möglich wird und andererseits die Betriebssicherheit des Systems erhöht wird.In principle, to reduce the pressure in the system, the pump can also be operated in the opposite direction, that is, be used for suction. However, the use of the valve for pressure reduction has proven to be particularly advantageous since it can be used to reduce the pressure in the system to ambient pressure with minimal energy expenditure and, in particular, very quickly, as a result of which charging of the battery system with increased currents is possible very quickly and on the other hand, the reliability of the system is increased.
Da durch den Druckaufbau und -abbau in dem Elektrolyten unter Umständen auch eine Entgasung von Sauerstoff außerhalb des Kontaktbereiches erfolgen kann, über den der Austausch zwischen dem Batteriesystem und der Luft erfolgt, ist es besonders vorteilhaft, den Elektrolyten, wie anschließend beschrieben, umzuwälzen.Since the pressure buildup and degradation in the electrolyte can under certain circumstances also result in degassing of oxygen outside the contact region, via which the exchange takes place between the battery system and the air, it is particularly advantageous to recirculate the electrolyte as described below.
Hierzu wird das erfindungsgemäße Batteriesystem mit einem (optionalen) Reservoir eingesetzt, das in Fliessverbindung mit der Kathode und/oder dem Separator steht, wobei vorzugsweise eine aktive Umwälzung des Elektrolyts und/oder eine Trennung des Kontaktbereichs von der Kathode und dem Kathodenableiter erfolgt.For this purpose, the battery system according to the invention with an (optional) reservoir is used, which is in flow communication with the cathode and / or the separator, wherein preferably takes place an active circulation of the electrolyte and / or a separation of the contact region of the cathode and the cathode.
Hierdurch wird eine noch höhere Sauerstoffverfügbarkeit für die Kathode erreicht, da dem Eingangs beschriebenen Sauerstoffbedarf bei der Entladung des Batteriesystems eine eingeschränkte Löslichkeit und Diffusion des Sauerstoffs im Elektrolyt entgegensteht. Aufgrund dieser eingeschränkten Sauerstoffversorgung an der Katode eignen sich die bisherigen Lithium Sauerstoff-Zellen gemäß dem Stand der Technik bisher nicht für Hochleistungsanforderungen, sondern nur für den mittleren bis niedrigen Leistungsbereich. Insbesondere bei einer Leistungsabgabe (Stromdichte) von mehr als 100 mA/cm2 bricht bei den bekannten Lithium-Sauerstoff-Zellen die Zellspannung dramatisch ein.As a result, an even higher oxygen availability is achieved for the cathode, since the input described oxygen demand during discharge of the battery system precludes a limited solubility and diffusion of oxygen in the electrolyte. Due to this limited oxygen supply to the cathode, the previous lithium oxygen cells according to the prior art have not been suitable for high performance requirements, but only for the medium to low power range. In particular, at a power output (current density) of more than 100 mA / cm 2 breaks the cell voltage dramatically in the known lithium-oxygen cells.
Ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist daher auch der Einsatz von Elektrolyten mit einer verbesserten Sauerstofflöslichkeit und/oder verbesserten Sauerstoffdiffunsion. Auch dies führt zu einer Verbesserung (Verringerung) der Kathodenüberspannung bei hohen Stromdichten und verhindert den oben beschriebenen Zusammenbruch der Zellspannung bei höheren Stromdichten. Erfindungsgemäß ist eine Sauerstofflöslichkeit von mindestens 0,5 mmol/l, vorzugsweise von mindestens 0,8 mmol/l und insbesondere von mindestens 1,1 mmol/l besonders vorteilhaft, da hierdurch die Stromdichte der Kathode deutlich gesteigert werden kann. Gleiches gilt für die Sauerstoffdiffusionsgeschwindigkeit, die erfindungsgemäß vorteilhaft mindestens 0,5 × 10–5 cm2s–1, vorzugsweise mindestens 0,8 × 10–5 cm2s–1 und insbesondere 1,1 × 10–5 cm2s–1 ist.An essential component of the invention is therefore also the use of electrolytes with an improved oxygen solubility and / or improved oxygen diffusion. This also leads to an improvement (reduction) of the cathode overvoltage at high current densities and prevents the above-described collapse of the cell voltage at higher current densities. According to the invention, an oxygen solubility of at least 0.5 mmol / l, preferably of at least 0.8 mmol / l and in particular of at least 1.1 mmol / l particularly advantageous, since this the current density of the cathode can be significantly increased. The same applies to the oxygen diffusion rate, which according to the invention is advantageously at least 0.5 × 10 -5 cm 2 s -1 , preferably at least 0.8 × 10 -5 cm 2 s -1 and in particular 1.1 × 10 -5 cm 2 s . 1 is.
Erfindungsgemäß wird in dem Batteriesystem ein flüssiger sauerstoffübertragender Elektrolyt eingesetzt, der einerseits als Sauerstoffsammler (Oxygen Harvesting) und andererseits als Reaktionsmedium für die Zellreaktion (Reduktionsmedium) dient. Der benötigte Sauerstoff kann dabei in mehr oder weniger reiner Form zur Verfügung gestellt werden, insbesondere erfolgt die Sauerstoffaufnahme aus der Luft, wobei die Luft vorher konditioniert sein kann, d. h. insbesondere einer Reinigung, CO2-Minderung und/oder Entfeuchtung unterzogen wird.According to the invention, a liquid oxygen-transferring electrolyte is used in the battery system, which serves on the one hand as an oxygen collector (oxygen harvesting) and on the other hand as a reaction medium for the cell reaction (reduction medium). The required oxygen can be provided in more or less pure form, in particular, the oxygen uptake from the air, wherein the air can be previously conditioned, ie in particular a cleaning, CO 2 reduction and / or dehumidification is subjected.
Als geeignete Elektrolyten kommen insbesondere ionische Flüssigkeiten in Betracht. Bewährt haben sich hierbei die Elektrolyten gemäß der Tabelle
Solche Elektrolyten sind bekannt aus Dun Zhang, Takeyoshi Okajima, Futoshi Matsumoto, Takeo Ōsaka, Electroreduction of Dioxygen in 1-n-Alkyl-3-methylimidazolium Tetrafluoroborate Room-Temperature Ionic Liquids in Journal of The Electrochemical Society, 151 (4) D31–D37 (2004). EMIBF4 steht dabei für 1-Ethyl-3-Methylimidazoliumtetrafluoroborat, BMIBF4 für die entsprechende 1-n-Propyl-Verbindung und PMIBF4 für die entsprechende 1-n-Butyl-Verbindung. Die Verwendung solcher Elektrolyten erfolgt vorteilhaft mit einem anorganischen (keramischen) Separator, insbesondere einem mehrschichtigen Separator, der nicht von dem Elektrolyt durchdrungen wird (z. B. Separion® von Firma Crearis), da hierdurch Wechselwirkungen mit Sauerstoff und/oder Wasser, das sich in den Elektrolyten befindet, und der Lithium-Anode wirksam unterdrückt werden. Es können zwar auch Elektrolyten eingesetzt werden, die geringere Wechselwirkungen dieser Art mit sich bringen, meistens haben solche Elektrolyten jedoch dann auch einen geringeren Diffunsionskoeffizienten für Sauerstoff bzw. eine geringere Sättigungskonzentration für Sauerstoff. Diese Wechselwirkungen bedingen eine Verschlechterung der Reversibilität, d. h. eine irreversible Reaktion mit dem Lithium.Such electrolytes are known from Dun Zhang, Takeyoshi Okajima, Futoshi Matsumoto, Takeo Osaka, Electroreduction of Dioxygen in 1-n-alkyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate Room-Temperature Ionic Liquids in Journal of The Electrochemical Society, 151 (4) D31-D37 (2004). EMIBF 4 stands for 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, BMIBF 4 for the corresponding 1-n-propyl compound and PMIBF 4 for the corresponding 1-n-butyl compound. The use of such electrolyte is advantageously carried out with an inorganic (ceramic) separator, in particular a multi-layered separator, which is not penetrated by the electrolyte (z. B. Separion ® from the company Crearis), since these interactions with oxygen and / or water, which is is in the electrolyte, and the lithium anode can be effectively suppressed. Although it is also possible to use electrolytes which bring about lesser interactions of this type, in most cases such electrolytes also have a lower diffusion coefficient for oxygen or a lower saturation concentration for oxygen. These interactions cause a deterioration of the reversibility, ie an irreversible reaction with the lithium.
Neben den bereits erwähnten Elektrolyten können auch weitere eingesetzt werden, insbesondere auf der Basis ionischer Flüssigkeiten. Erfindungsgemäß kann der Elektrolyt eine Lösung sein und bevorzugt enthält der Elektrolyt mindestens eine ionische Flüssigkeit, wobei der Elektrolyt einen niedrigen Schmelzpunkt, insbesondere unterhalb –20°C, haben soll, damit die Batterie auch bei Minustemperaturen einsatzfähig bleibt. Weiterhin sollte der Elektrolyt vorzugweise eine geringe Viskosität haben, um eine gute Fliessfähigkeit durch die Kathode sicherzustellen. Ein drittes wichtiges Kriterium für den Elektrolyten ist noch dessen elektrische Leitfähigkeit, die möglichst hoch sein sollte, um einen geringen Innenwiderstand der Zelle und einen guten Transport der Ionen sicherzustellen.In addition to the electrolytes already mentioned, it is also possible to use others, in particular based on ionic liquids. According to the invention, the electrolyte may be a solution, and preferably the electrolyte contains at least one ionic liquid, wherein the electrolyte should have a low melting point, in particular below -20 ° C, so that the battery remains operational even at minus temperatures. Furthermore, the electrolyte should preferably have a low viscosity to ensure good flowability through the cathode. A third important criterion for the electrolyte is its electrical conductivity, which should be as high as possible to ensure a low internal resistance of the cell and a good transport of the ions.
Als ionische Flüssigkeiten eignen sich insbesondere solche mit einem organischen Oniumion (insbesondere auf Basis von Stickstoff-Ammonium) und mindestens einem Anion, das mit dem Anion des Lithiumsalzes übereinstimmt, das in der Lithium-Batterie eingesetzt wird. Diese ionischen Flüssigkeiten können leicht Lithiumsalze lösen, sind nicht oder schwer entflammbar und haben niedrige Viskositäten. Solche ionischen Flüssigkeiten können direkt als Solche oder in Kombination mit anderen ionischen Flüssigkeiten sowie auch gelöst in organischen Lösungsmitteln als Elektrolytlösung in den erfindungsgemäßen sekundären Lithium-Batterien eingesetzt werden. Üblich ist hier der Einsatz von Lithiumhexafluorophosphat in Propylencarbonat/Dimethylethylen (PC/DME). Weitere mögliche Vertreter für organische Lösungsmittel sind hier Polyglyme, Oxolane, Carbonate, 2-Fluorobenzen, 3-Fluorobenzen, 4-Fluorobenzen, Dimethoxiethan. Die Polyglyme sind beispielsweise Diethyleneglycoldimethylether (CH3(OCH2CH2)2OCH3), Diethyleneglycoldiethylether (C2H5(OCH2CH2)2OC2H5), Triethyleneglycoldimethylether (CH3(OCH2CH2)3OCH3), und Triethyleneglycoldiethylether (C2H5(OCH2CH2)3OC2H5). Die Dioxolane sind beispielsweise 1,3-Dioxolan, 4,5-Diethyldioxolan, 4,5-Dimethyldioxolan, 4-Methyl-1,3-dioxolan, und 4-Ethyl-1,3-diozolan. Die Carbonate sind beispielsweise Methylencarbonat, Dimethylcarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Methylethylcarbonat, Diethylcarbonat, Vinylencarbonat, Ethylencarbonat, Diethylcarbonat. Des Weiteren können eingesetzt werden 1,2-Diethoxiethan, γ-Butyrolacton, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, Diethylether, Sulfolan, Methylsulfolan, Acetonitril, Propionitril, Anisol, Ethylacetat und Butylacetat. Die erwähnten Lösungsmittel können auch in Mischungen von zwei oder mehr der Lösungsmittel eingesetzt werden. Bevorzugt ist auch der Einsatz von EC/DMC.Suitable ionic liquids are, in particular, those with an organic onium ion (in particular based on nitrogen-ammonium) and at least one anion that corresponds to the anion of the lithium salt used in the lithium battery. These ionic liquids can easily dissolve lithium salts, are non-or hardly inflammable, and have low viscosities. Such ionic liquids can be used directly as such or in combination with other ionic liquids as well as dissolved in organic solvents as the electrolyte solution in the secondary lithium batteries according to the invention. Usual here is the use of lithium hexafluorophosphate in propylene carbonate / dimethylethylene (PC / DME). Other possible representatives of organic solvents are polyglyme, oxolanes, carbonates, 2-fluorobenzene, 3-fluorobenzene, 4-fluorobenzene, dimethoxyethane. The polyglyms are, for example, diethylene glycol dimethyl ether (CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 2 OCH 3 ), diethylene glycol diethyl ether (C 2 H 5 (OCH 2 CH 2 ) 2 OC 2 H 5 ), triethylene glycol dimethyl ether (CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 ), and triethylene glycol diethyl ether (C 2 H 5 (OCH 2 CH 2 ) 3 OC 2 H 5 ). The dioxolanes are, for example, 1,3-dioxolane, 4,5-diethyldioxolane, 4,5-dimethyldioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, and 4-ethyl-1,3-dioxolane. The carbonates are, for example, methylene carbonate, dimethyl carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl carbonate, vinylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate. It is also possible to use 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, diethyl ether, sulfolane, methylsulfolane, Acetonitrile, propionitrile, anisole, ethyl acetate and butyl acetate. The solvents mentioned can also be used in mixtures of two or more of the solvents. Also preferred is the use of EC / DMC.
Als Anodenmaterial kommt Lithium pur, legiert und/oder in Mischung (Interkalation), insbesondere mit Kohlenstoff und/oder Silizium zum Einsatz, das auf einen Anodenableiter (Sammelelektrode) aufgebracht wird. Als Anodenableiter eignet sich insbesondere Kupfer als Trägermaterial, da dieses nicht nur ein gutes leitfähiges Element, sondern auch stabil gegenüber dem Lithium ist. An den Ableiter schließt sich vorzugsweise direkt das elektrochemisch aktive Material (Kathode) an, das Lithium enthält. Weitere Bestandteile sind vorteilhaft verschiedene Kohlenstoffstrukturen, wie künstlicher Graphit, natürlicher Graphit, Koks, Russ, auch Kunststofffasern usw. Je nach Einsetzungszweck ist es vorteilhaft, der Anode noch ein oder mehrere metallische Elemente aus der Gruppe Al, Si, Sn, Ag, Bi, Mg, Zn, In, Ge, Pb und Ti hinzuzufügen. Diese Metalle legieren mit dem Lithium und erhöhen dadurch die Sicherheit der Zelle. Die Anode kann dabei aus einer Mischung aus einem oder mehreren dieser Metalle sowie dem Kohlenstoffmaterial (eines oder mehrere) aufgebaut werden, wobei Lithium auch in Form eines Lithium aufweisenden Nitrits zugegeben werden kann. Alternativ oder zusätzlich wird das Lithium bei der ersten Ladung der Zelle in der Anode erzeugt. Als Anode kann auch die aus Lithium-Ionen-Batterien bekannte (
Als Lithiumsalz, das in dem Elektrolyt gelöst wird, eignen sich Lithiumverbindungen, die sich in dem Lösungsmittel oder der ionischen Flüssigkeit unter Bildung von Lithiumionen lösen. Geeignet sind hierfür insbesondere LiClO4, LiAsF6, LiPF6, LiBF4, LiB(C6H5)4, CH3SO3Li, LiCF3SO3 und LiN(CF3SO2)2, CF3SO3Li, LiCl oder LiBr. Auch hier können zwei oder mehr der Lithiumsalze gelöst werden. Als Lithiumsalz eignen sich besonders solche Salze, die sich zu mindestens 0,6 M in dem Elektrolyt lösen. Vorteilhaft beträgt die Konzentration des Lithiumsalzes mindestens 0,1 M und insbesondere mindestens 0,8 M. Besonders vorteilhaft sind Lösungen im Bereich von 1,5 bis 3 M. Wenn die Konzentration des Lithiumsalzes zu gering ist, ist die ionische Leitfähigkeit ebenso zu gering. Da der Elektrolyt als Leitpfad für die Lithiumionen von der Anode zu der Kathode bzw. umgekehrt dient, ist für eine gute Funktion der Batterie eine hohe Leitfähigkeit erforderlich.As the lithium salt which is dissolved in the electrolyte, lithium compounds which dissolve in the solvent or the ionic liquid to form lithium ions are suitable. Particularly suitable for this purpose are LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , CH 3 SO 3 Li, LiCF 3 SO 3 and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , CF 3 SO 3 Li , LiCl or LiBr. Again, two or more of the lithium salts can be dissolved. Suitable lithium salts are, in particular, those salts which dissolve to at least 0.6 M in the electrolyte. Advantageously, the concentration of the lithium salt is at least 0.1 M and in particular at least 0.8 M. Solutions are particularly advantageous in the range of 1.5 to 3 M. If the concentration of the lithium salt is too low, the ionic conductivity is also too low. Since the electrolyte serves as a conductive path for the lithium ions from the anode to the cathode and vice versa, a high conductivity is required for a good function of the battery.
Als Separator kommen übliche Separatoren aus Kunststoffen oder Keramiken oder Kombinationen hiervon zum Einsatz. Die Aufgabe des Separators ist primär die Trennung von Anode und Kathode unter Bereitstellung einer Lithium-Ionen-Leitfähigkeit. Darüber hinaus kann der Separator auch zusätzlich den Elektrolyt speichern und/oder als Sperre für Sauerstoff und Wasser, die in dem Elektrolyt gelöst sind, dienen. Ein bevorzugter Aufbau des Separators ist in der
Beispiele für Festelektrolyte sind ZrO2, LiHfPO4, Li5La3Ta2O12, Li5La3Nb2O12, Na5MSi4O12 (M: seltene Erden wie Nd, Dy, Gd), Li3PO4.Li2S.SiS2, Li2O.11Al2O3, Na2O.11Al2O3, Na5ZrP3O12, Na5TiP3O12, Na3Fe2P3O12, Li5ZrP3O12, Li5TiP3O12, Li3Fe2P3O12 Sofern der Separator mehrschichtig aufgebaut ist, ist vorteilhaft auf der Anodenseite eine Keramik, die nicht von dem Elektrolyt durchdrungen wird. Hierdurch bleibt die Anode geschützt vor irreversiblen Schädigungen durch Sauerstoff und/oder Wasser.Examples of solid electrolytes are ZrO 2 , LiHfPO 4 , Li 5 La 3 Ta 2 O 12 , Li 5 La 3 Nb 2 O 12 , Na 5 MSi 4 O 12 (M: rare earths such as Nd, Dy, Gd), Li 3 PO 4 .Li 2 S.SiS 2 , Li 2 O.11Al 2 O 3 , Na 2 O.11Al 2 O 3 , Na 5 ZrP 3 O 12 , Na 5 TiP 3 O 12 , Na 3 Fe 2 P 3 O 12 , Li 5 ZrP 3 O 12 , Li 5 TiP 3 O 12 , Li 3 Fe 2 P 3 O 12 If the separator has a multilayer structure, it is advantageous to have a ceramic on the anode side which is not penetrated by the electrolyte. As a result, the anode remains protected against irreversible damage by oxygen and / or water.
Erfindungsgemäß hat das Batteriesystem ein Elektrolytreservoir, das zumindest überwiegend außerhalb des Ladungsaustauschpfades zwischen der Anode und der Kathode liegt. Dies wird erreicht, indem dieses Reservoir außerhalb des Schichtaufbaus der Zelle angeordnet ist. Besonders vorteilhaft erfolgt die Sauerstoff-An- und -Abreicherung des Elektrolyten über dieses Reservoir und damit räumlich getrennt von der Reaktionszone in der Kathode. Durch einen Austausch des mit Sauerstoff angereicherten Elektrolyten aus dem Reservoir mit der Kathode wird eine höhere Verfügbarkeit des Sauerstoffs an der Kathode erreicht und umgekehrt, wodurch der Innenwiderstand der Zelle sinkt und höhere Ströme entnommen (Entladung) bzw. aufgenommen (Ladung) werden können. Die Zirkulation des Elektrolyts aus dem Reservoir zur Kathode erfolgt vorzugsweise über eine externe Pumpe. Vorteilhaft arbeitet diese Pumpe kontinuierlich, hierdurch wird ein gleichmäßiger Austausch des Elektrolyts erreicht. Ein positiver Nebeneffekt der Umwälzung des Elektrolyts ist eine Kühlung der Reaktionszone.According to the invention, the battery system has an electrolyte reservoir which lies at least predominantly outside the charge exchange path between the anode and the cathode. This is accomplished by placing this reservoir outside the layered structure of the cell. Particularly advantageous is the oxygen accumulation and -Abreicherung of the electrolyte via this reservoir and thus spatially separated from the reaction zone in the cathode. By replacing the oxygen-enriched electrolyte from the reservoir with the cathode, a higher availability of the oxygen at the cathode is achieved, and vice versa, whereby the internal resistance of the cell decreases and higher currents can be taken (discharge) or taken up (charge). The circulation of the electrolyte from the reservoir to the cathode preferably takes place via an external pump. Advantageously, this pump operates continuously, thereby a uniform exchange of the electrolyte is achieved. A positive side effect of the circulation of the electrolyte is a cooling of the reaction zone.
Durch die Anordnung des Kontaktbereichs an dem Reservoir wird eine einfache und effektive Regeneration des Elektrolyten (Be- und Entladung mit Sauerstoff) erreicht. Der zusätzliche Systemaufwand für diese Sauerstoffbeladung wird durch den deutlichen Energiegewinn des Batteriesystems überkompensiert. Mit dem erfindungsgemäßen System sind Energiedichten bis 700 Wh/kg (1000 Wh/l) erreichbar. Beim Einsatz eines Separators, der zumindest teilweise von dem Elektrolyt durchdrungen ist (zusätzlicher Elektrolytspeicher), ist die Pumpe vorteilhaft druckseitig mit dem Kathodenmaterial verbunden, wodurch regenerierter Elektrolyt direkt in die Kathode befördert wird. Hierdurch wird auch der Lithiumionentransport durch den mit Elektrolyt gefüllten Separator nicht gestört. Die Entnahme des Elektrolyts kann aus dem elektrolytgefüllten Separator und/oder vorteilhaft ebenfalls aus der Kathode direkt erfolgen. The arrangement of the contact region at the reservoir a simple and effective regeneration of the electrolyte (loading and unloading with oxygen) is achieved. The additional system overhead for this oxygen loading is overcompensated by the significant energy gain of the battery system. Energy densities up to 700 Wh / kg (1000 Wh / l) can be achieved with the system according to the invention. When using a separator which is at least partially penetrated by the electrolyte (additional electrolyte reservoir), the pump is advantageously connected on the pressure side with the cathode material, whereby regenerated electrolyte is conveyed directly into the cathode. As a result, the lithium ion transport is not disturbed by the electrolyte-filled separator. The removal of the electrolyte can be carried out directly from the electrolyte-filled separator and / or advantageously also from the cathode.
Die Kathode ist porös ausgeführt, wie im Stand der Technik üblich. Der Elektrolyt durchdringt dabei die Poren der Kathode. Der stromabführende Kathodenableiter (Sammelelektrode) ist üblicher Weise ein Nickelnetz oder eine Nickelfolie und kann vorzugsweise auch sauerstoffdurchlässig sein, wodurch ein zusätzlicher Sauerstoffein- oder -austrag direkt auf der Kathode möglich ist.The cathode is porous, as is conventional in the art. The electrolyte penetrates the pores of the cathode. The downstream cathode arrester (collector electrode) is usually a nickel mesh or a nickel foil and may preferably also be oxygen permeable, allowing additional oxygen input or output directly to the cathode.
Als Katalysator für die Kathode kommt insbesondere ein Metalloxidkatalysator wie z. B. Mangandioxid und/oder Nickeloxid zum Einsatz, vorzugsweise zusammen mit einem Binder aus porösem Graphitpulver und PTFE. Neben MnO2 können auch Ni-, Co-, Fe-, Mn- und/oder Cu-Phthalocyanine oder hochdispersives Platin, ggf. zusammen mit Ruthenium, eingesetzt werden. Auch die aus der Brennstoffzelle bekannten Elektroden auf Basis von Platin bzw.As a catalyst for the cathode is in particular a metal oxide catalyst such as. For example, manganese dioxide and / or nickel oxide used, preferably together with a binder of porous graphite powder and PTFE. In addition to MnO 2 , it is also possible to use Ni, Co, Fe, Mn and / or Cu phthalocyanines or highly disperse platinum, if appropriate together with ruthenium. Also known from the fuel cell electrodes based on platinum or
Platinlegierungen können eingesetzt werden, z. B. die Gasdiffusionselektroden LT140-E der Firma ETEK (BASF) oder RM100 von der Firma Gaskatel.Platinum alloys can be used, for. B. the gas diffusion electrodes LT140-E from ETEK (BASF) or RM100 from Gaskatel.
Als Kontaktbereich für die Wechselwirkung mit Sauerstoff werden vorteilhaft Porengebilde mit möglichst großer Oberfläche eingesetzt. Geeignet sind hierfür insbesondere Röhrchen oder Schläuche, da hierdurch eine besonders große Oberfläche zur Verfügung gestellt werden kann. Als Material können hierbei einerseits sauerstoffdurchlässige Festkörper eingesetzt werden, insbesondere kommen jedoch Membranen zum Einsatz. Besonders bevorzugt werden hierbei hydrophobe Materialien, da hierdurch ein Wassereintrag in den Elektrolyten reduziert ist. Als Material wird vorzugsweise PTFE oder PVDF (Polyvinylidenfluorid) eingesetzt. Entsprechende Membranen sind beispielsweise unter der Marke Gore-Tex bekannt. Vorteilhaft ist hierbei eine Temperaturdifferenz zwischen dem Elektrolyt und der Umgebungsluft, wobei der Elektrolyt vorzugsweise eine höhere Temperatur hat. Insbesondere sollte die Temperaturdifferenz zumindest zeitweilig mindestens 10 K, besonders bevorzugt mindestens 15 K betragen, da hierdurch eventuelle Wasseranteile des Elektrolyts über die Membran leichter an die Umgebungsluft abgeführt werden können.As a contact area for the interaction with oxygen pore structures are advantageously used with the largest possible surface area. Particularly suitable for this purpose are tubes or hoses, since in this way a particularly large surface area can be made available. On the one hand, oxygen-permeable solids can be used as the material, but in particular, membranes are used. In this case, hydrophobic materials are particularly preferred since this reduces the introduction of water into the electrolyte. The material used is preferably PTFE or PVDF (polyvinylidene fluoride). Corresponding membranes are known, for example, under the trademark Gore-Tex. In this case, a temperature difference between the electrolyte and the ambient air is advantageous, wherein the electrolyte preferably has a higher temperature. In particular, the temperature difference should be, at least temporarily, at least 10 K, more preferably at least 15 K, since this may allow any water components of the electrolyte to be more easily removed via the membrane into the ambient air.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher beschrieben.The invention will be described in more detail below with reference to figures and exemplary embodiments.
Es zeigen:Show it:
Das in der
Anode
Separator
Kathode
anode
separator
cathode
Über die nicht am Schichtaufbau beteiligten Schmalseiten der Kathode
Als Reservoir wird zur Erzielung einer hohen Sauerstoffaustauschgeschwindigkeit zwischen dem Elektrolyt und der Umgebungsluft eine Parallelschaltung von Kapillarschläuchen verwendet, die aus der luftdurchlässigen Membran gebildet sind. Hierbei sind 3 bis 50 insbesondere 5 bis 15 parallel geschaltete Schläuche von 5 bis 15 cm Länge geeignet zur Erzielung eines guten Kompromisses zwischen dem Sauerstoffaustausch mit der Umgebungsluft und dem benötigten Elektrolytvolumen. Um ein Kollabieren der Kapillarschläuche zu verhindern wird das System
Der Kathodenableiter
Der Separator
Zur Erhöhung des Sauerstoffgehaltes in dem Elektrolyt
Wenn die Zelle
In
Der Zellstapel
Die beschriebenen erfindungsgemäßen Systeme bestehen jeweils aus fünf Hauptkomponenten:
- – der Li-O2 Batteriezelle, vorteilhaft in Form eines flächigen Stapelaufbaus,
- – optional dem Umwälzkreislauf zur Zirkulation des sauerstofftransportierenden Elektrolyten,
- – optional einem Wärmetauscher zur Regulation der Zelltemperatur (bei Zirkulation des Elektrolyten,)
- – der (optional externen) Vorrichtung zur Sauerstoffanreicherung (Drucksystem), und
- – der Steuerung der Sauerstoffanreicherung.
- - The Li-O 2 battery cell, advantageously in the form of a flat stack structure,
- Optionally the recirculation circulation for the circulation of the oxygen-carrying electrolyte,
- - optional heat exchanger to regulate the cell temperature (in case of electrolyte circulation,)
- - The (optional external) device for oxygenation (pressure system), and
- - the control of oxygenation.
Im einfachsten Fall werden die Zellen aus fünf Schichten aufgebaut:
- 1. Dem Anodenstromkollektor
7 (Anodenableiter) aus Kupfer mit einer Dicke zwischen 0.002 und 0.025 mm. - 2. Darauf die Lithium-Metall-
Anode 3 . Diese kann nach dem Zusammenbau der Zelle aus Lithium-Ionen durch Ladung der Zelle gezüchtet werden oder wird als Lithiumfilm oder als Kompositschicht aus Lithium oder einer herkömmlichen Lithium-Legierung (zum Beispiel mit Silizium), Kohlenstoffpartikeln und einem geeigneten Binder, z. B. aus PTFE oder Zellulose, aufgetragen. - 3.
Dem Separator 5 , der den direkten Kontakt der oben beschriebenen Anode3 mit der untenstehenden Kathodenschicht4 verhindert. In einer einfachen Anordnung besteht derSeparator 5 aus einer mechanisch stabilen, 0.025 bis 0.05 mm dicken Schicht eines gewöhnlichen porösen Separators für Lithium-Ionen-Batterien, z. B. CELGARD (Firma Celanese) oder SEPARION (Firma Evonik). In einer bevorzugten möglichen Anordnung besteht derSeparator 5 aus einem Mehrschichtsystem5 ,13 mit Kompositstruktur, welches den folgenden Aufbau hat: Eine mechanisch widerstandsfähige, 0.025 mm dicke Schicht eines herkömmlichen porösen Separators für Li-Ionen-Batterien, z. B. CELGARD (Firma Celanese) oder SEPARION (Firma Evonik), zur Kathode hin; und eine 0.005 mm dicke anorganische Schicht, die optimiert ist für die Li-An- und -Ablagerung. - 4. Der Sauerstoff-
Kathode 4 , die in einer einfachen Ausführung aus einem 0.250 mm dicken Kohlenstoff-Vlies gebildet ist (mit einer circa 10%-igen Dichte), dessen Fasern mit einer Katalysatorschicht aus Manganoxide beschichtet sind.Die Kathode 4 kann bereits mit den Reaktionsprodukten der Zellentladung (Li2O2 oder Li2O) beschichtet sein. Alternativ kann die Imprägnierung auch nachträglich durch Zugabe der Reaktionsprodukte in den Elektrolyten erfolgen. - 5. Dem Kathodenstromkollektor
8 (Kathodenableiter), der z. B. aus Nickel, Graphit oder einem leitfähigen Kohlenstoff-Polymer-Kompositmaterial mit einer Dicke von circa 0.05 mm gebildet ist.
- 1. The anode current collector
7 (Anodenableiter) made of copper with a thickness between 0.002 and 0.025 mm. - 2. Then the lithium-
metal anode 3 , This may be grown after charging the cell from lithium ions by charge of the cell, or as a lithium film or as a composite layer of lithium or a conventional lithium alloy (for example with silicon), carbon particles and a suitable binder, e.g. As PTFE or cellulose, applied. - 3. The
separator 5 , which is the direct contact of the anode described above3 with the cathode layer below4 prevented. In a simple arrangement, theseparator 5 from a mechanically stable, 0.025 to 0.05 mm thick layer of a conventional porous separator for lithium-ion batteries, z. CELGARD (Celanese) or SEPARION (Evonik). In a preferred possible arrangement, the separator consists5 from amulti-layer system 5 .13 composite structure having the following structure: A mechanically resistant, 0.025 mm thick layer of a conventional porous separator for Li-ion batteries, eg. CELGARD (Celanese) or SEPARION (Evonik), to the cathode; and a 0.005 mm thick inorganic layer optimized for Li attack and deposition. - 4. The
oxygen cathode 4 made of a 0.250 mm thick non-woven carbon fabric (with a density of around 10%), whose fibers are coated with a catalyst layer of manganese oxides. Thecathode 4 may already be coated with the reaction products of the cell discharge (Li 2 O 2 or Li 2 O). Alternatively, the impregnation can also be done subsequently by adding the reaction products in the electrolyte. - 5. The cathode current collector
8th (Cathode conductor), the z. B. of nickel, graphite or a conductive carbon-polymer composite material having a thickness of about 0.05 mm is formed.
Für die Anordnung in einem Batteriestapel (
In einer alternativen Anordnung (nicht dargestellt) ist die Zelle spiral gewunden (aufgewickelt). In diesem Fall ist die Zellform zylindrisch, der Innenaufbau bleibt jedoch geschichtet. Auch ein Aufbau der Zelle durch Faltung des Schichtaufbaus ist möglich. Zur Erlangung einer bestimmten Spannung lassen sich mehrere dieser Zellen in einer Serienschaltung elektrisch verbinden.In an alternative arrangement (not shown), the cell is spirally wound (wound up). In this case, the cell shape is cylindrical, but the internal structure remains layered. It is also possible to construct the cell by folding the layer structure. To obtain a certain voltage, several of these cells can be electrically connected in a series connection.
Die Zellen werden in einem Batteriegehäuse eingekapselt und bilden so einen Batteriestapel. Das Batteriegehäuse ist so ausgelegt, dass es:
- – durch entsprechende Serien- oder Parallelanordnung die elektrische Verbindung der Zellen zur Gewährleistung der entsprechenden Batteriespannung und Batteriekapazität gewährleistet,
- – optional den Durchfluss des zirkulierenden Elektrolyten ermöglicht, der zugleich als Sauerstoffträger fungiert, der das Reaktionsmedium an die Kathoden liefert und die Sauerstoffzufuhr bzw. -ableitung ermöglicht.
- - Ensures the electrical connection of the cells to ensure the appropriate battery voltage and battery capacity by appropriate series or parallel arrangement,
- - Optionally allows the flow of the circulating electrolyte, which also acts as an oxygen carrier, which delivers the reaction medium to the cathodes and allows the oxygen supply or -ableitung.
Nachdem die einzelnen Schichten der Zelle aufgebaut sind, werden die porösen Bereiche in der Kathodenschicht
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße System mit Luft als Sauerstofflieferant betrieben. Es ist jedoch auch eine Betreibung mit vorzugsweise angereichertem Sauerstoff, insbesondere aus einem (Druck-)Tank – wie in
In einer Ausführung besteht die Kathode aus 20 Gew% Acetylenschwarz (oder Graphit-Pulver) und 80 Gew% Polymerbinder (PTFE). Der Separator mit Elektrolyt besteht aus 12% Polyacrylnitril (PAN), 40% Ethylencarbonat, 40% Propylencarbonat und 8% LiPF6, in einer Stärke von 75–100 μm. Die Lithium-Elektrode ist 50 μm dick.In one embodiment, the cathode is 20% by weight acetylene black (or graphite powder) and 80% by weight polymer binder (PTFE). The separator with electrolyte consists of 12% polyacrylonitrile (PAN), 40% ethylene carbonate, 40% propylene carbonate and 8% LiPF 6 , in a thickness of 75-100 microns. The lithium electrode is 50 μm thick.
Eine gute Zyklisierbarkeit wird mit porösem, aus a-MnO2 Nanofäden bestehenden Kathoden erreicht. Der Zusatz größer Kationen, wie Tetrabutylammonium (TBA+), erhöht die Reversibilität der O2/O2-Redox-Reaktionen. Lithiumoxide passivieren die Kathodenoberfläche und führen zu irreversiblen Prozessen. Daher wird die Löslichkeit der Lithiumoxide durch Zugabe der großen Kationen erhöht. Eine Mischung aus Li- und TBA-Salzen verbessert die Löslichkeit der Lithiumoxide derart, dass die nötige Reversibilität der Sauerstoffreduktion in der Lithium-Luft-Batterie erreicht wird. Die ionischen Flüssigkeiten gestatten aufgrund ihrer hohen Flexibilität im Aufbau die optimale Anpassung an die Sauerstoffreduktion. Sie bieten hohe Leitfähigkeit, hohe thermische und chemische Stabilität und haben eine geringe Entflammbarkeit, was wesentlich für die Entwicklung sicherer Zellen ist.Good cyclability is achieved with porous cathodes consisting of a-MnO 2 nanofibers. The addition of larger cations, such as tetrabutylammonium (TBA +), increases the reversibility of the O2 / O2 redox reactions. Lithium oxides passivate the cathode surface and lead to irreversible processes. Therefore, the solubility of the lithium oxides is increased by adding the large cations. A mixture of Li and TBA salts improves the solubility of the lithium oxides in such a way that the necessary reversibility of the oxygen reduction in the lithium-air battery is achieved. The ionic liquids allow optimal adaptation to the reduction of oxygen due to their high flexibility in the structure. They offer high conductivity, high thermal and chemical stability and low flammability, which is essential for the development of safe cells.
Eine spiralförmige Zelle (Einsatz gemäß
Zwei 1000 mm lange, 50 mm weite and 0.25 mm dicke Lagen von nicht-gewebtem Kohlenstoffvlies (SIGRATHERM von Firma SGL) imprägniert mit 5 mg/cm2 einer Mischung aus Ketjen black (Firma AKZO) und Teflon PTFE-TE3859 fluoropolymerim (Firma Dupont), Gewichtsverhältnis 85:15, und 40 mg/cm2 von hochreinem Li2O, wurden auf jeder Seite des Anode-Separator-Sandwiches aufgebracht. Anschließend wurde noch auf eine Seite des Sandwichs eine 1020 mm lange, 55 mm breite und 0.05 mm dicke Schicht eines hochleitfähigen Kohlenstoff-Polymer-Komposts (SIGRAFLEX TM von Firma SGL) gelegt.Two 1000 mm long, 50 mm wide and 0.25 mm thick layers of nonwoven carbon nonwoven fabric (SIGRATHERM from SGL) impregnated with 5 mg / cm 2 of a mixture of Ketjen black (AKZO) and Teflon PTFE-TE3859 fluoropolymerim (Dupont) , Weight ratio 85:15, and 40 mg / cm 2 of high purity Li 2 O were applied to each side of the anode-separator sandwich. Subsequently, a 1020 mm long, 55 mm wide and 0.05 mm thick layer of a highly conductive carbon polymer compost (SIGRAFLEX ™ from SGL) was placed on one side of the sandwich.
Dieser Schichtaufbau wurde anschließend zu einem Zylinder mit einem Durchmesser von etwa 20 mm aufgerollt und in ein Rohr aus rostfreiem Stahl (SS316) gesteckt. Die positive Elektrode bildet hierbei entweder der Stahlmantel oder ein separater Ableiter bei isoliertem Stahlmantel, der Kupferstab bildet die negative Elektrode.This laminate was then rolled up into a cylinder about 20 mm in diameter and placed in a stainless steel tube (SS316). The positive electrode forms either the steel jacket or a separate arrester with insulated steel jacket, the copper rod forms the negative electrode.
Die Zelle wurde mit zwei Plastikkappen verschlossen, über die der Elektrolyt eingeleitet und zirkuliert wird. Als Elektrolyt wurde 0.1 Mol LiFSI in 0.9 Mol PYR14FSI eingesetzt. Zum Luftaustausch dienten Schläuche aus PTFE-Membranen.The cell was closed with two plastic caps, over which the electrolyte is introduced and circulated. The electrolyte used was 0.1 mol of LiFSI in 0.9 mol of PYR14FSI. Hoses made of PTFE membranes were used for air exchange.
Mit diesen erfindungsgemäßen Systemen können Energiedichten bis zu 400 Wh/kg bzw. 600 Wh/l bezogen auf die Zelle realisiert werden.With these systems according to the invention, energy densities of up to 400 Wh / kg or 600 Wh / l based on the cell can be realized.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- sekundäres Lithium-Sauerstoff-Batteriesystemsecondary lithium-oxygen battery system
- 22
- elektrochemische Lithium-Sauerstoff-Zelleelectrochemical lithium-oxygen cell
- 33
- Anodeanode
- 44
- Kathodecathode
- 55
- Separatorseparator
- 66
- Elektrolytelectrolyte
- 77
- Anodenableiteranode conductor
- 88th
- Kathodenableitercathode conductor
- 1010
- Kontaktbereichcontact area
- 1111
- Reservoirreservoir
- 1212
- Umwälzpumpecirculating pump
- 1313
- mehrschichtiger Separatormultilayer separator
- 1414
- Leitungencables
- 1616
- Kompressorpumpecompressor pump
- 1717
- 2/2-Wegebentil2/2-Wegebentil
- 1818
- Steuerungcontrol
- 1919
- Gehäusecasing
- 2020
- Filterfilter
- 121121
- Versiegelungsealing
- 2222
- Eingang PumpeInput pump
- 2323
- Auslassoutlet
- 2424
- Drucksensorpressure sensor
- 116116
- Kompressorpumpecompressor pump
- 117117
- 2/2-Wegeventil2/2 way valve
- 119119
- Zellgehäusecell case
- 125125
- Drucktankpressure tank
- 126126
- Einlass-2/2-WegeventilInlet-2/2-way valve
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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