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DE102016124586A1 - Electrode material, process for producing electrodes and these electrodes and electrochemical cells - Google Patents

Electrode material, process for producing electrodes and these electrodes and electrochemical cells Download PDF

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DE102016124586A1
DE102016124586A1 DE102016124586.0A DE102016124586A DE102016124586A1 DE 102016124586 A1 DE102016124586 A1 DE 102016124586A1 DE 102016124586 A DE102016124586 A DE 102016124586A DE 102016124586 A1 DE102016124586 A1 DE 102016124586A1
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DE
Germany
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electrode
electrode material
polymer
redox
graphene oxide
Prior art date
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Pending
Application number
DE102016124586.0A
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German (de)
Inventor
Lorenz Walder
Seyyed Mohsen Beladi Mousavi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
OSNABRUECK, University of
Universitat Osnabrueck
Original Assignee
OSNABRUECK, University of
Universitat Osnabrueck
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Publication date
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Abstract

In einem ersten Aspekt richtet sich die vorliegende Erfindung auf ein Elektrodenmaterial, wobei dieses in Form einer kolloidalen Lösung eines molekularen Komplexes aus nanoskaligem redoxaktiven organischen Oligomer und/oder Polymer und mindestens nanoskaligem graphitischen Material ausgebildet ist. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden bereitgestellt, sowie entsprechende Elektroden. Weiterhein betrifft die vorliegende Erfindung elektrochemische Zellen mit erfindungsgemäßen Elektroden und/oder erfindungsgemäßem Elektrodenmaterial. Schließlich wird ein Verfahren zur Herstellung redoxaktiver organischer Oligomere und/oder Polymere beschrieben.In a first aspect, the present invention is directed to an electrode material, which is in the form of a colloidal solution of a molecular complex of nanoscale redox-active organic oligomer and / or polymer and at least nanoscale graphitic material. In addition, a method for the production of electrodes is provided, as well as corresponding electrodes. Furthermore, the present invention relates to electrochemical cells with electrodes according to the invention and / or electrode material according to the invention. Finally, a process for the preparation of redox-active organic oligomers and / or polymers is described.

Description

In einem ersten Aspekt richtet sich die vorliegende Erfindung auf ein Elektrodenmaterial, wobei dieses in Form einer kolloidalen Lösung eines molekularen Komplexes aus nanoskaligem redoxaktiven organischen Oligomer und/oder Polymer und mindestens nanoskaligem graphitischen Material ausgebildet ist. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden bereitgestellt, sowie entsprechende Elektroden. Weiterhein betrifft die vorliegende Erfindung elektrochemische Zellen mit erfindungsgemäßen Elektroden und/oder erfindungsgemäßem Elektrodenmaterial. Schließlich wird ein Verfahren zur Herstellung redoxaktiver organischer Oligomere und/oder Polymere beschrieben.In a first aspect, the present invention is directed to an electrode material, which is in the form of a colloidal solution of a molecular complex of nanoscale redox-active organic oligomer and / or polymer and at least nanoscale graphitic material. In addition, a method for the production of electrodes is provided, as well as corresponding electrodes. Furthermore, the present invention relates to electrochemical cells with electrodes according to the invention and / or electrode material according to the invention. Finally, a process for the preparation of redox-active organic oligomers and / or polymers is described.

Stand der TechnikState of the art

Mobilität und Informationsaustausch prägen das Leben der modernen Gesellschaft immer deutlicher. Deshalb werden zwangsläufig ständig effizientere, wieder aufladbare, portable Batterien und Akkumulatoren benötigt. Hohe gravimetrische und/oder volumetrische Energie- und/oder Leistungsdichte und Stabilität über viele Lade-/Entladezyklen werden dazu benötigt. Beispielhaft wird erwartet, dass ein Smartphone mehrere Tage lauffähig ist ohne es wieder aufladen zu müssen, das heißt eine hohe volumetrische und gravimetrische Energiedichte des Akkumulators aufzeigt. Der Batteriesatz eines Elektroautos soll eine Reichweite von mindestens 500 Kilometer garantieren, dieses erfordert eine hohe Energie- und Leistungsdichte und der Akkumulator soll darüber hinaus schnell, wie zum Beispiel in wenigen Minuten, aufladbar sein, was eine hohe Leistungsdichte erfordert. Um zum Beispiel eine Drohne über mehr als eine Stunde im Flug zu halten benötigen die eingesetzten Zellen, das heißt die Batterien/Akkumulatoren eine hohe Leistungs- und Energiedichte.Mobility and information exchange are increasingly shaping the life of modern society. Therefore, more and more efficient, rechargeable, portable batteries and accumulators are inevitably needed. High gravimetric and / or volumetric energy and / or power density and stability over many charge / discharge cycles are required. By way of example, it is expected that a smartphone will run for several days without having to recharge it, that is to say a high volumetric and gravimetric energy density of the accumulator. The battery pack of an electric car should guarantee a range of at least 500 kilometers, this requires a high energy and power density and the battery should also be fast, such as in a few minutes, rechargeable, which requires a high power density. For example, to keep a drone in flight for more than an hour, the cells used, ie the batteries / accumulators, require a high power and energy density.

Darüber hinaus soll in der Zukunft die Batterie in ihrer äußeren Form an gegebene äußere Formen angepasst werden können, zum Beispiel in Stoffe von Kleidern eingewebt oder eingebunden sein oder in das Armband einer Smartwatch oder ähnlichem integrierbar sein. Das heißt eine Flexibilität der Batterien ist vorgesehen. Neben Energie- und Leistungsdichte spielt insbesondere bei großen Produktionszahlen Recyclebarkeit, Abbaubarkeit zum Beispiel durch Kompostierung aber auch ein Verringern der Giftigkeit, vorliegend des Schwermetallanteils und eine Expressionssicherheit eine immer größere Rolle.Moreover, in the future, the external shape of the battery should be able to be adapted to given external shapes, for example be woven or incorporated into fabrics of clothing, or be integrated into the bracelet of a smartwatch or the like. That is, a flexibility of the batteries is provided. In addition to energy and power density, recyclability, degradability, for example by composting, but also a reduction in the toxicity, in the present case of heavy metal content, and an expression reliability play an increasingly important role, especially in the case of large production numbers.

Es gibt eine Vielzahl von Batterien/Akkumulatoren, die auf unterschiedliche Prinzipien beruhen. Vorliegend werden die Ausdrücke Batterien und Akkumulatoren synonym verwendet, soweit nicht anders ausgeführt.There are a variety of batteries / accumulators based on different principles. In the present case, the terms batteries and accumulators are used synonymously, unless stated otherwise.

Unter dem Begriff LIBs (Lithium Ion Batteries) werden im Prinzip alle Anoden/Kathodensysteme mit zwei Oberflächen - verankerten Lithiumionen Interkalationssystemen subsummiert. Üblicherweise werden unter diesem Begriff die auf dem Markt befindlichen Lithium Ionen Batterien verstanden. Diese dominieren wegen ihrer hohen Energiedichte, ihrer hohen Zyklisierbarkeit und ihrer relativ hohen freundlichen Handhabung in verschiedenen Variationen den Akkumulatormarkt. Die Standardanode von solchen LIBs beruht auf einer (De)Interkalation von Li+ in Graphit entsprechend einem Potential, das praktisch dem Potential der Li+/Lithium-Halbzelle entspricht. Dadurch weist sie ein negatives Potential von circa -3V gegen eine SHE (Standard Hydrogen Elektrode) auf, die gravimetrische Kapazität liegt bei circa 350 mAh/g und die durchschnittliche volumetrische Kapazität bei zwischen 330 bis 430 mAh/cm3. Die flächenspezifische Kapazität liegt zwischen 3 bis 4 mAh/cm2, dadurch stellt sie ein ideales Anodenmaterial dar.In principle, all anode / cathode systems are subsumed under the term LIBs (Lithium Ion Batteries) with two surface-anchored lithium ion intercalation systems. Usually, this term is understood to mean the lithium ion batteries on the market. These dominate the accumulator market because of their high energy density, their high Zyklisierbarkeit and their relatively high friendly handling in various variations. The standard anode of such LIBs is based on a (de) intercalation of Li + in graphite corresponding to a potential that practically corresponds to the potential of the Li + / lithium half-cell. As a result, it has a negative potential of about -3V against a SHE (standard hydrogen electrode), the gravimetric capacity is about 350 mAh / g and the average volumetric capacity is between 330 to 430 mAh / cm 3 . The area-specific capacity is between 3 to 4 mAh / cm 2 , thereby making it an ideal anode material.

Die Kathode in einem solchen System basiert auf der reversiblen (De)Interkalation von Lithiumionen in kristallinen Metalloxiden und -phosphaten. Hier wird derzeit das meiste Verbesserungspotential gesehen. Gesucht werden Materialien mit großer volumen-, massespezifischer und flächenspezifischer Energie- und Leistungsdichte. Üblicherweise werden bisher Materialien vom Typ LiMO2 eingesetzt, wobei als M Nickel, Kobalt und/oder Mangan verwendet wird. Diese liefern Kapazitäten von rund 180 mAh/g, wobei vor kurzem eine Vanadiumoxidkathode beschrieben wurde, die bis zu 400 mAh/g leistete, allerdings zeigte diese eine variable Entladespannung und schlechte Zyklisierbarkeit.The cathode in such a system is based on the reversible (de) intercalation of lithium ions in crystalline metal oxides and phosphates. Here is currently the most improvement potential seen. We are looking for materials with high volume-, mass-specific and area-specific energy and power density. Conventionally, materials of the LiMO 2 type have hitherto been used, with M being nickel, cobalt and / or manganese. These deliver capacities of around 180 mAh / g, recently describing a vanadium oxide cathode capable of up to 400 mAh / g, but exhibiting variable discharge voltage and poor cyclability.

Generell reichen diese Lithium Ionen Batterien mit einer Graphitanode und einer LiMO2 Kathode Zellspannung von >3V, allerdings treten hierbei unerwünschte Nebenreaktionen sowie ein beachtliches Gefährdungspotential (Explosionssicherheit) auf. Es wird unter anderem eine Zersetzung des brennbaren organischen Lösungsmittels beobachtet, die Zyklisierbarkeit und Ladekapazität ist verschlechtert.In general, these lithium ion batteries with a graphite anode and a LiMO 2 cathode cell voltage of> 3V, but this undesirable side reactions and a considerable hazard potential (explosion safety) occur. Among other things, a decomposition of the combustible organic solvent is observed, the Zyklisierbarkeit and charge capacity is deteriorated.

Eine große flächenspezifische Ladung (Stromdichte) in solchen LIB-Kathodenmaterialien wird durch die geringe Ionen- und Elektroden-Leitfähigkeit im Interkalationsgitter und zwischen den Kristallen limitiert. Diese Limitierung und Überwindung hiervon ist gegenwärtig Gegenstand intensiver Untersuchungen, um die Diffusion der Lithium Ionen und der Elektronen in und aus dem kathodischen Wirtskristall zu umgehen werden zum Beispiel kleine Kristalle verwendet, deren Synthese allerdings aufwendig ist. Zur Verbesserung der Ionen- und Elektrodenleitfähigkeit zwischen den Wirtskristallen werden graphitische Mikro- und Nanomaterialien zugefügt. Ein Verpressen dieser Nano- und Mikrokomponenten, das heißt der Wirtskristalle und graphitischem Material bei Vorhandensein von Bindemitteln, führt zu einem porösem Kompositmaterial mit Elektrolyt- und Elektroden-Perkolationssystem, allerdings ergibt sich dadurch kein molekularer Kontakt zwischen elektrischem Leiter und Ladungsspeichermaterial, so dass keine ausreichende Verbindung zwischen den verschiedenen Komponenten erfolgt.A large area specific charge (current density) in such LIB cathode materials is limited by the low ion and electrode conductivity in the intercalation grid and between the crystals. This limitation and overcoming of this is currently the subject of intensive research into the To circumvent diffusion of lithium ions and electrons in and out of the cathodic host crystal, for example, small crystals are used, the synthesis of which, however, is expensive. To improve the ion and electrode conductivity between the host crystals, graphitic micro- and nanomaterials are added. Compressing these nano- and microcomponents, that is the host crystals and graphitic material in the presence of binders, results in a porous composite material with electrolyte and electrode percolation system, but this does not result in molecular contact between the electrical conductor and the charge storage material, so that sufficient Connection between the different components takes place.

Solche Systeme liegen meist in einem Verhältnis von aktivem Material: Elektrodenleiter: Bindemittel in Gewichtsprozenten von maximal 75:50:10 vor. Zwar erhöht die Zugabe an graphitischem Material die spezifische Stromdichte (mA/cm2), sitzt aber gegenüber des Eigengewichts die Oberflächen- und flächenspezifische Kapazität (mAh/gcm2) herab. Dieses Problem der gegenüberstehenden Anforderungen zu lösen, ist Gegenstand vieler Untersuchungen. Typische Werte für solche Systeme sind zum Beispiel Energiedichten von 150 bis 100 mA/g, bei einer maximalen Schichtdicke von circa 100 µm, wobei circa 1 bis 4 mAh/cm2 bei maximalen Stromdichten von 5 bis 8 mA/cm2.Such systems are usually in a ratio of active material: electrode conductor: binder in percent by weight of a maximum of 75:50:10 ago. Although the addition of graphitic material increases the specific current density (mA / cm 2 ), the surface and area-specific capacitance (mAh / gcm 2 ) is lower than its own weight. Solving this problem of conflicting requirements is the subject of much research. Typical values for such systems are, for example, energy densities of 150 to 100 mA / g, with a maximum layer thickness of approximately 100 μm, with approximately 1 to 4 mAh / cm 2 at maximum current densities of 5 to 8 mA / cm 2 .

So wird zum Beispiel in der WO 2014/093876 A1 ein halbfestes Elektrodenmaterial mit einer hohen Kapazität beschrieben, die kathodischen Materialien weisen dabei Schichtdicken bis mehrere 100 µm auf, es konnten spezifische Kapazitäten von bis zum 12 mA/cm2 und Stromdichten bis zu 10 mA/cm2 ohne Kapazitätseinbuße und bis zu 16 mA/cm2 mit einer 50-prozentigen Kapazitätseinbuße beobachtet werden.For example, in the WO 2014/093876 A1 described a semisolid electrode material with a high capacity, the cathodic materials have layer thicknesses up to several 100 microns, it could have specific capacities of up to 12 mA / cm 2 and current densities up to 10 mA / cm 2 without loss of capacity and up to 16 mA / cm 2 with a 50 percent capacity loss.

Die LIBs auf Basis von wässrigen Systemen haben allerdings das Problem, dass sie keine großen Zellspannungen leisten können, das heißt wässrige Elektrolyten können aufgrund der Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung und einem sich daraus ergebenen möglichen Explosionspotential nicht in oben genannten Lithium Ionen Batterien eingesetzt werden, sondern es sind organische Lösungsmittel notwendig, die aber andere Nachteile, wie zum Beispiel eine hohe Brennbarkeit aufweisen.The LIBs based on aqueous systems, however, have the problem that they can not afford high cell voltages, that is, aqueous electrolytes can not be used in the above-mentioned lithium ion batteries due to the evolution of hydrogen and oxygen and the resulting possible explosion potential, but rather Organic solvents are necessary, but have other disadvantages, such as a high flammability.

Entsprechende Probleme treten häufig bei Lithium-Anoden auf. Alternative Anodenmaterialien sind zwar mit wässrigen Elektrolyten kompatibel (zum Beispiel TiO2) allerdings wiesen diese keine ausreichende Kapazität und eine ungenügende Lade/Entladezyklenzahl unter Verringerung der Zellspannung auf.Corresponding problems often occur with lithium anodes. Although alternative anode materials are compatible with aqueous electrolytes (for example, TiO 2 ), they did not have sufficient capacity and an insufficient charge / discharge cycle number to reduce the cell voltage.

Wie bereits ausgeführt, ist eine Flexibilität bei Batterien ebenfalls wünschenswert. Allerdings ist eine Flexibilität bei kristallinem Material aufgrund der eingesetzten Kathoden der LIBs nicht gegeben. Man versucht durch Verwendung von dünnen Schichten der Wirtskristalle auf einen flexiblen Stromkollektor flexible Batterien herzustellen, diese weisen allerdings limitierte Leistungseigenschaften auf.As already stated, flexibility in batteries is also desirable. However, there is no flexibility in crystalline material due to the cathodes used by the LIBs. The use of thin layers of host crystals on a flexible current collector attempts to produce flexible batteries, but these have limited performance characteristics.

Kristallin keramische Kathodensysteme, das heißt solche auf Basis von Oxiden und Phosphaten in bekannten LIB-Systemen eignen sich für flexible, biegbare oder streckbare Batterien schlecht, obwohl bereits einige Ausführungsformen vorgeschlagen wurden. Prinzipiell sind die anorganisch-keramischen Interkalationswirtssysteme spröde und eine Flexibilität kann nur durch Verwendung kleiner Wirtskristalle unter Beimischung eines flexiblen Binder- und/oder Leiterpolymers erreicht werden, dadurch wird aber die Energie- und Leistungsdichte des Batteriematerials deutlich herabgesetzt.Crystalline ceramic cathode systems, that is to say those based on oxides and phosphates in known LIB systems, are poorly suited for flexible, bendable or stretchable batteries, although some embodiments have already been proposed. In principle, the inorganic-ceramic intercalation host systems are brittle and flexibility can only be achieved by using small host crystals with admixture of a flexible binder and / or conductor polymer, but this significantly reduces the energy and power density of the battery material.

Organische und metallorganische Redoxpolymere sind vielfach in der Literatur als potentiell aktive Batterienmaterialien genannt; ihr Potential als aktive Batterienmaterialien wurde aber bisher nicht ausgeschöpft. Dabei ist es insbesondere nicht gelungen, nur annähernd an die Leistungseigenschaften der etablierten Lithiumbatterien heranzukommen. Entsprechende Redoxpolymerelektroden und Redoxpolymer elektrochemische Zellen können anstelle von Lithiumgraphit-Anoden und/oder anorganischen Ionen Interkalationssystemen als Kathoden verwendet werden.Organic and organometallic redox polymers are widely referred to in the literature as potentially active battery materials; However, their potential as active battery materials has not yet been exhausted. In particular, it has not been possible to come close to the performance characteristics of the established lithium batteries. Corresponding redox polymer electrodes and redox polymer electrochemical cells may be used as cathodes instead of lithium graphite anodes and / or inorganic ion intercalation systems.

Dabei sind alle Arten von Kombinationsmöglichkeiten zwischen diesen beiden Systemen möglich.All kinds of combinations between these two systems are possible.

Es ist aber bisher nicht gelungen, mit Redoxpolymermaterialien die gewünschten, wirtschaftlich interessanten flächenspezifischen Ladungsdichten (mAh/cm2) und flächenspezifischen Maximalstrom (mA/cm2) zu erreichen. Grund dafür ist das ungenügende Ionen- und/oder Elektronen Perkolationsverhalten des Redoxpolymermaterial, ein Problem, was bisher nicht überwunden werden konnte.However, it has not yet been possible to achieve the desired, economically interesting surface-specific charge densities (mAh / cm 2 ) and area-specific maximum current (mA / cm 2 ) with redox polymer materials. The reason for this is the insufficient ion and / or electron Perkolationsverhalten of the redox polymer material, a problem, which could not be overcome so far.

Es wurden in der Literatur schon verschiedene Ansätze beschrieben, unter anderem bei denen polymere aromatische Bor- und Schwefelverbindungen oder polymere N-Oxide eingesetzt werden. Weiterhin gibt es Poliviologen/PolitTEMPObatterien (TEMPO = 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl) mit PolyTEMPOschichten bis 3 µm und linear skalierbarer oberflächenspezifischer Kapazität bis circa 120 mA/cm2, hierbei waren bei geringer Schichtdicke von 100 nm und Kapazitäten von circa 2,8 mC/cm2 (entsprechend 0,001 mAh/cm2) Lade/Entladezyklen von 60 C/cm2 möglich. Allerdings erlaubt die gegenwärtige Technik schneller Lade- und Entladezyklen, das heißt solche mit einer spezifischen Ladegeschwindigkeit (C/cm2) > 10, bei Redoxpolymer modifizierten Elektroden nur eine maximale Ausbildung von 100 Monoschichten, so dass die notwendigen spezifischen Kapazitäten nicht erreicht werden. Vorteile von organischen Redoxpolymerkathoden gegenüber den herkömmlichen auf Basis von anorganischen Übergangsmetallen sind deren Umweltfreundlichkeit, da das organische Redoxsystem biologisch abbaubar ist, sie können zudem flexibel ausgestattet werden sowie die aufgrund der entsprechenden Synthese möglichen frei wählbaren Festlegung des Reduktionspotentials.Various approaches have already been described in the literature, inter alia, in which polymeric aromatic boron and sulfur compounds or polymeric N-oxides are used. Farther there are poliologists / PolitTEMPObatterien (TEMPO = 2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl) oxyl) with PolyTEMPOschichten to 3 microns and linear scalable surface specific capacity up to about 120 mA / cm 2 , this were at a small layer thickness of 100 nm and capacities of about 2.8 mC / cm 2 (corresponding to 0.001 mAh / cm 2 ) charge / discharge cycles of 60 C / cm 2 possible. However, the current technique of fast charging and discharging cycles, that is to say those with a specific charging speed (C / cm 2 )> 10, allows redox polymer modified electrodes to have a maximum formation of 100 monolayers so that the necessary specific capacities are not achieved. Advantages of organic redox polymer cathodes over the conventional based on inorganic transition metals are their environmental friendliness, since the organic redox system is biodegradable, they can also be flexibly equipped as well as the possible synthesis of the arbitrary determination of the reduction potential.

Generell gilt, dass beim Lade-/Entladevorgang Elektronenströme in den/aus dem finalen Stromkollektor und Ionenströme von der/in die Elektrolytphase in das Batteriematerial fließen. Die lokalen Elektronenströme im aktiven Schichtmaterial wachsen dabei in Richtung des finalen Stromkollektors, während die Ionenströme in Richtung des Bulk-Elektrolyten ansteigen. Idealerweise sollten die Querschnitte der Elektronen- und Ionenstromleiter in der Batteriematerialschicht den lokal zu erwartenden Maximalströmen angepasst sein, um bei hoher Energiedichte widerstandsfrei Ströme über einen großen Stromdichtebereich führen zu können. Von Magasinski (Maginski, A. et al; Nature Materials, 2010, 9 (4), 353-358) wurde für den Fall einer Lithium Ionen Anode bereits spekuliert, dass effiziente Elektronenperkolation durch das Batteriematerial im Nanometer- und Mikro- bis Makrometermaßstab gut nur durch ein hierarchisches Perkolationssystem erfüllt werden kann.Generally, during charging / discharging, electron currents flow in / out of the final current collector and ion currents flow from / into the electrolyte phase into the battery material. The local electron currents in the active layer material grow in the direction of the final current collector, while the ion currents rise in the direction of the bulk electrolyte. Ideally, the cross sections of the electron and ion current conductors in the battery material layer should be adapted to the locally expected maximum currents in order to be able to conduct currents over a large current density range without resistance at high energy density. From Magasinski (Maginski, A. et al; Nature Materials, 2010, 9 (4), 353-358) For example, in the case of a lithium ion anode, it has already been speculated that efficient electron percolation through the battery material at the nanometer and micro to macro scales can well be accomplished only by a hierarchical percolation system.

Solche hierarchischen Elektronen- und Ionenleiternetzwerke unterstützen die Elektronen- und/oder Ionenperkolation auf molekular nanoskopischer, mikroskopischer und makroskopischer Ebene. Es werden zum Beispiel mikrometergroße von Graphen umhüllte Si-Partikel beschrieben, die 3,2 mA/cm2 erreichen, es werden auch SiC-Partikel auf Carbon Black abgesetzt verwendet, die dann durch Selbstassemblierung zu granulare Strukturen überführt werden. Dadurch werden fünffach erhöhte spezifische Kapazitäten erreicht.Such hierarchical electron and ion conductor networks support electron and / or ion percolation at the molecular, nanoscopic, microscopic and macroscopic level. For example, micrometer-sized graphene-encapsulated Si particles are described that achieve 3.2 mA / cm 2 , and SiC particles deposited on carbon black are also used, which are then converted into granular structures by self-assembly. As a result, five times higher specific capacities are achieved.

Um eine strom- beziehungsweise kapazitätslimitierte Situation zu vermeiden, müssen simultan effiziente Elektronen- als auch Ionenperkolationen optimiert werden. Eine Umsetzung hiervon für organische Redoxpolymere ist allerdings nicht in der Literatur beschrieben.In order to avoid a current- or capacity-limited situation, efficient electron as well as ion percolation must be optimized simultaneously. However, an implementation thereof for organic redox polymers is not described in the literature.

Neben den oben genannten Problemen ausreichender Ladungskapazität etc. spielen weiterhin Umwelt- und Sicherheitsaspekte eine große Rolle. Das Recycling von anorganischen Batteriematerialien, wie Metalloxidkathoden, ist aufwendig und sogar aufwendiger als das von Bleiakkumulatoren. Des Weiteren können sich LIBs bei internem oder externem Kurzschluss aufheizen und abbrennen, wobei brennbare, organische Lösungsmittel/Elektrolyten eine wichtige Rolle spielen. Beispiele zu Bränden bei Fahrzeugen sind bekannt. Berüchtigt ist dabei das Explodieren von Lithiumbatterien mit hoher Zellspannung bei internem Kurzschluss. Aus diesem Grund ist es zum Beispiel nicht möglich, kleine Lithiumbatterien mittels einfacher Luftpost zu verschicken, es sind entsprechende Sicherheitsbehälter notwendig.In addition to the above-mentioned problems of sufficient charge capacity, etc., environmental and safety aspects continue to play a major role. The recycling of inorganic battery materials, such as metal oxide cathodes, is complex and even more expensive than that of lead-acid batteries. Furthermore, LIBs can heat up and burn off in the event of an internal or external short circuit, with flammable organic solvents / electrolytes playing an important role. Examples of fires in vehicles are known. Notorious is the exploding of lithium batteries with high cell voltage in case of internal short circuit. For this reason, for example, it is not possible to send small lithium batteries by means of simple air mail, it is necessary security containers.

Die geforderten notwendigen Zellspannungen zum Beispiel bei LIBs mit Graphitanode und einer LiMO2 Kathode von bis 3,5 V erfordern den Einsatz von nicht wässrigen Elektrolyten, da bei Wasser eine thermodynamische Zersetzungsspannung bei 1,24 V liegt. Zwar können organische Lösungsmittel/Elektrolyten für höhere Zellspannung eingesetzt werden, sind aber häufig brennbar. Zur Überwindung dieses Problems wurden bereits Aktivierungsbarrieren konstruiert, die eine Erhöhung der Zellspendung auf bis zu 1,6 V erlauben, um wässrige Elektrolyten einzusetzen, die gewünschten Zellspannungen von drei und mehr Volt werden aber nicht erreicht.The required cell voltages, for example, with LIBs with graphite anode and a LiMO 2 cathode of up to 3.5 V require the use of non-aqueous electrolyte, since in water a thermodynamic decomposition voltage is 1.24 V. Although organic solvents / electrolytes can be used for higher cell voltage, they are often combustible. To overcome this problem, activation barriers have been designed which allow an increase in cell delivery to as high as 1.6V to employ aqueous electrolytes, but do not achieve the desired cell voltages of three and more volts.

Der Gebrauch anorganischer Interkalationssysteme ist auf molekular-nanoskopischer Ebene nicht kompatibel mit einer Konstruktion von flexiblen, d. h. biege- und streckbaren Akkumulatoren wie sie immer mehr von der Wirtschaft gefordert werden, z. B. Smart Watches und in der Bekleidungsindustrie. Auch ein Zermahlen von entsprechenden Materialien mit anschließendem Vernetzen erlaubt keine großen flächenspezifischen Stromdichten bei großer flächenspezifischer Kapazität. Darüber hinaus ist die Verwendung von Schwermetallen, d. h. von z. B. 3-D-Übergangsmetallen, wie sie heute in LIBs verwendet werden, dem Kathodenmaterial aus Gründen der Umweltverträglichkeit bedenklich, bisherige Redox-Oligomer- oder Polymersysteme erlauben keine großen flächenspezifischen Stromdichten bei großer Kapazität.The use of inorganic intercalation systems is not compatible at the molecular-nanoscopic level with a design of flexible, d. H. bendable and stretchable accumulators as they are increasingly demanded by the economy, eg. Smart watches and apparel industry. Even grinding of corresponding materials with subsequent crosslinking does not permit large area-specific current densities with a large area-specific capacity. In addition, the use of heavy metals, d. H. from Z. B. 3-D transition metals, as used today in LIBs, the cathode material for environmental reasons of concern, previous redox oligomer or polymer systems do not allow large area-specific current densities at large capacity.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung neuartiger Elektrodenmaterialien auf Basis von redoxaktiven organischen Oligomeren und/oder Polymeren und graphitischem Material, dieses Elektrodenmaterial eignet sich insbesondere, um auf nanoskopischer und mikroskopischer Ebene erfindungsgemäße Perkulationssysteme bereitzustellen, die verbesserte flächenspezifische Stromdichten bei großer Kapazität und Dicken-Skalierbarkeit bereitstellen.The aim of the present invention is to provide novel electrode materials based on redox-active organic oligomers and / or polymers and graphitic material, this Electrode material is particularly useful for providing nanoscopic and microscopic level inventive percolation systems that provide improved area-specific current densities at high capacitance and thickness scalability.

Überraschend zeigte sich, dass die bisher bei Verwendung von Redoxpolymer angenommene schlechte volumetrische Energiedichte durch das erfindungsgemäße Elektrodenmaterial und der erfindungsgemäßen Elektroden tatsächlich nicht gegeben ist, sondern die erfindungsgemäßen Materialien und Elektroden eine gute volumetrische Energiedichte aufzeigen.Surprisingly, it was found that the bad volumetric energy density hitherto assumed when using redox polymer is in fact not given by the electrode material according to the invention and the electrodes according to the invention, but the materials and electrodes according to the invention show a good volumetric energy density.

Es lassen sich durch Verwendung des erfindungsgemäßen Elektrodenmaterials mehrere 100 µm Dicke Schichten auf entsprechende Stromkollektoren zur Ausbildung von Elektroden aufbauen, um entsprechende Elektroden der nächst größeren Hierarchie zu erhalten. Dabei wird das Elektrodenmaterial gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung so ausgewählt, dass das Potential zwischen minus 1 Volt und plus 1 Volt frei auswählbar ist. Wegen der Größendicken Skalierbarkeit des Elektrodenmaterials lassen sich hierarchisch größere Stromkollektoren mühelos an das Elektrodenmaterial anbinden. Damit können bisher nicht erreichte spezifische Ladungs- und Stromdichten mit organischen Batterien realisiert werden. Darüber hinaus erhalten die Elektrodenmaterialien mit den redoxaktiven organischen Oligomer und/oder Polymer keine Schwermetalle, sie können mit wässrigen Elektroden und/oder organischen Elektroden betrieben werden und sind im Wesentlichen biologisch abbaubar. Diese redoxaktiven organischen Oligomer und/oder Polymer (im Folgenden auch als Redoxpolymere bezeichnet) erlauben darüber hinaus die Ausbildung von flexiblen, d. h. bieg- und streckbaren Batterien.By using the electrode material according to the invention, several 100 μm thick layers can be built up on corresponding current collectors for the formation of electrodes in order to obtain corresponding electrodes of the next larger hierarchy. In this case, the electrode material according to an embodiment of the present invention is selected so that the potential between-1 volt and plus 1 volt is freely selectable. Because of the size-thickness scalability of the electrode material, hierarchically larger current collectors can be easily connected to the electrode material. As a result, previously unachieved specific charge and current densities can be realized with organic batteries. In addition, the electrode materials with the redox-active organic oligomer and / or polymer do not receive heavy metals, they can be operated with aqueous electrodes and / or organic electrodes and are essentially biodegradable. These redox-active organic oligomers and / or polymers (hereinafter also referred to as redox polymers) also allow the formation of flexible, d. H. bendable and stretchable batteries.

In einem ersten Aspekt wird somit ein Elektrodenmaterial in Form einer kolloidalen Lösung eines molekularen Komplexes umfassend mindestens ein maximal nanoskaliges redoxaktives organisches Oligomer und/oder Polymer und mindestens ein nanoskaliges graphitisches Material, wobei diese in einem Gewichtsverhältnis von redoxaktiven Oligomer und/oder Polymer und graphitischem Material von 1:1 bis 20:1 vorliegt und wobei das redoxartige organische Oligomer und/oder Polymer ein Komplex mit dem graphitischen Material ausbildet, bereitgestellt. In einer Ausführungsform kann ein Zusatz von 1 bis 10 Gewichtsprozent, z. B. 3-7 Gew.%, wie 4-6 Gew.%, jeweils bezogen auf das eingesetzte Redoxpolymer, eines Porenbildners, wie Polyvinylidenfluorid, erfolgen, um die Zyklisierbarkeit und Reversibilität des Materials zu erhöhen. Dem Fachmann sind geeignete Porenbildner bekannt.In a first aspect, therefore, an electrode material in the form of a colloidal solution of a molecular complex comprising at least one maximum nanoscale redox-active organic oligomer and / or polymer and at least one nanoscale graphitic material, wherein these in a weight ratio of redox-active oligomer and / or polymer and graphitic material is from 1: 1 to 20: 1 and wherein the redox-like organic oligomer and / or polymer forms a complex with the graphitic material provided. In one embodiment, an addition of 1 to 10 weight percent, e.g. B. 3-7 wt.%, How 4-6 wt.%, Based on the redox polymer used, a pore-forming agent, such as polyvinylidene fluoride, carried out in order to increase the Zyklisierbarkeit and reversibility of the material. The skilled person is aware of suitable pore formers.

Dieses Elektrodenmaterial in Form einer kolloidalen Lösung erlaubt die Herstellung von Elektroden auf entsprechenden Stromkollektoren mit den erfindungsgemäß gewünschten Eigenschaften, dabei können entsprechende hierarische Strukturen mit 2 oder 3 Hierarchiegenerationen ausgebildet werden. Die Elektroden mit den entsprechenden Stromkollektoren und dem erfindungsgemäßen Elektrodenmaterial weisen dabei zumindest in den Hierarchien eine nanoskopische Hierarchie (Hierarchie III), ggf. eine mikroskopische Hierarchie (II) und darüber hinaus eine makroskopische Hierarchie (Hierarchie I). Das redoxaktive organische Oligomer und/oder Polymer bildet dabei einen Komplex mit dem graphitischen, nanoskaligen Material der Hierarchie III aus.This electrode material in the form of a colloidal solution permits the production of electrodes on corresponding current collectors having the properties desired according to the invention; in this case, corresponding hierarchical structures with 2 or 3 hierarchical generations can be formed. The electrodes with the corresponding current collectors and the electrode material according to the invention have, at least in the hierarchies, a nanoscopic hierarchy (Hierarchy III), possibly a microscopic hierarchy (II) and furthermore a macroscopic hierarchy (Hierarchy I). The redox-active organic oligomer and / or polymer forms a complex with the graphitic nanoscale material of hierarchy III.

Im erfindungsgemäßen Elektrodenmaterial liegt dabei das Gewichtsverhältnis vom redoxaktiven Oligomer und/oder Polymer und graphitischem Material in einem Bereich von 1:1 bis 20:1. In einer Ausführungsform ist dabei das Gewichtsverhältnis im Bereich von 2:1 bis 10:1. Dabei können das redoxaktive Oligomer und/oder Polymer und graphitische Material, die beide nanoskalig vorliegen, eines sein mit einem polykationischen Ladungsträger des Oligomers und/oder Polymers und negativ geladenen Graphenoxid.In the electrode material according to the invention, the weight ratio of the redox-active oligomer and / or polymer and graphitic material is in a range from 1: 1 to 20: 1. In one embodiment, the weight ratio is in the range of 2: 1 to 10: 1. The redox-active oligomer and / or polymer and graphitic material, both of which are nanoscale, may be one with a polycationic charge carrier of the oligomer and / or polymer and negatively charged graphene oxide.

Damit die Komplexion des Graphenoxids vollständig erfolgen kann, sollte das Zeta-Potential des Kolloids von negativ nach deutlich positiv invertiert werden, so kann eine stabile Kolloidallösung erreicht werden. Dabei liegt in einer Ausführungsform das minimale Gewichtsverhältnis von 2:1 bis 3:1 vor.In order for the complexation of the graphene oxide to take place completely, the zeta potential of the colloid should be inverted from negative to clearly positive, so that a stable colloidal solution can be achieved. In one embodiment, the minimum weight ratio is from 2: 1 to 3: 1.

Bei Bereitstellung eines Elektrodenmaterials zur Herstellung von Batterien mit einer möglichen Optimierung zur hohen Stromdichte ist das Gewichtsverhältnis von redoxaktivem Oligomer und/oder Polymer, graphitischem Material bevorzugt in einem Bereich von 3:1 bis 5:1.When providing an electrode material for the production of batteries with a possible optimization for high current density, the weight ratio of redox-active oligomer and / or polymer, graphitic material is preferably in a range of 3: 1 to 5: 1.

Bei einem Elektrodenmaterial zur Herstellung von Batteriematerial mit optimierter hoher Kapazitätsdichte liegt das Gewichtsverhältnis bevorzugt in einem Bereich von 5:1 bis 10:1. Bei Herstellen des Elektrodenmaterials für Batterien wobei auf eine hohe Strom- und Kapazitätsdichte geachtet wird, liegt das Gewichtsverhältnis bei 3:1 bis 6:1.In an electrode material for producing battery material with optimized high capacity density, the weight ratio is preferably in a range of 5: 1 to 10: 1. When manufacturing the electrode material for batteries, paying attention to a high current and capacity density, the weight ratio is 3: 1 to 6: 1.

Bei großen Schichtdicken von zum Beispiel > 10 µm sollten eher kleinere Gewichtsverhältnisbereiche eingesetzt werden, während bei kleineren Schichtdicken von zum Beispiel < 1 µm Gewichtsverhältnisse im höheren Verhältnisbereich verwendet werden. With large layer thicknesses of, for example,> 10 .mu.m, rather smaller weight ratio ranges should be used, while with smaller layer thicknesses of, for example, <1 .mu.m, weight ratios in the higher ratio range are used.

In einer Ausführungsform liegen die Oligomere oder Polymere, die beispielsweise teilweise als Dendrimere ausgebildet sind, in dem ausgebildeten Komplex in polykationischer Form vor. Es wird davon ausgegangen, dass diese Ladung entweder durch die Ladung des Polymers im vorhandenen Oxidationszustand zustande kommt oder durch komplette oder partielle Oxidation des Polymers vor der Komplexbildung oder durch Synthese in der Polymerkette des Oligomers und/oder Polymers.In one embodiment, the oligomers or polymers which are, for example, partially formed as dendrimers are present in the formed complex in polycationic form. It is believed that this charge is due to either the charge of the polymer in the existing oxidation state, or by complete or partial oxidation of the polymer prior to complex formation or by synthesis in the polymer chain of the oligomer and / or polymer.

Die kolloidale Lösung liegt dabei in einer Ausführungsform in einem Lösungsmittel wie Wasser oder wässrigen Lösungsmitteln vor.In one embodiment, the colloidal solution is present in a solvent such as water or aqueous solvents.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform weist dabei das erfindungsgemäße Elektrodenmaterial keine Schwermetalle und/oder Schwermetall-Ionen auf.In one embodiment according to the invention, the electrode material according to the invention does not contain any heavy metals and / or heavy metal ions.

In einer Ausführungsform können die Oligomere und/oder Polymere dabei zumindest teilweise als Dendrimere vorliegen.In one embodiment, the oligomers and / or polymers may be present at least partially as dendrimers.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektrodenmaterials weist dabei das redoxaktive organische Oligomer und/oder Polymer mindestens zwei Elektrophorengruppen mit vorwiegend kathodischem Charakter aus den Klassen aus Elektrophorengruppen aus aliphatischen oder aromatischen N-Oxide, 9-Alkyl und Aryl-Carbazole, 1,4-Di-Alkyloxy und Aryloxy-2,5-tert-Butylbenzole, Benzoquinon-Diimine, N-Alkyl-Phenothiazine oder zumindest zwei Elektrophorengruppen mit vorwiegend anodischem Charakter ausgewählt aus den Klassen aus Elektrophorengruppen aus Bipyridinium-Salze, Chinone, Anthachinone oder aromatischen 1,4 oder 1,2 Dioxoverbindungen, aromatische Tetracarbonsäurediimide, aromatische Dicarbonsäuresalze, benzylische oder aromatische Disulfide auf.In one embodiment of the electrode material according to the invention, the redox-active organic oligomer and / or polymer has at least two electrophorus groups of predominantly cathodic character from the classes of electrophorus groups of aliphatic or aromatic N-oxides, 9-alkyl and aryl-carbazoles, 1,4-diisocyanates. Alkyloxy and aryloxy-2,5-tert-butylbenzenes, benzoquinone diimines, N-alkyl-phenothiazines, or at least two predominantly anodic electrophorus groups selected from the classes of electrophore groups derived from bipyridinium salts, quinones, anthachinones or aromatic 1,4 or 1 , 2 dioxo compounds, aromatic tetracarboxylic diimides, aromatic dicarboxylic acid salts, benzylic or aromatic disulfides.

Die genannten Elektrophorengruppen können mehrere einelektronisch reduzierbare Untereinheiten tragen, die sich zu einer 2-elektronisch reduzierbaren Untereinheit ergänzen. Beispielhaft sei hier das Bipyridinium genannt, das zwei einelektronisch reduzierbare Untereinheiten besitzt.The mentioned electrophoretic groups can carry a plurality of electronically reducible subunits, which complement each other to form a 2-electronically reducible subunit. An example is the bipyridinium, which has two electronically reducible subunits.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Elektrodenmaterial eines wobei diese, Oligomere und/oder Polymere mehrfache, lokalisierte oder konjugierte, reversibel oxidierbare/reduzierbare Elektrophoren aufweisen, insbesondere mit mindestens zwei Elektrophorengruppen ausgewählt aus den folgenden Elektrophorengruppen:

Figure DE102016124586A1_0001
N,N'-Dimethyl-4,4'-Bipyridinium
Figure DE102016124586A1_0002
N,N'-Dimethyl-2,2'-Bipyridinium
Figure DE102016124586A1_0003
Anthrachinon
Figure DE102016124586A1_0004
Phenamthren-9, 10-dion
Figure DE102016124586A1_0005
N,N'Dimethyl-Py-romellitdiimid
Figure DE102016124586A1_0006
Li Terephthalat
Figure DE102016124586A1_0007
Dihydrotetrathiaanthracen
Figure DE102016124586A1_0008
(2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl
Figure DE102016124586A1_0009
Galvinoxyl
Figure DE102016124586A1_0010
9-Methylcarbazole
Figure DE102016124586A1_0011
1,4-Di-t-Butyl-2,5-dimethoxybenzol
Figure DE102016124586A1_0012
N,N'-2,5-cyclohexadiene-1,4-diylidenebis
Figure DE102016124586A1_0013
n-methyl phenothiazine
In a further embodiment, the electrode material is one in which these oligomers and / or polymers have multiple, localized or conjugated, reversibly oxidizable / reducible electrophors, in particular having at least two electrophore groups selected from the following electrophoretic groups:
Figure DE102016124586A1_0001
N, N'-dimethyl-4,4'-bipyridinium
Figure DE102016124586A1_0002
N, N'-dimethyl-2,2'-bipyridinium
Figure DE102016124586A1_0003
anthraquinone
Figure DE102016124586A1_0004
Phenythrene-9, 10-dione
Figure DE102016124586A1_0005
N, N'Dimethyl-Py-romellitdiimid
Figure DE102016124586A1_0006
Li terephthalate
Figure DE102016124586A1_0007
Dihydrotetrathiaanthracen
Figure DE102016124586A1_0008
(2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl) oxyl
Figure DE102016124586A1_0009
galvinoxyl
Figure DE102016124586A1_0010
9-Methylcarbazole
Figure DE102016124586A1_0011
1,4-di-t-butyl-2,5-dimethoxybenzene
Figure DE102016124586A1_0012
N, N'-2,5-cyclohexadiene-1,4-diylidenebis
Figure DE102016124586A1_0013
n-methyl phenothiazines

Es zeigte sich, dass das erfindungsgemäße Elektrodenmaterial die Ausbildung der Hierarchien und die Verknüpfung dieser Hierarchien untereinander verbessert.It was found that the electrode material according to the invention improves the formation of the hierarchies and the linking of these hierarchies with one another.

Das erfindungsgemäße Elektrodenmaterial ist insbesondere ein biologisch abbaubares Elektrodenmaterial.The electrode material according to the invention is in particular a biodegradable electrode material.

In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Elektrodenmaterial um eines mit Graphenoxid und einem redoxaktiven Oligomer und/oder Polymer auf Basis von N, N'-Dimethyl-4,4'-Bipyridinium.In one embodiment, the electrode material according to the invention is one with graphene oxide and a redox-active oligomer and / or polymer based on N, N'-dimethyl-4,4'-bipyridinium.

In einem weiteren Aspekt richtet sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode mit einem erfindungsgemäßen Elektrodenmaterial. Dieses Verfahren umfasst das Aufbringen des Elektrodenmaterials in Form einer kolloidalen Lösung auf einen Stromkollektor; anschließend wird das Lösungsmittel, in dem die genannten Komponenten vorliegen, unter Beibehaltung der molekularen Komplexstruktur des Elektrodenmaterials aus dem graphitischen Material und dem redoxaktiven organischen Oligomer und/oder Polymer auf dem Stromkollektor, entfernt.In a further aspect, the present invention is directed to a method for producing an electrode with an electrode material according to the invention. This method comprises applying the electrode material in the form of a colloidal solution to a current collector; Subsequently, the solvent in which the said components are present, while maintaining the molecular complex structure of the electrode material of the graphitic material and the redox-active organic oligomer and / or polymer on the current collector removed.

In einem weiteren Aspekt umfasst das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für die Elektrode den Schritt das graphitische Material in Form eines Graphenoxids durch chemische Reduktion, insbesondere durch elektrochemische Reduktion, wie durch elektrokatalytische Reduktion zu reduziertem Graphenoxid umzuwandeln.In a further aspect, the electrode manufacturing method of the invention comprises the step of converting the graphitic material in the form of a graphene oxide by chemical reduction, in particular by electrochemical reduction, such as by electrocatalytic reduction to reduced graphene oxide.

Durch die Umwandlung des Graphenoxids in reduziertem Graphenoxid ist es möglich, dass dieses reduzierte Graphenoxid graphenähnliche Eigenschaften aufweist und somit gut als Elektrodenmaterial geeignet ist.By converting the graphene oxide into reduced graphene oxide, it is possible that this reduced graphene oxide has graphene-like properties and thus is well suited as an electrode material.

Dem Fachmann sind geeignete Verfahren zur Reduktion des Graphenoxids zu reduziertem Graphenoxid (rGO) bekannt. So kann diese Aktivierung des Elektrodenmaterials durch Reduktion elektrochemisch erfolgen. Dazu wird z. B. die entsprechende Elektrode nach Aufbringen des Elektrodenmaterials mehrfach zyklisch bis in den Bereich von -1.1 V (gegen Ag/AgCl) gescannt. Zum Beispiel ist als Elektrokatalysator das Polymer selber aktiv, wenn es im Potentialbereich negativer als -0.5 V reduzierbar ist, oder es wird monomeres Viologen dem Elektrolyten beigegeben, das dann die Rolle des Elektrokatalysators übernimmt. Die entsprechende Scan-Geschwindigkeit kann der Dicke der Schicht angepasst werden. Die Reduktion von Graphenoxid zu reduziertem Graphenoxid ist durch einen kathodischen katalytischen Strom im Bereich von negativer als -0,3 V erkennbar, nach Abnahme bzw. Verschwinden des elektrokatalytischen Stromes ist die Umwandlung zu reduziertem Graphenoxid vollzogen.Those skilled in the art are well-known methods for reducing graphene oxide to reduced graphene oxide (rGO). Thus, this activation of the electrode material can be carried out by reduction electrochemically. This is z. B. the corresponding electrode after application of the electrode material several times cyclically scanned to the range of -1.1 V (against Ag / AgCl). For example, as the electrocatalyst, the polymer itself is active when it is reducible more negatively than -0.5 V in the potential range, or monomeric viologen is added to the electrolyte, which then takes on the role of the electrocatalyst. The appropriate scan speed can be adapted to the thickness of the layer. The reduction of graphene oxide to reduced graphene oxide is seen by a cathodic catalytic stream in the range of more negative than -0.3 V, after decrease or disappearance of the electrocatalytic stream, the conversion to reduced graphene oxide is completed.

In einem weiteren Aspekt richtet sich die vorliegende Erfindung auf eine Elektrode mit einem erfindungsgemäßen Elektrodenmaterial sowie einem Stromkollektor, dieser Stromkollektor ist dabei mindestens mikroskalig ausgebildet.In a further aspect, the present invention is directed to an electrode with an electrode material according to the invention and a current collector, this current collector is formed at least microscale.

Hierin bedeutet der Ausdruck „nanoskalig“: Materialien, die in der kleinsten Dimension kleiner als 500 nm sind, insbesondere Materialien, die in ihrer kleinsten Dimension kleiner als 200 nm, wie kleiner als 100 nm, zum Beispiel kleiner als 50 nm, wie kleiner als 10 nm sind, der Ausdruck mikroskalig Materialien die in ihrer kleinsten Dimension zwischen 500 nm und 100 µm sind, und der Ausdruck makroskalig auf Materialien, die in allen Dimensionen größer als 100 µm sind. Herein, the term "nanoscale" means materials which are smaller than 500 nm in the smallest dimension, in particular materials smaller than 200 nm in their smallest dimension, such as smaller than 100 nm, for example smaller than 50 nm, smaller than 10 nm are the term micro-scale materials that are in their smallest dimension between 500 nm and 100 μm, and the term macro-scale to materials that are greater than 100 μm in all dimensions.

Der finale makroskopische Stromkollektor ist zum Beispiel eine elektrisch leitende, eventuell flexible Platte. Der mikroskopische Stromkollektor ist typischerweise einer Ausführungsform bestehend aus Kohlenstofffasern wie in Form eines Filzes oder Vlieses oder in Form eines Gewebes oder in Form eines Schaumes wie in Form eines 3D-Kohlenstoffschaumträgermaterials, wobei mindestens eine Dimension der Struktur im Bereich 500 nm und 100 µm liegt. Der mikroskopische Stromkollektor kann weiterhin aus einem Ensemble von VGCFs (vapor grown carbon fibers) bestehen.The final macroscopic current collector is, for example, an electrically conductive, possibly flexible plate. The microscopic current collector is typically one embodiment of carbon fibers, such as a felt or nonwoven fabric, or in the form of a fabric, or in the form of a foam such as a 3D carbon foam carrier material, wherein at least one dimension of the structure is in the range of 500 nm and 100 μm. The microscopic current collector may further consist of an ensemble of VGCFs (vapor grown carbon fibers).

Aufbauend auf den vorliegend beschriebenen Hierarchiensystem sind die Stromkollektoren dabei solche der Hierarchie III, wie Graphenoxid oder leitfähige SW-CNTs (single wall Carbon Nanotubes)oder MW-CNTs (Multiwall Carbon Nanotubes) oder VGCNFs (vapor grown carbon nanofibers), diese haben dabei positive Zeta Potentiale.Based on the hierarchical system described herein, the current collectors are those of the hierarchy III, such as graphene oxide or conductive single-wall carbon nanotubes (SW-CNTs) or multiwall carbon nanotubes (CNTs) or vapor-grown carbon nanofibers (VGCNFs) Zeta potentials.

Geeignete Stromkollektoren der Hierarchie II sind die genannten Kohlenstoffasern in Form von Filz oder Vlies zum Beispiel solche mit Fasern im Dickebereich von circa 5 bis 30 µm oder VGCF im Dickenbereich von > 200 nm.Suitable current collectors of the hierarchy II are the mentioned carbon fibers in the form of felt or fleece, for example those with fibers in the thickness range of approximately 5 to 30 μm or VGCF in the thickness range of> 200 nm.

In einer Ausführungsform werden die Schichtdicken der verschiedenen Komponenten der einzelnen Hierarchien so angepasst, dass sie zu den anderen Hierarchien kompatibel sind. Zum Beispiel wird die Dicke der Hierarchie I Schicht vorzugsweise ähnlich der Dicke des Faserdurchmessers beziehungsweise des Porendurchmessers der Hierarchie II Stromkollektoren ausgewählt, so dass nach Belegen immer noch ein perkolierendes Ionenleitungssystem der Hierarchie II vorliegt. Geeignete Hierarchie I Stromkollektoren sind molekular flache Kohlenstofffolien oder Platten im Dickenbereich von 10 µm bis 1 cm.In one embodiment, the layer thicknesses of the various components of the individual hierarchies are adjusted to be compatible with the other hierarchies. For example, the thickness of the hierarchy I layer is preferably selected to be similar to the thickness of the fiber diameter or pore diameter of the Hierarchy II current collectors, so that after receipt there is still a percolating ionic conduction system of Hierarchy II. Suitable Hierarchy I Current collectors are molecularly flat carbon sheets or plates in the thickness range of 10 μm to 1 cm.

Die Elektroden können durch bekannte Verfahren hergestellt werden, zum Beispiel kann die Belegung des Stromkollektors der Hierarchie I mit er kolloidalen Lösung des erfindungsgemäßen Elektrodenmaterials derart erfolgen, dass dickenhomogene Hierarchie III/I Elektroden entstehen. Geeignete Verfahren zur Beschichtung des mikro- oder makroskopischen Stromkollektors mit der kolloidalen Lösung schließen dabei ein:

  1. a) Mehrfache (serielle) Applikation/Lösungsmittelentzug (wie beschrieben in Beispiel 1
  2. b) Kontinuierliche Applikation der kolloidalenLösung mittels Spritze auf den ständig geheizten Stromkollektor
  3. c) air brush Applikation der kolloidalen Lösung auf den geheizten Stromkollektor
  4. d) Elektrophoretische Belegung des Stromkollektors. Zur Verwendung kommt die im Verhältnis 3:1 (Polymer/Graphenoxid) hergestellte Lösung
The electrodes can be produced by known methods, for example, the occupation of the current collector of the hierarchy I can be carried out with he colloidal solution of the electrode material according to the invention such that thick homogeneous hierarchy III / I electrodes arise. Suitable methods for coating the micro- or macroscopic current collector with the colloidal solution include:
  1. a) Multiple (serial) application / solvent removal (as described in Example 1
  2. b) Continuous application of the colloidal solution by syringe to the constantly heated current collector
  3. c) air brush application of the colloidal solution to the heated current collector
  4. d) Electrophoretic assignment of the current collector. For use comes in the ratio 3: 1 (polymer / graphene oxide) prepared solution

Methoden a)-d) liefern ähnliche Leistungsdaten eignen sich aber für die industrielle Anwendung verschieden gut.Methods a) -d) provide similar performance but are well suited for industrial applications.

Bei einer Kombination aller drei Hierarchien in der Elektrode sollte die Schichtdicke der Hierarchie III ebenfalls möglichst homogen, zusätzlich aber in die Faser oder Porengröße des Kollektors der Hierarchie II angepasst werden. Die Herstellung einer solchen Elektrode mit einem Hierarchie III Elektrodenmaterial und einem Hierarchie II faserigen Stromkollektor kann durch repetitives Eintauchen/Ausheizen der faserigen Elektrode mit dem Kolloid erfolgen.In the case of a combination of all three hierarchies in the electrode, the layer thickness of the hierarchy III should also be adjusted as homogeneously as possible, but additionally in the fiber or pore size of the collector of the hierarchy II. The preparation of such an electrode with a Hierarch III electrode material and a Hierarchy II fibrous current collector can be accomplished by repetitive immersion / annealing of the fibrous electrode with the colloid.

Bei Verwendung von Graphenoxid erfolgt die Herstellung der Elektrode zuerst, anschließend findet die Umwandlung des Graphenoxids in reduziertes Graphenoxid statt.When using graphene oxide, the production of the electrode takes place first, then the conversion of the graphene oxide into reduced graphene oxide takes place.

Wie oben ausgeführt umfasst dieses eine elektrokatalytische Methode unter Verwendung der Selbstkatalyse, bevorzugt ist dabei das redoxaktive Oligomer und/oder Polymer eines mit E0 <-0,3 V. In einer anderen Ausführungsform handelt es sich um eine elektrokatalytische Methode und Verwendung eines Redoxmediators mit E0 < - 0,3 V. Eine solche Methode ist insbesondere dann anzuwenden wenn eine Selbstkatalyse nicht möglich ist. Alternativ kann eine elektrochemische Umwandlung erfolgen oder die einfache thermische Methode, eine solche thermische Methode eignet sich aber nur für wenige erfindungsgemäße redoxaktive Oligomere und/oder Polymere, wie zum Beispiel Polyimide, da ansonsten eine Zerstörung dieser stattfinden kann.As stated above, this includes an electrocatalytic method using self-catalysis, preferably the redox-active oligomer and / or polymer of one with E 0 <-0.3 V. In another embodiment, it is an electrocatalytic method and using a redox mediator with E 0 <- 0.3 V. Such a method is to be used in particular if self-catalysis is not possible. Alternatively, an electrochemical conversion or the simple thermal However, such a thermal method is suitable only for a few inventive redox-active oligomers and / or polymers, such as polyimides, since otherwise destruction of these can take place.

In einer Ausführungsform ist die Elektrode dabei eine ausgebildet als flexible Elektrode. Der Stromkollektor ist entsprechend ausgewählt um eine flexible Elektrode auszubilden. Insbesondere ist diese flexible Elektrode eine bei der eine Kohlenstofffolie als Stromkollektor einsetzt sowie ein Elektrodenmaterial mit reduziertem Graphenoxid oder Graphen als graphitisches Material.In one embodiment, the electrode is designed as a flexible electrode. The current collector is selected accordingly to form a flexible electrode. In particular, this flexible electrode is one using a carbon film as a current collector and an electrode material having reduced graphene oxide or graphene as a graphitic material.

Weiterhin richtet sich die vorliegende Erfindung auf eine elektrochemische Zelle mit einer Kathode und einer Anode, wobei ein erfindungsgemäßes Elektrodenmaterial und/oder eine erfindungsgemäße Elektrode zumindest eine der Kathode oder Anode ausbildet.Furthermore, the present invention is directed to an electrochemical cell having a cathode and an anode, wherein an electrode material according to the invention and / or an electrode according to the invention forms at least one of the cathode or anode.

Die elektrochemischen Zellen können dabei in verschiedenen Kombinationen vorliegen. Das heißt es kann einerseits eine der Elektroden mit einem erfindungsgemäßen Elektrodenmaterial vorliegen, während die zweite Elektrode ein konventionelles Material ist oder beide Elektroden können aus dem erfindungsgemäßen Elektrodenmaterial hergestellt sein.The electrochemical cells can be present in various combinations. This means that on the one hand one of the electrodes can be present with an electrode material according to the invention, while the second electrode is a conventional material or both electrodes can be made of the electrode material according to the invention.

Es bieten sich prinzipiell folgende Kombinationsmöglichkeiten an:

  1. 1. Redoxpolymeranode/traditionelle Übergangsmetall(phosphat)kathode oder
  2. 2. Traditionelle Li(Li-Graphit)anode/Redoxpolymerkathode oder
  3. 3. Redoxpolymeranode/Redoxpolymerkathode.
In principle, the following combination options are available:
  1. 1. Redox polymer anode / traditional transition metal (phosphate) cathode or
  2. 2. Traditional Li (Li-graphite) anode / redox polymer cathode or
  3. 3. Redox polymer anode / redox polymer cathode.

Eine Ausführungsform umfasst somit eine elektrochemische Zelle, wo die Kathode und die Anode ein erfindungsgemäßes Elektrodenmaterial aufweist. In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei der elektrochemischen Zelle um eine flexibel ausgestaltete Zelle. In einer Ausführungsform handelt es sich dabei um eine elektrochemische Zelle mit einem organischen Elektrolyten, diese weist in einer Ausführungsform dabei Zellspannungen von ≥ 1,5 V, wie ≥ 2 V auf.One embodiment thus comprises an electrochemical cell, where the cathode and the anode comprise an electrode material according to the invention. In a further embodiment, the electrochemical cell is a flexibly configured cell. In one embodiment, this is an electrochemical cell with an organic electrolyte, this in one embodiment, cell voltages of ≥ 1.5 V, such as ≥ 2 V on.

In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich um eine elektrochemische Zelle, wobei diese eine flächenspezifische Kapazität von ≥ 20 mAh/cm2 bei einer Gesamtdicke der elektrochemischen Zelle von ≤ 1 cm aufweist.In a further embodiment, it is an electrochemical cell, which has a surface-specific capacity of ≥ 20 mAh / cm 2 with a total thickness of the electrochemical cell of ≦ 1 cm.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass wegen der hervorragenden Dicken-skalierbarkeit des Elektrodenmaterials der dritten Hierarchie die nächsthöheren Hierarchien, nämlich die Hierarchie II und die Hierarchie I im Wesentlichen verlustfrei an die Hierarchie III in Bezug auf Kapazität und Stromdichte anbindbar sind. Dadurch erreichen die erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen zum Beispiel basierend auf die redoxaktiven organischen Oligomere und/oder Polymere Leistungswerte, die bisher nur von Schwermetall behafteten LIBs erreicht wurden. Das Elektrodenmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Bereich von 100 nm bis 2 mm skalierbar.The invention is characterized in that, because of the excellent thickness scalability of the electrode material of the third hierarchy, the next higher hierarchies, namely the hierarchy II and the hierarchy I, can be connected to the hierarchy III in terms of capacitance and current density substantially without any loss. As a result, the electrochemical cells according to the invention, for example based on the redox-active organic oligomers and / or polymers, achieve performance values which have hitherto only been achieved by heavy metals containing LIBs. The electrode material according to the present invention is scalable in the range of 100 nm to 2 mm.

In einer geeigneten Ausführungsform handelt es sich um Elektroden und solche Elektroden aufweisenden elektrochemischen Zellen, wobei der Stromkollektor einer der nächstgrößeren Hierarchie II ist zum Beispiel ein dreidimensionaler Stromkollektor auf Basis eines Schaums oder auf Basis eines Kohlenstofffaservlieses. Geeignet sind zum Beispiel die 1D Graphitfasern eines Kohlenstofffilzes, die Fasern eines Kohlenstoffvlieses bestehen aus Fasern im Dickebereich von circa 5 bis 20 µm oder VGCFs mit Durchmesser von > 500 nm. Bei dichten Fasern oder beabstandeten Fasern können die Zwischenbereiche mit dem erfindungsgemäßen Elektrodenmaterial belegt werden, so entsteht ein optimales Lösungsmittel und Elektroden perkolierendes System von zwei Hierarchiegenerationen. Dieses wird im Folgenden weiter ausgeführt. Damit können flächenspezifische Kapazitäten von 21 mA/cm2 erreicht werden. Darüber hinaus sind die elektrochemischen Zellen solche die kompostierbar sind, das heißt die biologisch abbaubare Materialien aufweisen.In a suitable embodiment, these are electrodes and electrochemical cells having such electrodes, wherein the current collector is one of the next larger hierarchy II, for example a three-dimensional current collector based on a foam or based on a carbon fiber fleece. Suitable fibers are, for example, the 1D graphite fibers of a carbon felt, the fibers of a carbon nonwoven consist of fibers in the thickness range of approximately 5 to 20 μm or VGCFs with a diameter of> 500 nm. For dense fibers or spaced-apart fibers, the intermediate regions can be covered with the electrode material according to the invention, This creates an optimal solvent and electrode percolating system of two hierarchical generations. This will be further explained below. This allows surface-specific capacities of 21 mA / cm 2 to be achieved. In addition, the electrochemical cells are those that are compostable, that is, have the biodegradable materials.

Die erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen eignen sich insbesondere als Batterien/Akkumulatoren im Fahrzeugbereich. Eine andere besonders geeignete Anwendung ist die Verwendung als flexible elektrochemische Zellen zum Beispiel im Bereich von Kleidung oder Smartwatches etc.The electrochemical cells according to the invention are particularly suitable as batteries / accumulators in the vehicle sector. Another particularly suitable application is the use as flexible electrochemical cells, for example in the field of clothing or smartwatches, etc.

Die elektrochemischen Zellen können auch wässrige Elektrolyten aufweisen, dies stellt insbesondere umweltfreundliche Batterien dar.The electrochemical cells may also have aqueous electrolytes, this represents in particular environmentally friendly batteries.

Schließlich stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Viologengruppen aufweisenden Oligomers oder Polymers bereit. Dieses Verfahren umfasst die Schritte

  • - Bereitstellens eines 1,1-(2,4-Dinitrophenyl)-4,4-Bipyridiniumdichlorids und einer zweiten Einheit umfassend mindestens zwei Aminogruppen;
  • - Umsetzen dieser beiden Verbindungen unter Freisetzung von einem 2,4-Dinitroanilins unter Erhalt einer oligomeren oder polymeren Viologengruppen aufweisenden Verbindung.
Finally, the present invention provides a process for preparing a viologen-group-containing oligomer or polymer. This procedure includes the steps
  • - Providing a 1,1- (2,4-dinitrophenyl) -4,4-Bipyridiniumdichlorids and a second unit comprising at least two amino groups;
  • - Reacting these two compounds to release a 2,4-dinitroaniline to give an oligomeric or polymeric viologen-containing compound.

In einer Ausführungsform erfolgt dabei die Umsetzung nach einer Zincke-Reaktion.In one embodiment, the reaction takes place after a Zincke reaction.

Unter Bezugnahme auf die Abbildungen und auf die Beispiele wird die Erfindung nun weiter erläutert.The invention will now be further explained with reference to the figures and to the examples.

Die Erfindung betrifft die Herstellung und Verwendung eines hierarchischen Stromleitersystems mit 2 oder 3 Hierarchiegenerationen, für organische, oligo- oder polymere, starre oder flexible Batteriematerialien, wobei die Hierarchien unbedingt den nanoskopischen (Hierarchie III), eventuell den mikroskopischen (II) und unbedingt den makroskopischen Bereich (Hierarchie I) umfassen ( und ). Das Leitermaterial besteht vorzugsweise aus Graphenoxid/Graphen kann aber auch aus leitfähigen CNTs (carbon nanotubes), multiwall-CNTs, oder VGCNFs (vapour grown carbon nano fibers) bestehen. Das hierarchische Elektronenleitersystem ist gepaart mit einem nanoskopischen, vorzugsweise ebenfalls hierarchisch aufgebauten Ionenleitersystem. Zur Herstellung des nanoskaligen Generation III Komposit kommt die molekularen Selbstassemblierung von oligomeren, dendritischen oder polymeren organischen oder metallorganischen, insbesondere mehrfach kationischen Verbindungen bzw. Salzen auf den nanoskopischen leitenden oder latent leitenden, nanoskaligen, vorteilhaft negativ geladenen Stromkollektoren zum Einsatz. Diese Technik erlaubt es erstmals, anodische oder kathodische Redoxpolymer-Batteriekomposite der Hierarchie III mit Dicken bis in im sub-µm bis in den mm-Bereich herzustellen, ohne große Einbußen bezüglich flächenspezifischer Kapazität und Stromdichte. Damit übertrifft der Komposit entsprechende Redoxpolymeren ohne das nanoskopische nanoskopische Leitersystem um den Faktor 10 bis 1000 bezüglich Stromdichte und Kapazität.The invention relates to the production and use of a hierarchical conductor system with 2 or 3 Hierarchiegenerationen, for organic, oligomeric or polymeric, rigid or flexible battery materials, the hierarchies necessarily the nanoscopic (Hierarchy III), possibly the microscopic (II) and necessarily the macroscopic Range (hierarchy I) include ( and ). The conductor material preferably consists of graphene oxide / graphene but can also consist of conductive CNTs (carbon nanotubes), multiwall CNTs, or VGCNFs (vapor grown carbon nanofibers). The hierarchical electron conductor system is paired with a nanoscopic, preferably also hierarchically constructed ion guide system. For the preparation of the nanoscale Generation III composite, the molecular self-assembly of oligomeric, dendritic or polymeric organic or organometallic, especially multi-cationic compounds or salts on the nanoscopic conductive or latent conductive, nanoscale, advantageously negatively charged current collectors is used. This technique makes it possible for the first time to produce anodic or cathodic redox polymer battery composites of hierarchy III with thicknesses down to submicrons down to the mm range, without much sacrifice in area-specific capacitance and current density. Thus, the composite surpasses corresponding redox polymers without the nanoscopic nanoscopic conductor system by a factor of 10 to 1000 in terms of current density and capacitance.

Hierarchie III, Selbstassemblierung:Hierarchy III, self-assembly:

Die Herstellung des Hierarchie III nanoskopischen Stromleiter-/Ionenleiters-/Redoxpolymersystems basiert auf der Selbstassemblierung von oligomeren, dendritischen oder polymeren organischen oder metallorganischen, insbesondere mehrfach kationischen Verbindungen bzw. Salzen (die polykationischen reversiblen Ladungsträger) auf nanoskopischen leitenden oder latent leitenden, vorzugsweise mehrfach negativ geladenen, graphitischen Materialien wie Graphenoxid, partiell oxidierten, leitenden Kohlenstoff Nanoröhren oder auf Kohlenstoff Fasern (VGCNFs). Prinzipiell lassen sich alle bekannten oligo- oder polymerisierbaren organischen oder metallorganischen, reversible Redoxsysteme als Ladungsträgerkomponente verwenden. Besonders geeignet sind polykationische Ladungsträger, die mit den nanoskaligen Stromkollektorsystemen eine elektrostatisch getriebene Selbstassemblierung eingehen. Die Herstellung der polykationischen Ladungsträger ist in beschrieben. Prinzipiell eignen sich Systeme mit der redoxaktiven Komponente (RA) in Seitenketten (IIX) oder in der Hauptkette (IX). Die positive Ladung liegt entweder im stabilen Zustand natürlicherweise vor, oder muss durch partielle Oxidation des Ladungsträgers vor der Selbstassemblierung bewirkt werden , oder sie muss synthetisch durch Verknüpfung mit einer persistent positiven Gruppe (PC+) eingeführt werden. In gewissen Fällen (bei ausgedehnten π-Systemen, z.B. bei aromatischen Polyimiden) reicht bereits die π Interaktion zur Ausbildung der Selbstassemblierung von reversiblem Ladungsträger und nanoskopischem Stromkollektor. Dabei kommt vorzugsweise eine Phasentransfer Reaktion zwischen wässrig-kolloidaler Lösung des Graphenoxids und einer homogenen Lösung des ungeladenen Redox-Polymers z.B. in Diethylether, wie in Beispiel 5 beschrieben, zur Anwendung. Mögliche Strukturen betreffend die redoxaktive Einheit (RA) sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Die Tabelle zeigt monomere Stoffklassen und jeweils einen typischen molekularen Vertreter. Die Einbindung des molekularen RA in ein Polymer wird in der Tabelle nicht dokumentiert, ist aber dem geübten Chemiker aus der Literatur bestens bekannt. In den Beispielen 1-5 wird die Synthese der Oligo- und Polymere im Detail vorgestellt.The production of the hierarchy III nanoscopic current conductor / ion conductor / redox polymer system is based on the self-assembly of oligomeric, dendritic or polymeric organic or organometallic, in particular multi-cationic compounds or salts (the polycationic reversible charge carriers) on nanoscopic conductive or latent conductive, preferably multiple negative charged, graphitic materials such as graphene oxide, partially oxidized, conductive carbon nanotubes or carbon fibers (VGCNFs). In principle, it is possible to use all known oligomeric or polymerizable organic or organometallic, reversible redox systems as charge carrier components. Particularly suitable are polycationic charge carriers that undergo electrostatically driven self-assembly with the nanoscale current collector systems. The preparation of the polycationic charge carriers is in described. In principle, systems with the redox-active component (RA) in side chains (IIX) or in the main chain (IX) are suitable. The positive charge is either naturally present in the stable state, or must be caused by partial oxidation of the charge carrier prior to self-assembly, or it must be synthetically introduced by linking to a persistent positive group (PC + ). In certain cases (in extended π systems, eg in aromatic polyimides), the π interaction already suffices to form the self-assembly of reversible charge carriers and nanoscopic current collectors. In this case, preferably a phase transfer reaction between aqueous-colloidal solution of graphene oxide and a homogeneous solution of the uncharged redox polymer, for example in diethyl ether, as described in Example 5, are used. Possible structures concerning the redox-active unit (RA) are shown in Table 1. The table shows monomeric classes and each a typical molecular representative. The integration of molecular RA into a polymer is not documented in the table but is well known to the skilled chemist from the literature. In Examples 1-5, the synthesis of the oligomers and polymers is presented in detail.

Kombinationsmöglichkeiten Redoxsysteme (Hierarchie III)Possible combinations of redox systems (Hierarchy III)

Alle in oben dargestellten Monomere sind Redoxsysteme, wobei der jeweils stabilere Oxidationszustand angegeben ist. Sie sind je nach Substituenten wasser- und/oder organisch löslich und zeichnen sich durch eine lokalisierte elektrochrome Gruppe aus, was einhergeht mit einer begrenzten Ausdehnung von HOMO und LUMO. Durch die Polymerisierung wird die Ausdehnung des Elektrochromophors im allgemeinen nicht verändert und insbesondere entsteht bei der Polymerisierung nicht notwendigerweise elektronische Leitfähigkeit wie etwa im Falle von Polythiophen oder Polyanilin. Elektronentransfer innerhalb einer Polymerkette erfolgt deshalb über einen „electron hopping mechanism“, solange sie nicht in molekularem Kontakt mit dem nanoskopischen Leiter ist. Ein wichtiger Aspekt dieser Erfindung ist es, dass der langsame „electron hoping mechanisme“ zwischen den Redoxsystemen im Polymer durch einen schnellen Elektronenfluss im nanoskopischen Leiter (nach Polymer-Selbstassemblierung auf Graphenoxid und dessen Reduktion zu Graphen) erfolgen kann. Die Redox Einheiten in Tabelle 1 sind grob unterteilt in anodisch und kathodisch. Da die meisten Kompositmaterialien in organischen wie in wässrigen Systemen genutzt werden sollen, ist eine genaue Angabe der Standardreduktionspotentiale nicht möglich. Die Potentialdifferenz zwischen der Verbindung mit dem positivsten (1,4-Di-t-Butyl-2,5-dimethoxybenzol) und dem negativsten Potential (Dihydrotetrathia-anthracen) beträgt aber > 2.3 V. Gegenüber einer Lithiumelektrode sind selbstverständlich alle Redoxsysteme kathodisch (Bereich ca. +3.5 bis +1.5 V).All of the monomers shown above are redox systems, the more stable oxidation state being indicated. Depending on the substituents, they are water- and / or organic-soluble and are characterized by a localized electrochromic group, which is accompanied by a limited extent of HOMO and LUMO. As a result of the polymerization, the extent of the electrochromophore is generally not changed and, in particular, the polymerization does not necessarily produce electronic polymerization Conductivity such as in the case of polythiophene or polyaniline. Electron transfer within a polymer chain therefore occurs via an "electron hopping mechanism", as long as it is not in molecular contact with the nanoscopic conductor. An important aspect of this invention is that the slow "electron hoping mechanisme" between the redox systems in the polymer can be achieved by a fast electron flow in the nanoscopic ladder (after polymer self-assembly on graphene oxide and its reduction to graphene). The redox units in Table 1 are roughly divided into anodic and cathodic. Since most composite materials are to be used in organic as well as in aqueous systems, a precise specification of the standard reduction potentials is not possible. However, the potential difference between the compound with the most positive (1,4-di-t-butyl-2,5-dimethoxybenzene) and the most negative potential (dihydrotetrathia-anthracene) is> 2.3 V. Compared to a lithium electrode, of course, all redox systems are cathodic (range approx. +3.5 to +1.5 V).

Die selbstassemblierende Oberflächenmodifikation kann an Graphenoxid, anoxidierten CNTs oder VGCNFs erfolgen. Wie bereits erwähnt, eignet sich das negativ geladene Graphenoxid als Vorläufer eines nanoskaligen Stromkollektors besonders gut, weil die Selbstassemblierung der polykationischen Redoxpolymere an suspendierten Graphenoxid Schichten besonders effizient abläuft. Zur Selbstassemblierung wird zu einer Lösung von ca 0.1 - 5 mg/ml des Polymers vorzugsweise in Wasser und unter Einwirkung von Ultraschall eine Lösung des Graphenoxids (1-4 mg/ml, ebenfalls in Wasser) langsam zugegeben. Das finale Massenverhältnis Polymer/Graphenoxid kann von 2 bis 10 gewählt werden (stabile kolloidale Lösung). Um hohe Stromdichten zu favorisieren sollte das Verhältnis Polymer/Graphenoxid klein sein. Um hohe Kapazitäten zu erreichen sollte es so hoch wie möglich sein. Jeder Batterie-Anwendungsfall kann somit individuell optimiert werden. Die Bildung des Komplexes kann anhand der Veränderung des Zetapotentials des Kolloids verfolgt werden. Die stark positiven Werte deuten auf eine beidseitige Belegung und z.T. mehrfaches Umwickeln der Graphenoxidpartikel (siehe ). Bei einem Polymer/Graphenoxidverhältnis > 10:1 wird die effiziente Elektronenperkolationsschwelle unterschritten.The self-assembling surface modification can be done on graphene oxide, on oxidized CNTs or VGCNFs. As already mentioned, the negatively charged graphene oxide is particularly suitable as a precursor of a nanoscale current collector because the self-assembly of the polycationic redox polymers on suspended graphene oxide layers is particularly efficient. For self-assembly, a solution of graphene oxide (1-4 mg / ml, also in water) is slowly added to a solution of about 0.1-5 mg / ml of the polymer, preferably in water and under the action of ultrasound. The final mass ratio polymer / graphene oxide can be chosen from 2 to 10 (stable colloidal solution). In order to favor high current densities the ratio polymer / graphene oxide should be small. To reach high capacities it should be as high as possible. Each battery application can thus be optimized individually. The formation of the complex can be monitored by changing the zeta potential of the colloid. The strongly positive values indicate a double-sided coverage and sometimes multiple wrapping of the graphene oxide particles (see ). At a polymer / graphene oxide ratio> 10: 1, the efficient electron percolation threshold is exceeded.

Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die extrem große Dickenskalierbarkeit des Generation III Komposits ohne nennenswerte Einbuße an beobachteten Kapazität selbst bei hohen Stromdichten. Die bisher bekannten Redoxpolymerelektroden zeigten bei hohen Stromdichten bis maximal ca. 100 nm Schichtdicke entsprechendes Wachstum der beobachteten Kapazität. Kein anderes bekanntes Additiv (Carbon Black, elektrisch leitende Polymere, etc.) hat bisher eine ähnliche Leistungssteigerung im elektrochemischen Verhalten von oligo-oder polymeren organische Batteriematerialien gezeig. Zudem wird mit den Beispielen 1-4 gezeigt, dass die hier vorgestellte Erfindung Allgemeingültigkeit hat und für die verschiedensten Redox-Oligo- und Polymere zutrifft.Another feature of the present invention is the extremely large thickness scalability of the Generation III composite without significant loss of observed capacitance even at high current densities. The previously known redox polymer electrodes exhibited corresponding growth of the observed capacitance at high current densities up to a maximum of about 100 nm layer thickness. No other known additive (carbon black, electrically conductive polymers, etc.) has so far exhibited a similar performance enhancement in the electrochemical behavior of oligo or polymeric organic battery materials. In addition, it is shown with Examples 1-4 that the present invention has generality and applies to a wide variety of redox oligo- and polymers.

Flexible Anoden, Kathoden und komplete Batterien:Flexible anodes, cathodes and complete batteries:

Das Komposit der Hierarchie III ist in seiner Dicke von 0.1 bis 1000 µm über einen beachtlichen Stromdichtebereich ohne Kapazitätseinbuße skalierbar. Da er zum größten Teil aus einem nicht-kristallinen Polymer besteht, ist er auch flexibel. Wie in Beispiel 1 gezeigt, kann der Komposit auf einer biegbaren, 0.2 mm dicken SIGRACET TF6 (SGL Carbon) aufgetragen werden. Die resultierende Batterie-Elektrode vom Hierarchie Typ III/I ist deshalb auch biegbar. Es werden bei Kapazitäten von 0.6 bis 1.2 mAh/cm2 unter Belastung bis 16 mA/cm2 kaum messbare Kapazitätsverlust festgestellt (Beispiel 1, Elektrode b)). Zudem zeigt die III/I Elektrode nach 200 Biegezyklen (Radius 1.8 cm) keine Kapazitätsverluste. Da sowohl anodische wie kathodische Redox-Polymere die beschriebenen Dicken-skalierbaren Eigenschaften aufweisen in diesem Patent beschrieben werden, liegt es auf der Hand, dass es dem Experten möglich ist, daraus eine komplette, flexible Batterie zusammenzusetzen. Es ist deshalb ein wichtiger Aspekt dieser Erfindung, dass die Nutzung des Komposits der Hierarchie III auf flexiblem Stromkollektor der Hierarchie I zu dünnen flexiblen Batterien führen kann. Damit stellt diese Erfindung eine Lösung der allgemeinen Problematik betreffend die Herstellung flexibler Batterien für verschiedenste mobile Applikationen dar.In its thickness of 0.1 to 1000 μm, the hierarchy III composite can be scaled over a considerable current density range without loss of capacity. Being largely made of a non-crystalline polymer, it is also flexible. As shown in Example 1, the composite can be applied to a bendable, 0.2 mm thick SIGRACET TF6 (SGL Carbon). The resulting battery electrode of hierarchy type III / I is therefore also bendable. At capacitances of 0.6 to 1.2 mAh / cm 2 under load up to 16 mA / cm 2 hardly measurable capacity loss is found (Example 1, electrode b)). In addition, the III / I electrode shows no capacity losses after 200 bending cycles (radius 1.8 cm). Since both anodic and cathodic redox polymers have the described thickness-scalable properties described in this patent, it is obvious that the expert is able to assemble a complete, flexible battery therefrom. It is therefore an important aspect of this invention that the use of Hierarchy III's composite on hierarchical I flexible current collector can result in thin flexible batteries. Thus, this invention represents a solution to the general problem concerning the production of flexible batteries for a variety of mobile applications.

Polymer Redox Batterien mit extrem hohen flächenspezifischen Kapazitäten und hohen Stromdichten. Für Polymer Redox Batterien waren bisher große Kapazizäten bei hoher Stromdichte nicht herstellbar. Wegen der großen Dicken-Skalierbarkeit des Hierarchie III Komposits wird es nun möglich, ausgehend vom Hierarchie III Komposit die nächst höhere Hierarchie II von Strom- und Ionenflußkollektoren verlustfrei an die Hierarchie III anzubinden (Beispiel 1 ,Elektrode c mit Hierarchie I/II/III erreicht 21 mAh/cm2). Damit erreichen Batterien basierend auf organischen (oder metallorganischen) Oligo- oder Polymeren erstmals Leistungswerte, die bisher nur von den kommerziellen, aber Schwermetall-behafteten LIBs erreicht worden sind. Die praktische Verwirklichung der Hierarchie II - Hierarchie III Anbindung ist in gezeigt. Da das Kompositmaterial (Hierarchie III) im Bereich 100 nm bis 2 mm skalierbar ist, muss der Stromkollektor der nächst größeren Hierarchie II eine Ausdehnung (in einer Dimension) von 100 nm bis 2 mm haben. Geeignet sind zB. die 1d-Graphitfasern eines Kohlenstoff-Filz, die Fasern eines Kohlenstoff-Fliess bestehend aus Fasern im Dickebereich ca. 5-30 µm, oder dicke (Durchmesser > 500 nm) VGCFs (siehe - ). Werden die einzelnen Fasern dicht (oder besser noch mit einem Abstand ebenfalls im 5-30 µm (bzw. ca. 1 µm für VGCF) Bereich belegt, so entsteht ein optimales Lösungsmittel-und Elektronen-perkolierendes System von 2 Hierarchie-Generationen (inklusiv abschließende flache Kollektorplatte gerechnet: mit 3 Hierarchien). Beispiel 1 zeigt, dass damit leicht eine flächenspezifische Kapazität von 21 mAh/cm2 (bei einer nicht-optimierten Schichtdicke von ca 2 mm) erreicht wird. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Nutzung von Kohlenstoffschaum als Stromkollektormaterial der Hierarchie-Generation II (siehe .5).Polymer redox batteries with extremely high surface-specific capacities and high current densities. For polymer redox batteries, large capacitors could not be produced at high current density. Because of the great thickness scalability of the hierarchy III composite, it is now possible, starting from the Hierarchy III composite, to connect the next higher hierarchy II of current and ion flux collectors to the hierarchy III without loss (Example 1, electrode c with hierarchy I / II / III) 21 mAh / cm 2 ). For the first time, batteries based on organic (or organometallic) oligo- or polymers achieve performance values that have so far only been achieved by the commercial but heavy-metal-contaminated LIBs. The practical realization of Hierarchy II - Hierarchy III connection is in shown. Since the composite material (Hierarchy III) is scalable in the range 100 nm to 2 mm, the current collector of the next larger hierarchy II must have a Extension (in one dimension) from 100 nm to 2 mm. Suitable are, for example. the 1d graphite fibers of a carbon felt, the fibers of a carbon flow consisting of fibers in the thickness range about 5-30 μm, or thick (diameter> 500 nm) VGCFs (see - ). If the individual fibers are densely covered (or even better with a spacing also in the 5-30 μm (or about 1 μm for VGCF) area, then an optimal solvent and electron percolating system of 2 hierarchical generations (including the final one) is obtained flat collector plate calculated with 3 hierarchies). Example 1 shows that this easily achieves a surface-specific capacity of 21 mAh / cm 2 (with a non-optimized layer thickness of about 2 mm) Current collector material of the hierarchy generation II (see .5).

Es ist ein wichtiger Teilaspekt dieser Erfindung, dass durch Verwendung des dicken-skalierbaren Komposits der Hierarchie-Generation III und Verwendung eines 3d-Stromkollektors der Hierarchie-Generation II mit angepassten Stromleiterdimensionen im µm Bereich erstmals Redoxpolymerbatterien mit ähnlich guten Eigenschaften herstellbar werden, wie sie die traditionell bekannten Batterien und Akkumulatoren aufweisen. Die Redoxpolymerbatterien sind aber allgemein umweltfreundlicher („Kompostierbare“ Materialien, keine Schwermetalle, und mit der Option, dass ein wässriger Elektrolyt verwendet werden kann).It is an important part aspect of this invention that by using the thick-scalable composite hierarchy generation III and using a 3d current collector of the hierarchy generation II with matched current conductor dimensions in the micron range redox polymer batteries with similar good properties can be produced as the Have traditionally known batteries and accumulators. However, the redox polymer batteries are generally more environmentally friendly ("compostable" materials, not heavy metals, and with the option of using an aqueous electrolyte).

Abbildungen:pictures:

Abbildung 1: Elektrodenmaterial mit Hierarchie-Generationen I und III:Figure 1: Electrode material with hierarchy generations I and III:

  1. a) Elektronenleiter: Ia: Generation I Elektronenleiter: makroskopischer Stromkollektor (typischerweise Graphitplatte) in elektrischem Kontakt mit: IIIa: Generation III Elektronenleiter: nanoskopischer Stromkollektor (typischerweise reduziertes Graphenoxid) in molekularem, durch Selbstassemblierung entstandenem Kontakt mit Redoxpolymer c).a) Electron Conductor: Ia: Generation I Electron Conductor: macroscopic current collector (typically graphite plate) in electrical contact with: IIIa: Generation III electron conductor: nanoscopic current collector (typically reduced graphene oxide) in molecular self-assembled contact with redox polymer c).
  2. b) lonenleiter: Ib: Generation I lonenleiter: mikro- oder makroskopische Ionen Bulk (typischerweise wässriger oder organischer Elektrolyt, eventuell polymer oder gelartig) in ionischem Kontakt mit: IIIb: Generation III Ionenleiter: nanoskopisches durch Selbstassemblierung entstandenes Röhrensystem (typischerweise Redoxpolymer + Graphenoxid/reduziertes Grahenoxid).b) ionic conductor: Ib: Generation I ionic conductor: Microscopic or macroscopic ions Bulk (typically aqueous or organic electrolyte, possibly polymeric or gelatinous) in ionic contact with: IIIb: Generation III ionic conductor: nanoscopic self-assembly tube system (typically redox polymer + graphene oxide / reduced graphene oxide).
  3. c) Redox- Oligo- oder Polymer oder Dendrimer.c) redox oligo- or polymer or dendrimer.

Abbildung 2: Elektrodenmaterial mit Hierarchie-Generationen I, II und IIIFigure 2: Electrode material with hierarchy generations I, II and III

  1. a) Elektronenleiter: Ia: Generation I Elektronenleiter in elektrischem Kontakt mit: IIa: Generation II Elektronenleiter: mikroskopischer Stromkollektor (typischerweise Graphitfasern) in elektrischem Kontakt mit: IIIa: Generation III Elektronenleiterin Kontakt mit Redoxpolymer c).a) Electron conductor: Ia: Generation I electron conductor in electrical contact with: IIa: Generation II electron conductor: microscopic current collector (typically graphite fibers) in electrical contact with: IIIa: Generation III electron conductor in contact with redox polymer c).
  2. b) lonenleiter: Ib: Generation I lonenleiter in ionischem Kontakt mit: IIb: Generation II lonenleiter: mikroskopischer Elektrolytkanal (typischerweise Makroporen in GraphitFilz oder -Fließ in ionischem Kontakt mit IIIb: Generation III lonenleiter in Konakt mit c)b) ion conductor: Ib: Generation I ionic conductor in ionic contact with: IIb: Generation II ionic conductor: microscopic electrolyte channel (typically macropores in graphite felt or flow in ionic contact with IIIb: generation III ionic conductor in contact with c)
  3. c) Redox- Oligo- oder Polymer oder Dendrimer.c) redox oligo- or polymer or dendrimer.

Abkürzungen wie in Abb. 1Abbreviations as in Fig. 1

Abbildung 3: kolloidale Leiter / Polymer-Ladungsträger Suspension, Vorläufer des Generation III BatteriematerialsFigure 3: Colloidal ladder / polymer carrier suspension, precursor of Generation III battery material

Kolloid-Teilchen in wässriger Lösung bestehend aus nanoskopischem Elektronenleiter mit negativer Oberflächenladung (schwarz) umhüllt vom 2d- und 1d nanoskopischen polymeren Redox-Ladungsträger (senkrecht schraffiert). Gesamtoberflächenladung des Kolloids: positiv. Durch Lösungsmittelentzug entsteht Batteriematerial (Ladungsträger/elektrischer Leiter /Ionenleiter der hierarchischen Generation III ( und ).Colloid particles in aqueous solution consisting of nanoscopic electron conductor with negative surface charge (black) enveloped by the 2d and 1d nanoscopic polymeric redox carrier (vertically hatched). Total surface charge of colloid: positive. Solvent removal results in battery material (charge carriers / electrical conductors / ionic conductors of the hierarchical generation III ( and ).

K1: neg. geladenes 2dim Graphenoxid (2, mit 2 nm < d2 < 50) umhüllt vom pos. geladenen Redoxpolymer/Oligomer /Dendrimer (1)K1: neg. Charged 2dim graphene oxide (2, with 2 nm <d2 <50) enveloped by pos. charged redox polymer / oligomer / dendrimer (1)

K2: pos. geladenes 1dim CNT (mit 2 nm < d2 < 50) oder VGCNF (3, mit d2 < 500 nm) umhüllt vom vom pos. geladenen Redoxpolymer/Oligomer / Dendrimer (1) Positive Gesamtladung eingestellt durch Mengenverhältnis von 1:2 bzw. 1:3 im Bereich 2:8 (g/g)K2: pos. charged 1dim CNT (with 2 nm <d2 <50) or VGCNF (3, with d2 <500 nm) enclosed by the pos. charged redox polymer / oligomer / dendrimer (1) Positive total charge adjusted by ratio of 1: 2 or 1: 3 in the range 2: 8 (g / g)

d1: Dicke von 1 auf Leiter (0.5 < d1 < 5 nm). d1: Thickness of 1 on conductor (0.5 <d1 <5 nm).

Abbildung 4: Hierarchie III und Kombinationen Hierarchie III/IIFigure 4: Hierarchy III and combinations Hierarchy III / II

4-1 und 4-2: Elektrodenmaterial der Generation III4-1 and 4-2: Generation III electrode material

(nanoskalig mit Bulkdimensioneen) bestehend aus einem Gemenge des nanoskalige Kompositmaterials mit zusätzlich ausgebildeten Mesoporen, entstanden durch partiellen Lösungsmittelentzug aus K1 (2-dimensionale Nanotubes) oder aus K2 (1-dimensionales Graphenoxid/Graphen) (siehe ).(Nanoscale with bulk dimensions) consisting of a mixture of the nanoscale composite material with additionally formed mesopores, formed by partial solvent removal from K1 (2-dimensional nanotubes) or from K2 (1-dimensional graphene oxide / graphene) (see ).

1a: oligo- oder polymere reversible Redox Verbindung als Polymermatrix in Kontakt mit 2a und 4a1a: oligomeric or polymeric reversible redox compound as polymer matrix in contact with 2a and 4a

2a: Elektronen-perkolierendes Leitersystem bestehend aus 1-dim nanoskaligem Leiter (z.B. CNT, multiwall CNT) mit 0 nm < d4 < 50 nm2a: Electron percolating conductor system consisting of 1-dimer nanoscale conductor (for example CNT, multiwall CNT) with 0 nm <d4 <50 nm

3a: Elektronen-perkolierendes Leitersystem bestehend aus 2-dim nanoskaliger Leiter (z.B. Graphenoxid/Graphen) mit 30 nm < d4 < 50 nm3a: Electron percolating conductor system consisting of 2-diminus nanoscale conductors (for example graphene oxide / graphene) with 30 nm <d4 <50 nm

4: Ionen-perkolierendes mesoporöses Leitersystem, entstanden durch Selbstassemblierung des Polymers und durch Interaktion des Kolloids während Lösungsmittelentzug4: Ion percolating mesoporous ladder system, formed by self-assembly of the polymer and by interaction of the colloid during solvent removal

d3: Tiefe des nanoskaligen Kompositmaterials, (100 nm < d3 < 500 µm)d3: depth of the nanoscale composite material, (100 nm <d3 <500 μm)

4-3: Abkürzung für 4-1 und 4-2 (Kompositmaterial in einer Dicke von 100nm < d3 < 500 µm) verwendet in in 4-4 und 4-5.4-3: Abbreviation for 4-1 and 4-2 (composite material in a thickness of 100nm <d3 <500μm) used in 4-4 and 4-5.

4-4 und 4-5: makroporöses, Elektronen- und Elektrolytionen perkolierendes Trägermaterial mit Kompositmaterial 4-3.4-4 and 4-5: macroporous, electron and electrolyte ions percolating support material with composite 4-3.

4-4: Elektronen- und Ionenperkolationssystem der 2. hierarchischen Generation unter Verwendung von 1-d graphitischen Fasern in Form von Graphitfilz, Graphitfließ, oder dicken VGCF) mit einem 1d-Leiterdurchmesser von 500 nm < d5 < 20 µm, einer Originalporosität von 50- 95 %, und einer Dicke d4 von 100µm < d4 < 10 mm. 4-5: Elektronen- und Elektrolyt-perkolierendes Trägermaterial bestehend aus Kohlenstoffschaum mit einer Porendichte von 10 - 200 ppi.4-4: 2nd hierarchical generation electron and ion percolation system using 1-d graphitic fibers in the form of graphite felt, graphite flow or thick VGCF) with a 1d-conductor diameter of 500 nm <d5 <20 μm, an original porosity of 50 - 95%, and a thickness d4 of 100μm <d4 <10 mm. 4-5: Electron and electrolyte percolating carrier material consisting of carbon foam with a pore density of 10 - 200 ppi.

5: 1d-Stromkollektor bestehend aus einer Vielzahl graphitierter Kohlenstofffasern mit einem 1d-Leiterdurchmesser von 500 nm < d5 < 20 µm und 1d Länge (L, 10µm < L < 10 cm). Die Fasern bilden per se ein Elektronen-perkolierendes Leitersystem5: 1d current collector consisting of a large number of graphitized carbon fibers with a 1d conductor diameter of 500 nm <d5 <20 μm and 1 d length (L, 10 μm <L <10 cm). The fibers per se form an electron-percolating conductor system

(Berührungpunkte)(Points of contact)

6: Perkolierendes, makroporöses Elektrolytleitungssystem mit Porendurchmesser 50 nm < d6 < 100 µm. Das Porensystem besteht natürlicherweise und wird durch die Belegung der inneren Oberfläche verkleinert, aber nicht unterbunden.6: Percolating, macroporous electrolyte conduit system with pore diameter 50 nm <d6 <100 μm. The pore system exists naturally and is reduced by the occupancy of the inner surface, but not prevented.

7. Kohlenstoffschaumpore mit Porendurchmesser d8 (200 µm > d7 > 10 µm)7. Carbon foam pore with pore diameter d8 (200 μm> d7> 10 μm)

8. Kohlenstoffschaum-Porenwand mt Dicke 10nm < d5 < 1 µm8. Carbon foam pore wall with thickness 10nm <d5 <1 μm

Abbildung 5: Prinzipiell zulässige Polymertypen mit kationischer Gesamtladung zur Selbstassemblierung auf GraphenoxidFigure 5: Principally permissible polymer types with cationic total charge for self-assembly on graphene oxide

Abbildung Prinzipien zur Bildung von polykationischen Redox-Polymer-Elektronenspeicher.Figure Principles for the formation of polycationic redox polymer electron storage.

IIX: Polymere, Oligomere und Dendrimere mit Redoxzentrum (RA) in der Seitenkette im IIX : Polymers, Oligomers and Dendrimers with Redox Center (RA) in the Side Chain in the

polykationischen Zustand (vorbereitet für die Selbstassemblierung auf Graphenoxid).polycationic state (prepared for self-assembly on graphene oxide).

IX: Polymere, Oligomere und Dendrimere mit Redoxzentrum (RA) in der Hauptkette im IX : Polymers, Oligomers and Dendrimers with Redox Center (RA) in the Main Chain in the

polykationischen Zustand (vorbereitet für die Selbstassemblierung auf Graphenoxid). polycationic state (prepared for self-assembly on graphene oxide).

X: Polymere, Oligomere und Dendrimere mit Redoxzentrum (RA) in der Seiten- oder Hauptkette im neutralen Zustand, durch partielle Oxidation in den Zustand IIX oder IX überführbar.X: Polymers, oligomers and dendrimers with redox center (RA) in the side or main chain in the neutral state, convertible by partial oxidation in the state IIX or IX.

R: nicht-redox-aktive Ketten UntereinheitR: non-redox active chain subunit

RA: elektroaktive Seitenketten-Untereinheit RA : electroactive side-chain subunit

RA*: elektroaktive Hauptketten-Untereinheit RA * : electroactive backbone subunit

PC+: persistent positiv geladene Untereinheit PC + : persistently positively charged subunit

n: Anzahl Untereinheiten im Polymer, Oligomer oder Dendrimer m+: Anzahl persistenter Ladungen generiert durch (partielle) Oxidation von RA oder RA*,n: number of subunits in the polymer, oligomer or dendrimer m +: number of persistent charges generated by (partial) oxidation of RA or RA * .

wobei m+ < = nwhere m + <= n

Beispiel 1example 1

Synthese des Redoxpolymers Poly(vinyl-diphenyl-4,4'-bipyridinium) Dichlorid: 4.5 g (0.8 mMol) bis-[1,1'-(2,4-Dinitrophenyl-4,4'-bipyridinium Dichlorid)])27: (1) und 1.7 g (8 mMol) 4,4'-Ethylendianilin wurden in eine Mischung von Methanol/Wasser (8:2 (V:V)) gelöst und unter Rückfluss/Ar-Atmosphäre während 14 Tagen mittels Zincke Reaktion poly-kondensiert. Das Lösungsmittel wurde abgezogen und der Rückstand wurde in Aceton für 6 h unter Rückfluss gekocht, filtriert und der Filterkuchen wurde mit Aceton gewaschen und am Hochvakuum getrocknet, Ausbeute: 3.19 g, 7.84 mMol), 98% Poly(vinyl-diphenyl-4,4'-bipyridinium), 12<< n < 7. (1).

Figure DE102016124586A1_0014
Synthesis of Redox Polymer Poly (vinyl-diphenyl-4,4'-bipyridinium) dichloride: 4.5 g (0.8 mmol) bis- [1,1 '- (2,4-dinitrophenyl-4,4'-bipyridinium dichloride)]) 27 : (1) and 1.7 g (8 mmol) of 4,4'-ethylenedianiline were dissolved in a mixture of methanol / water (8: 2 (v: v)) and poly (poly (methane) under reflux / Ar atmosphere for 14 days by Zincke reaction -condensed. The solvent was removed and the residue was refluxed in acetone for 6 h, filtered and the filter cake was washed with acetone and dried under high vacuum, yield: 3.19 g, 7.84 mmol), 98% poly (vinyl-diphenyl-4,4 '-bipyridinium), 12 << n <7. (1).
Figure DE102016124586A1_0014

Herstellung der kolloidalen Lösung: Variante 1: 3 g (7.36 mMol) 1 wurde in 750 ml H2O/Methanol (9:1 (V:V)) gelöst. Zu dieser Lösung wurde unter Einwirkung von Ultraschall 250 ml einer wässrigen Graphenoxid Lösung (4 mg/ml, Graphenea SA, San Sebastian, Spanien, mit C: 49-56%, O: 41-50 %, H,N, S je 0-2 %) über 30 min zugegeben. In einer 2. Variante kann zu der kolloiden Lösung der Variante 1 zusätzlich als Porenbildner ein Polyvinyliden (PVDF) hinzugefügt werden, z. B. in einer Menge von 5 Gewichtsprozent bezogen auf die Menge an Redoxpolymer.Preparation of colloidal solution: Variant 1: 3 g (7.36 mmol) 1 was dissolved in 750 ml H 2 O / methanol (9: 1 (v: v)). 250 ml of an aqueous solution of graphene oxide (4 mg / ml, Graphenea SA, San Sebastián, Spain, with C: 49-56%, O: 41-50%, H, N, S, 0) was added to this solution under the action of ultrasound -2%) over 30 minutes. In a second variant, a polyvinylidene (PVDF) may additionally be added to the colloidal solution of variant 1 as a pore former, for. In an amount of 5% by weight based on the amount of redox polymer.

Herstellung der modifizierten Elektroden:Preparation of the modified electrodes:

  1. a) Hierarchie-Typ III/I auf rigidem Stromkollektor:
    • a1) Eine glasartige Kohlenstoffelektrode (Metrohm, Herisau, CH 0.07 cm2), oder
    • a2) eine 0.7 mm dicke Graphitelektrode (SGL GROUP, SIGRACELL PV15 graphite plate, Wiesbaden DL) mit den Maßen:und Gewicht: 1*1 cm2: 130 mg
    a) Hierarchy Type III / I on Rigid Current Collector:
    • a1) A glassy carbon electrode (Metrohm, Herisau, CH 0.07 cm 2 ), or
    • a2) a 0.7 mm thick graphite electrode (SGL GROUP, SIGRACELL PV15 graphite plate, Wiesbaden DL) with the dimensions: and weight: 1 * 1 cm 2 : 130 mg
  2. b) Hierarchie Typ III/I auf flexiblem Stromkollektor: eine flexible Graphitfolie (SGL GROUP, SIGRACET Bipolarplatte TF6: 0.2 mm dick). Current collector weight: 1*1 cm2: 24mg.b) Hierarchy type III / I on flexible current collector: a flexible graphite foil (SGL GROUP, SIGRACET bipolar plate TF6: 0.2 mm thick). Current collector weight: 1 * 1 cm 2 : 24mg.
  3. c) Hierarchie-Typ III/II/I auf rigidem Stromkollektor: eine Kohlenstoff-Filzelektrode (SGL GROUP, SIGRACELL GFD3 BATTERY FELT - R&D grade- surface treated) mit den makroskopischen Ausmaßen Fläche und 3 mm Dicke kam zum Einsatz Ausmaße:Gewicht: 1*1cm2: 21 mg. Die Filzelektrode wurde an eine SIGRACELL PV15 (graphite plate) angedrückt.c) Hierarchy Type III / II / I on Rigid Current Collector: a carbon felt electrode (SGL GROUP, SIGRACELL GFD3 BATTERY FELT - R & D grade-surface treated) with macroscopic dimensions area and 3mm thickness was used Dimensions: Weight: 1 * 1cm 2 : 21mg. The felt electrode was pressed against a SIGRACELL PV15 (graphite plate).

Auf die Elektrode a1) wurde die kolloidale Lösung schrittweise mit einer Spritze appliziert, dann im Ofen bei 50 °C für 15 min erhitzt und es erfolgte die nächste Applikation der kolloidalen Lösung. Die Sequenz Kolloid-Lösung Applikation / Erhitzen wurde solange wiederholt bis die in der Tabelle angegebene Wert erreicht wurde (applizierte Maße).To the electrode a1), the colloidal solution was applied stepwise with a syringe, then heated in the oven at 50 ° C for 15 min and it was the next application of the colloidal solution. The sequence Colloidal solution Application / heating was repeated until the value indicated in the table was reached (applied measures).

Oberflächen-Modifikation:Surface modification:

Die Elektroden a2) und b) wurden während der Kolloid-Lösungsapplikation auf einer Heizplatte bei 100°C erhitzt. Die im Beispiel applizierten Mengen führten zu Schichtdicken von 45 und 400 µm Komposit auf dem flachen Stromkollektor (die entsprechenden spezifischen Die Elektrode c) wurde ähnlich wie für a1) beschrieben schrittweise mit Kolloidlösung behandelt, leicht angepresst und im Ofen erhitzt bis zum Gewichtsverhältnis Komposit:Kohlenstofffilz 10 mg/mg.The electrodes a2) and b) were heated on a hot plate at 100 ° C. during the colloidal solution application. The amounts applied in the example resulted in layer thicknesses of 45 and 400 μm composite on the flat current collector (the corresponding specific electrode c) was treated stepwise with colloid solution similar to that described for a1), gently pressed and heated in the oven up to the weight ratio composite: carbon felt 10 mg / mg.

Umwandlung von Graphenoxid in reduziertes Graphenoxid und elektrochemiche Eigenschaften der resultierenden, modifizierten Elektroden:Conversion of graphene oxide into reduced graphene oxide and electrochemical properties of the resulting modified electrodes:

Die oben beschriebenen Elektroden a)-c) wurden in einem 3-Elektrodensystem als Arbeitselektrode geschaltet (Ref. Elektrode: Ag/AgCl/KCl, Hilfselektrode: Pt-Draht, Elektrolyt: 0.1 M KCl). Das Potential der Arbeitselektrode wurde mehrmals über den Bereich (0 → -1.3 → 0 V etc, für dicke Schichten: Potentialbereich bis -1.5 V) je nach Dicke der Kompositschicht bei 0.1 bis 0.001 V/s solange gescannt, bis der katalytische Strom im Bereich -0.6 bis -1.3 vollständig verschwunden war.The electrodes a) -c) described above were switched as a working electrode in a 3-electrode system (reference electrode: Ag / AgCl / KCl, auxiliary electrode: Pt wire, electrolyte: 0.1 M KCl). The potential of the working electrode was repeatedly scanned over the range (0 → -1.3 → 0 V etc, for thick layers: potential range to -1.5 V) at 0.1 to 0.001 V / s, depending on the thickness of the composite layer, until the catalytic current in the range -0.6 to -1.3 had completely disappeared.

Die Kapazität der gemäß Variante 1 hergestellten, resultierenden modifizierten Elektroden wurden in wässrigem 0.1 M KCl Elektrolyten, gemessen: Elektrochemische Messungen an Polyimid (Verbindung 1) Amperometriex Zykl. Voltammetrie * Elektroden - Aufbau Appl. spez. Maße / appl. spez. Kapazität/ beob. spez. Kapazität / appl. Stomdichte in (mg/cm2) / (mAh/cm2) / mAh/cm2)/(mA/cm2) Appl. spez. Maße / appl. spez. Kapazität/ beob. spez. Kapazität/ appl. Stomdichte in (mg/cm2) / mAh/cm2) /(mAh/cm2)/(mA/cm2) Appl. spez. Maße / appl. spez. Kapazität/ beob. spez. Kapazität / Scanrate (mg/cm2) / (mAh/cm2) / (mAh/cm2) / (V/s) Elektrolyt/Lösungs-mittel a1) v) 0.07 / 0.008 / 0.007 / 75 0.18 / 0.02 / 0.018 / 94 6.1 / 0.7/ 0.69 /0.005 0.1 M KCl/H2O a1) w) - - 5.1 / 0.6 /0.21 /0.005 0.1 M KCl/H2O a2) 51 / 5.8 / 5.7 / 8 51 / 5.8 / 5 / 16 115 /13.7 / 13.3 / 0.0002 0.1 M KCl/H2O b) vor Biegetest y) 5.2 / 0.59 / 0.59 / 8 10.9/1.23/1.16/16 - 0.1 M KCl/H2O b) nach Biegetest y) 5.2 / 0.59 / 0.59 / 8 10.9/1.23/1.14/16 - 0.1 M KCl/H2O Zyklische Voltammetrie* Amperometrie x c) 195 / 22 / 21 / 0.001 88.5 / 10 / 10 / 0.001 - 0.1 M KCl/H2O a1) Polymer ohne Graphene - - 2.1 / 0.28 / 0.07 / 0.001 0.1 M KCl/H2O z): Redoxpolymer Verbindung 1 macht 85 % des Gesamtgewichtes aus (15 % ist Gaphen) *): Werte aus CV Messung: letzte Angabe Scan Rate in (V/s) x); Werte aus Amperometrie: letzte Angabe auferlegte Stomdichte in (mA/cm2) y): Der Komposit-modifizierte Elektrodenstreifen (0.2 mm dicken SIGRACET TF6) von 5.6 cm Länge wurde 200 mal in jeweils 20 s zu einem Halbkreis mit Radius 2.8 cm zusammengedrückt und wieder auf volle Länge gestreckt. v): Polymer/Graphenoxid Verhältnis: 3/1 w): Polymer/Graphenoxid Verhältnis: 8/1 The capacity of the resulting modified electrodes prepared according to Variant 1 were measured in aqueous 0.1 M KCl electrolyte, Electrochemical measurements on polyimide (compound 1) Amperometry x Discret. Voltammetry * Electrode assembly Appl. spec. Dimensions / appl. spec. Capacity / obser. spec. Capacity / appl. Stoma density in (mg / cm 2 ) / (mAh / cm 2 ) / mAh / cm 2 ) / (mA / cm 2 ) Appl. spec. Dimensions / appl. spec. Capacity / obser. spec. Capacity / appl. Stoma density in (mg / cm 2 ) / mAh / cm 2 ) / (mAh / cm 2 ) / (mA / cm 2 ) Appl. spec. Dimensions / appl. spec. Capacity / obser. spec. Capacity / scan rate (mg / cm 2 ) / (mAh / cm 2 ) / (mAh / cm 2 ) / (V / s) Electrolyte / solvent medium a1) v) 0.07 / 0.008 / 0.007 / 75 0.18 / 0.02 / 0.018 / 94 6.1 / 0.7 / 0.69 /0.005 0.1 M KCl / H 2 O a1) w) - - 5.1 / 0.6 /0.21 /0.005 0.1 M KCl / H 2 O a2) 51 / 5.8 / 5.7 / 8 51 / 5.8 / 5/16 115 / 13.7 / 13.3 / 0.0002 0.1 M KCl / H 2 O b) before bending test y) 5.2 / 0.59 / 0.59 / 8 10.9 / 1.23 / 1.16 / 16 - 0.1 M KCl / H 2 O b) after bending test y) 5.2 / 0.59 / 0.59 / 8 10.9 / 1.23 / 1.14 / 16 - 0.1 M KCl / H 2 O Cyclic voltammetry * Amperometry x c) 195/22/21 / 0.001 88.5 / 10/10 / 0.001 - 0.1 M KCl / H 2 O a1) polymer without graphene - - 2.1 / 0.28 / 0.07 / 0.001 0.1 M KCl / H 2 O z) : Redox polymer Compound 1 accounts for 85% of the total weight (15% is Gaphen) *) : Values from CV Measurement: last entry Scan Rate in (V / s) x) ; Values from amperometry: last indication of imposed stoma density in (mA / cm 2 ) y) : The composite-modified electrode strip (0.2 mm thick SIGRACET TF6) of 5.6 cm in length was compressed 200 times in 20 s in each case to form a semicircle with a radius of 2.8 cm and stretched again to full length. v) : polymer / graphene oxide ratio: 3/1 w) : polymer / graphene oxide ratio: 8/1

Die Redoxpolymer Verbindung 1 macht 85 % des Gesamtgewichtes aus (15 % ist Gaphen). Unter Berücksichtigung des Graphenanteils resultiert eine spezifische Kapazität von 137 mAh/g r. Mit Hierarchietyp III/I (a2, Dicke des Batteriematerial: 460 µm) werden 13.3 mAh/cm2 gemessen. Daraus resultiert eine volumetrische, flächenspezifische Ladungsdichte von 289 mAh/cm3, wobei > 97 % coulometrischer Effizienz erzielt werden.The redox polymer compound 1 accounts for 85% of the total weight (15% is Gaphen). Taking into account the graphene fraction results in a specific capacity of 137 mAh / g r. With hierarchy type III / I (a2, thickness of the battery material: 460 μm) 13.3 mAh / cm 2 are measured. This results in a volumetric, area-specific charge density of 289 mAh / cm 3 , with> 97% coulometric efficiency being achieved.

Kolloidale Lösungen, hergestellt nach Variante 2, liefern eine weiter erhöhte Stabilität und bessere Reversibilität.Colloidal solutions, prepared according to variant 2, provide further increased stability and better reversibility.

Unter Verwendung der Kombination Hierarchietyp III/II/I (c) sind mindestens 21 mAh/cm2 bei > 95 % coulometrischer Effizienz erzielbar. Wegen der zusätzlichen Verwendung des mikroskopischen Stromkollektors (Kohlenstofffilz) fällt die spezifische Kapazität dabei von 137 mAh/g auf 115 mAh/g . Andererseits sind aber höhere flächenspezifische Kapazitäten erzielbar. Der Kapazitätsverlust nach 100 Lade/Entladezyklen in H2O/KCl ist < 5%.Using the combination of hierarchy type III / II / I (c), at least 21 mAh / cm 2 can be achieved at> 95% coulometric efficiency. Due to the additional use of the microscopic current collector (carbon felt), the specific capacity drops from 137 mAh / g to 115 mAh / g. On the other hand, however, higher area-specific capacities can be achieved. The capacity loss after 100 charge / discharge cycles in H 2 O / KCl is <5%.

Beispiel 2Example 2

Synthese des tri-Viologen-tetra-Bisanisidin Redoxoligomers (2):

Figure DE102016124586A1_0015
Synthesis of the tri-viologen-tetra-bisanisidine redox oligomer (2):
Figure DE102016124586A1_0015

Syntheseprinzip:Synthetic principle:

Figure DE102016124586A1_0016
Figure DE102016124586A1_0016

Der Vorläufer V21*2Cl- wurde gemäß Literatur hergestellt. Nanasawa, M et al; The Journal of Organic Chemistry 2000, 65 (2), 593-595 . The precursor V2 1 * 2Cl - was prepared according to literature. Nanasawa, M et al; The Journal of Organic Chemistry 2000, 65 (2), 593-595 ,

Zur Darstellung von V22 * 2 Cl- wurde 2g (3.56 mmol) V21* 2 Cl- in 250 ml MeOH/H2O (8:2 (V:V)) bei 50°C gelöst, und mit 2.2 g (9.05 mmol) o-Dianisidin in 200 ml in MeOH/H2O (8:2 (V:V)) versetzt. Die Mischung wurde für 20 h rückflussiert, die Lösungsmittel abgezogen, und der Rückstand mit Aceton gewaschen. Nach Trocknung wurde V22 * 2 Cl- (1.98g, 82%) erhalten. Zur Herstellung des Hexafluorophasphat Salzes von V23 wurde 0.5g (0.73 mmol) V22 * 2 Cl- und 1.7 g (3.02 mmol) V21*2Cl-in 250 ml MeOH/H2O (8:2 (V:V)) für 72 h rückflussiert. Das Lösungsmittel wurde abdestilliert und das Rohprodukt wurde zweimal aus Methanol/Ethylacetat gefällt. Das gelbe Produkt wurde in 200 ml Methanol aufgenommen und zu 10 ml einer 3 M aq. NH4PF6 Lösung gegeben. Das Filtrat wurde anschließend aus MeCN/Diethylether gefällt. Nach Trocknen am HV wurde V23 * 6 PF6 als dunkelgelbes Produkt erhalten (1.32 g, 86 %). Zur Darstellung von 2 * 6 PF6 wurde 0.9 g (0.42 mmol) V23 * 6PF6 -und 0.55 g (2.25 mmol) o-Anisidin in 100 nl MeCN für 48 h rückflussiert. Das Rohprodukt wurde durch Zugabe von 250 ml Diethylether bei Raumtemperatur aus der Lösung gefällt, filtriert, mehrfach mit MeOH und dann mit Diethylether gewaschen. Das Produkt wurde dann mehrfach in MeCN gelöst und mit Diethylether gefällt, und schließlich im HV getrocknet: 2*6 PF6 - wurde als dunkel gefärbtes Material (0.89 g, 93.4 %) erhalten.To prepare V2 2 * 2 Cl - 2 g (3.56 mmol) of V2 1 * 2 Cl - in 250 ml of MeOH / H 2 O (8: 2 (V: V)) was dissolved at 50 ° C, and with 2.2 g ( 9.05 mmol) of o-dianisidine in 200 ml in MeOH / H 2 O (8: 2 (v: v)). The mixture was refluxed for 20 h, the solvents evaporated, and the residue washed with acetone. After drying, V2 2 * 2 Cl - (1.98 g, 82%) was obtained. For the preparation of the hexafluorophosphate salt of V2 3 , 0.5 g (0.73 mmol) V2 2 * 2 Cl - and 1.7 g (3.02 mmol) V2 1 * 2Cl - in 250 ml MeOH / H 2 O (8: 2 (V: V)). ) refluxed for 72 h. The solvent was distilled off and the crude product was precipitated twice from methanol / ethyl acetate. The yellow product was taken up in 200 ml of methanol and added to 10 ml of a 3 M aq. NH 4 PF 6 solution. The filtrate was then precipitated from MeCN / diethyl ether. After drying under HV, V2 3 * 6 PF 6 was obtained as a dark yellow product (1.32 g, 86%). For the preparation of 2 * 6 PF 6 , 0.9 g (0.42 mmol) of V2 3 * 6PF 6 - and 0.55 g (2.25 mmol) of o-anisidine were refluxed in 100 nl MeCN for 48 h. The crude product was precipitated from the solution by addition of 250 ml of diethyl ether at room temperature, filtered, washed several times with MeOH and then with diethyl ether. The product was then redissolved several times in MeCN and precipitated with diethyl ether, and finally dried in HV: 2 × 6 PF 6 - was obtained as a dark colored material (0.89 g, 93.4%).

1H NMR (CD3CN, 250 MHz) δ: 9.19 (bs, Vio, 12H); 8.69 (bs, Vio, 12H); 7.83 (s, CHarom., 4H); 7.74 (bs, CHarom., 10H); 7.56 (bs, CHarom., 4H); 7.27 (bs, CHarom., 4H); 6.87 (bs, CHarom., 2H); 4.45 (s, NH2, 4H); 4.11 (s, O-CH3, 12H); 4.05 (s, O-CH3, 6H); 4.00 (s, O-CH3, 6H). 1 H NMR (CD 3 CN, 250 MHz) δ: 9.19 (bs, Vio, 12H); 8.69 (bs, vio, 12h); 7.83 (s, CH arom. , 4H); 7.74 (bs, CH arom. , 10H); 7.56 (bs, CH arom. , 4H); 7.27 (bs, CH arom. , 4H); 6.87 (bs, CH arom. , 2H); 4.45 (s, NH2, 4H); 4.11 (s, O-CH3, 12H); 4.05 (s, O-CH 3 , 6H); 4.00 (s, O-CH 3 , 6H).

Herstellung der kolloidalen Lösung: 0.3 mg carboxilierte Multi-Wand Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNT-COOH (8%)) mit Carboxylierungsgrad > 8%, einem durchschnittlichem Durchmesser von 9.5 nm und einer durchschnittlichen Länge von 1.5 µm, Aldrich, Nr. 755125) wurden in 6 ml DMF durch kurzzeitige Ultraschall Behandlung bei 0°C suspendiert. 1.5 mg des Oligomers 2 wurde in 20 ml DMF gelöst, langsam zu der MWCNT-COOH Dispersion gegeben und während 30 min weiter mit Ultraschall behandelt.Preparation of colloidal solution: 0.3 mg of multi-wall carbon nanotubes carbonated (MWCNT-COOH (8%)) with degree of carboxylation> 8%, average diameter of 9.5 nm and average length of 1.5 μm, Aldrich, No. 755125) suspended in 6 ml of DMF by short-term ultrasound treatment at 0 ° C. 1.5 mg of Oligomer 2 was dissolved in 20 ml of DMF, added slowly to the MWCNT-COOH dispersion and further sonicated for 30 minutes.

Herstellung der modifizierten Elektroden: Es wurden Elektroden des Types a1) (Hierarchie-Typ III/I auf rigidem, glasartigen Kohlenstoff) hergestellt, wie in Bsp. 1 beschrieben. Der Aufbau der Modifikationsschicht erfolgte ebenfalls wie für a1)-Systeme in Bsp 1 beschrieben.Preparation of Modified Electrodes: Electrodes of type a1) (hierarchical type III / I on rigid glassy carbon) were prepared as described in Ex. The structure of the modification layer was also as described for a1) systems in Example 1.

Elektrochemische Eigenschaften der resultierenden modifizierten Elektrode Nur dünnschichtig modifizierte Elektroden wurden untersucht. Die Dickenskalierbarkeit wurde nicht im Detail untersucht. Elektrochemische Messungen an Verbindung 2 Zyklische Voltammetrie* Elektrodentyp Appl. spez. Maße / appl. spez. Kapazität/ beob. spez. Kapazität / Scanrate Appl. spez. Maße / appl. spez. Kapazität/ beob. spez. Kapazität / Scanrate Elektrolyt/Lösungsmittel (mg/cm2) / (mAh/cm2) / (mAh/cm2) / (V/s) (mg/cm2) / (mAh/cm2) / (mAh/cm2) / (V/s) a1) 0.66 / 0.04 / 0.04 / 0.05 1.65 / 0.1 / 0.1 / 0.01 0.1 M LiClO4 / CH3CN a1) 0.66 / 0.04 / 0.04 / 0.05 1.65 / 0.1 / 0.1 / 0.01 0.1 M KCl / H2O Electrochemical Properties of the Resulting Modified Electrode Only thin-layer modified electrodes were investigated. The thickness scalability was not investigated in detail. Electrochemical measurements on compound 2 Cyclic voltammetry * electrode type Appl. spec. Dimensions / appl. spec. Capacity / obser. spec. Capacity / scan rate Appl. spec. Dimensions / appl. spec. Capacity / obser. spec. Capacity / scan rate Electrolyte / solvent (mg / cm 2 ) / (mAh / cm 2 ) / (mAh / cm 2 ) / (V / s) (mg / cm 2 ) / (mAh / cm 2 ) / (mAh / cm 2 ) / (V / s) a1) 0.66 / 0.04 / 0.04 / 0.05 1.65 / 0.1 / 0.1 / 0.01 0.1 M LiClO 4 / CH 3 CN a1) 0.66 / 0.04 / 0.04 / 0.05 1.65 / 0.1 / 0.1 / 0.01 0.1 M KCl / H 2 O

Das Redox-Oligomer 2 entspricht 83 Gewichts-% der Kompositmaße (17 % sind MWCNT-COOH). Spezifische Kapazitäten >= 0.1mAh/cm2. Coulomb-Effizienzen >95% bei 101 mAh/g werden in wässrigem wie in organischem Elektrolyt mit Hierarchiekombinationen III/I beobachtet. Die Kapazitätseinbußen ist < 5% über 30 CV-Lade/Entlade-Zyklen in MeCN/LiClO4.The redox oligomer 2 corresponds to 83% by weight of the composite (17% is MWCNT-COOH). Specific capacities> = 0.1mAh / cm 2 . Coulomb efficiencies> 95% at 101 mAh / g are observed in both aqueous and organic electrolytes with hierarchy combinations III / I. The capacity loss is <5% over 30 CV charge / discharge cycles in MeCN / LiClO 4 .

Vergleichsbeispiel 1Comparative Example 1

Synthese des partiell oxidierten Poly(vinylferrocen (PVFc): PVFc (3) ist kommerziell erhältlich (Polysciences Inc., Warrington, PA, USA). Das Polymer mit n≈50 wurde wie beschrieben in einem 2-phasigen Lösungsmittelsystem partiell zu to PVFcz+ ■ zNO3 - (10 < z < 30 %) oxidiert.28

Figure DE102016124586A1_0017
Synthesis of the Partially Oxidized Poly (vinylferrocene (PVFc): PVFc (3) is commercially available (Polysciences Inc., Warrington, PA).) The n≈50 polymer partially transformed into PVFc z + in a 2-phase solvent system as described ■ zNO 3 - (10 <z <30%) oxidized 28
Figure DE102016124586A1_0017

Herstellung der kolloidalen Lösung: Eine wässrige Graphenoxid Dispersion (0.29 g in 580 ml, Spezifikationen, siehe Bsp. 1) wurde tropfenweise zu einer im Ultraschallbad befindlichen PVFcz+ ■ zNO3 -(3) - Suspension (1.27 l, 6 mmol=1.27 g PVFc enthaltend) gegeben. Anschließend wurde die Lösung mit 0.68 l dest. Wasser verdünnt und weitere 30 min mit Ultraschall behandelt.Preparation of the colloidal solution: An aqueous graphene dispersion (. 0:29 g in 580 ml, specifications, see Example 1) was added dropwise located to the ultrasonic bath PVFC z + ■ ZnO 3 - (3) - suspension (1.27 l, 6 mmol = 01.27 g Containing PVFc). Subsequently, the solution was distilled with 0.68 l. Diluted with water and sonicated for another 30 minutes.

Herstellung der modifizierten Elektroden: Es wurden Elektroden des Types a1) (Hierarchie-Typ III/I auf rigidem, glasartigen Kohlenstoff) hergestellt, wie in Bsp. 1 beschrieben. Der Aufbau der Modifikationsschicht erfolgte ebenfalls wie für a1)-Systeme in Bsp 1) beschrieben.Preparation of Modified Electrodes: Electrodes of type a1) (hierarchical type III / I on rigid glassy carbon) were prepared as described in Ex. The structure of the modification layer was also as described for a1) systems in Example 1).

Umwandlung von Graphenoxid in reduziertes Graphenoxid und elektrochemiche Eigenschaften der resultierenden, modifizierten Elektroden:Conversion of graphene oxide into reduced graphene oxide and electrochemical properties of the resulting modified electrodes:

Die Reduktion des Graphenoxid im Kompositmaterial der modifizierten Elektrode erfolgte elektrokatalytisch in einer Lösung von 0.1 M LiClO4/ 4×10-3 M Methylviologen.The reduction of graphene oxide in the composite material of the modified electrode was electrocatalytically in a solution of 0.1 M LiClO 4/4 × 10 -3 M methyl viologen.

Das Potential der Arbeitselektrode (Details wie in Bsp. 1) wurde solange gescannt, bis der katalytische Strom verschwunden war. Nach der elektrochemischen Reduktion wurde die modifizierte Elektrode bei 50°C während 30 min in dest. Wasser gewaschen.The potential of the working electrode (details as in Ex. 1) was scanned until the catalytic stream had disappeared. After the electrochemical reduction, the modified electrode was at 50 ° C for 30 min in dist. Washed water.

Die Eigenschaften der Poly-3-Kompositelektrode in wässrigem und organischem Elektrolyten, sowie im Vergleich zum Elektrodenmaterial ohne Graphen sind in der Tabelle zusammengestellt: Elektrochemische Messungen an Poly(Vinylferrocene) (Verbindung 3) Amperometrie x Zykl. Voltammetrie * Elektrodentyp appl. spez. Maße / appl. spez. Kapazität/ beob. spez. Kapazität / appl. Stomdichte in (mg/cm2) / (mAh/cm2) / mAh/cm2)/(mA/cm2) appl. spez. Maße / appl. spez. Kapazität/ beob. spez. Kapazität / appl. Stomdichte in (mg/cm2) / (mAh/cm2) / mAh/cm2)/(mA/cm2) appl. spez. Maße / appl. spez. Kapazität/ beob. spez. Kapazität / Scanrate (mg/cm2) / (mAh/cm2) / (mAh/cm2) / (V/s) Elektrolyt/Lösungs-mittel a1 0.014 / 0.0015 / 0.0014 / 7 0.024 / 0.0025 / 0.0023 / 5.4 2 / 0.21 / 0.21 / 0.01 0.1 M LiClO4 /CH3CN a1 - - 2 / 0.21 / 0.21 / 0.01 0.1 M LiClO4/ H2O a1 Reines Redoxpolyme ohne Graphen - - 0.43 / 0.054 / 0.01 / 0.01 0.1 M LiClO4/ CH3CN The properties of the poly-3 composite electrode in aqueous and organic electrolytes, as well as in comparison to the electrode material without graphene are summarized in the table: Electrochemical measurements on poly (vinylferrocene) (compound 3) Amperometry x Discret. Voltammetry * electrode type appl. spec. Dimensions / appl. spec. Capacity / obser. spec. Capacity / appl. Stoma density in (mg / cm 2 ) / (mAh / cm 2 ) / mAh / cm 2 ) / (mA / cm 2 ) appl. spec. Dimensions / appl. spec. Capacity / obser. spec. Capacity / appl. Stoma density in (mg / cm 2 ) / (mAh / cm 2 ) / mAh / cm 2 ) / (mA / cm 2 ) appl. spec. Dimensions / appl. spec. Capacity / obser. spec. Capacity / scan rate (mg / cm 2 ) / (mAh / cm 2 ) / (mAh / cm 2 ) / (V / s) Electrolyte / solvent medium a1 0.014 / 0.0015 / 0.0014 / 7 0.024 / 0.0025 / 0.0023 / 5.4 2 / 0.21 / 0.21 / 0.01 0.1 M LiClO 4 / CH 3 CN a1 - - 2 / 0.21 / 0.21 / 0.01 0.1 M LiClO 4 / H 2 O a1 Pure redox polymer without graphene - - 0.43 / 0.054 / 0.01 / 0.01 0.1 M LiClO 4 / CH 3 CN

Das Kompositmaterial besteht zu 88 % aus dem Redoxpolymer (12 Gewichtsprozente fallen auf das Graphen ab). Der Komposit erlaubt spezifische Kapazitäten > 0.21 mAh/cm2 bei 29 µm Schichtdicke und > 99% Coulomb-Effizienz (Kapazitätsdichte des Materials (inklusiv Graphen) =114 mAh/g).Der Kapazitätsverlust nach 300 Lade/Entladezyklen ist <5%.The composite material consists of 88% of the redox polymer (12 percent by weight is deposited on the graphene). The composite allows specific capacities> 0.21 mAh / cm2 at 29 μm layer thickness and> 99% Coulomb efficiency (capacity density of the material (including graphene) = 114 mAh / g). The capacity loss after 300 charge / discharge cycles is <5%.

Beispiel 4Example 4

Synthese: 1,4,5,8- Naphthalenetetracarbonsäuredianhydride (NTCDA, 0.536 g, 2 mmol) und 2,3,5,6-Tetramethyl-1,4-Diaminobenzol (0.32 g, 2 mmol) wurde in Dimethylacetamid (DMA) gelöst und bei 140°C während 3 Tagen zur Polykondensation gebracht. Das ausgefallene Produkt wurde durch Filtration isoliert, mit Ethanol und Wasser gewaschen, und im Hochvakuum bei 50°C getrocknet (0.25, 0.64 mmol (32 %), n konnte nicht ermittelt werden.

Figure DE102016124586A1_0018
Synthesis: 1,4,5,8-Naphthalenetetracarboxylic dianhydrides (NTCDA, 0.536 g, 2 mmol) and 2,3,5,6-tetramethyl-1,4-diaminobenzene (0.32 g, 2 mmol) were dissolved in dimethylacetamide (DMA) and polycondensed at 140 ° C for 3 days. The precipitated product was isolated by filtration, washed with ethanol and water, and dried under high vacuum at 50 ° C (0.25, 0.64 mmol (32%), n could not be determined.
Figure DE102016124586A1_0018

Herstellung der kolloidalen Lösung: 0.3g (0.75 mMol) 4 wurde in 100 ml DMF gelöst und unter Einwirkung von Ultraschall mit 15 ml einer Graphenoxid Suspension (4 mg/ml) versetzt. Nach Zugabe wurde die Suspension für weitere 30 min beschallt.Preparation of the colloidal solution: 0.3 g (0.75 mmol) of 4 was dissolved in 100 ml of DMF and admixed with ultrasound with 15 ml of a graphene oxide suspension (4 mg / ml). After addition, the suspension was sonicated for a further 30 min.

Elektodenmodifikation: 0.29 ml der Komposit Suspension wurde tropfenweise auf eine FTO Glas-Elektrode (Fluorine doped tin oxide, 10 Ω/sq, 1*1 cm2 Ausmaße) gegeben (unter Verwendung der in Beispiel 1 beschriebenen „drop-casting“/Ausheiz-Methode).Electrode modification: 0.29 ml of the composite suspension was added dropwise to an FTO glass electrode (Fluorine doped tin oxide, 10 Ω / sq, 1 * 1 cm 2 dimensions) (using the "drop-casting" described in Example 1). Method).

Die Aktivierung erfolgte entweder elektrochemisch (wie in Bsp 1 beschrieben) oder thermisch. Die elektrochemische Aktivierung erfolgte durch selbstkatalytische Reduktion ohne zusätzliches Viologen, prinzipiell wie in Beispiel 1 gezeigt, wobei als Elektrolyt 0.5 M TEABF4 in CH3CN verwendet wurde, der Scanbereich sich von 0 bis -2.5 V erstreckte und eine Scangeschwindigkeit von 0.005 bis 0.05 V/s angelegt wurde. In der alternativen Methode wurde die Reduktion des Graphenoxid thermisch bewirkt, indem die FTO-Glasplatte auf 400°C während 2h erhitzt wurde.The activation was carried out either electrochemically (as described in Example 1) or thermally. The electrochemical activation was carried out by self-catalytic reduction without additional viologen, in principle as shown in Example 1, wherein 0.5 M TEABF 4 in CH 3 CN was used as the electrolyte, the scan range from 0 to -2.5 V and a scanning speed of 0.005 to 0.05 V. / s was created. In the alternative method, the reduction of graphene oxide was thermally effected by heating the FTO glass plate to 400 ° C for 2 hours.

Elektrochemische Eigenschaften bei thermischer und elektrochemischer Reduktion, sowie bei Verwendung von organischen Elektrolyt/Lösungsmittel sind in der Tabelle aufgelistet: Zyklovoltammetrische Untersuchungen am Polyimid-Komposit 4 auf FTO Elektroden Vergleich elektrochemische und thermische Transformation von Graphenoxid in Graphen Alle Elektroden bestehen aus FTO auf Glas Die Reduktion erfolgte elektrochemisch oder thermisch. appl. spez. Maße / appl. spez. Kapazität / beob. spez. Kapazität / Scanrate (mg/cm2) / (mg/cm2) / (mAh/cm2) / (mAh/cm2) / (V/s) appl. spez. Maße / appl. spez. Kapazität/ beob. spez. Kapazität / Scanrate (mg/cm2) / (mAh/cm2) / (mAh/cm2) / (V/s) Elektrolyt/Lösungs-mittel Elektroreduktion a1 (FTO) *, 0.36 / 0.044 / 0.044 / 0.01 0.89 / 0.11 / 0.089/0.01 0.5M TEABF4/ CH3CN Therm. Reduktion a1 (FTO)* 0.36 / 0.044 / 0.044 / 0.01 0.89/0.11 / 0.093/0.01 0.5M TE-ABF4/CH3CN a1 (FTO) reines Polymer 0.22/0.03/0.001 / 0.01 0.5M TE-ABF4/CH3CN * T = 130°C, 20 min Electrochemical properties with thermal and electrochemical reduction, as well as with the use of organic electrolyte / solvent are listed in the table: Cyclic voltammetric investigations on polyimide composite 4 on FTO electrodes Comparison of electrochemical and thermal transformation of graphene oxide in graphene All electrodes consist of FTO on glass The reduction was carried out electrochemically or thermally. appl. spec. Dimensions / appl. spec. Capacity / obser. spec. Capacity / scan rate (mg / cm 2 ) / (mg / cm 2 ) / (mAh / cm 2 ) / (mAh / cm 2 ) / (V / s) appl. spec. Dimensions / appl. spec. Capacity / obser. spec. Capacity / scan rate (mg / cm 2 ) / (mAh / cm 2 ) / (mAh / cm 2 ) / (V / s) Electrolyte / solvent medium Electroreduction a1 (FTO) *, 0.36 / 0.044 / 0.044 / 0.01 0.89 / 0.11 / 0.089 / 0.01 0.5M TEABF 4 / CH 3 CN Therm. Reduction a1 (FTO) * 0.36 / 0.044 / 0.044 / 0.01 0.89 / 0.11 / 0.093 / 0.01 0.5M TE-ABF 4 / CH 3 CN a1 (FTO) pure polymer 0.22 / 0.03 / 0.001 / 0.01 0.5M TE-ABF 4 / CH 3 CN * T = 130 ° C, 20 min

Die thermische und die elektrochemische Methode führen zu identischen Resultaten. Die thermische Methode lässt sich aber nur auf wenige Polymere anwenden. Das Redoxmaterial 4 macht > 90 % des Gesamtgewichtes aus. Spezifische Kapazitäten >0.11 mAh/cm2 sind möglich, beide Reduktionsmethoden liefern Coulombeffizienzen > 80 %, Kapazitätsverluste nach 30 CV-Lade/Entladezyklen waren < 5%.The thermal and electrochemical methods lead to identical results. The thermal method can only be applied to a few polymers. The redox material 4 makes> 90% of the Total weight off. Specific capacities> 0.11 mAh / cm 2 are possible, both reduction methods provide Coulombefficiencies> 80%, capacity losses after 30 CV charging / discharging cycles were <5%.

Beispiel 5Example 5

Synthese von Poly-o-Dianisidin-NTCDA (4a)Synthesis of poly-o-dianisidine-NTCDA (4a)

Figure DE102016124586A1_0019
Figure DE102016124586A1_0019

Synthese: Es wurden 488,00 mg (2,0 mmol) o-Dianisidin in 15 ml Dimethylacetamid (DMA) und 538,00 mg (2,0 mmol) 1,4,5,8-Naphthalentetracarbonsäuredianhydrid (NTCDA) in 20 ml DMA je bei 40 °C während 20 Minuten und unter Rühren in Lösung gebracht. Die Lösungen wurden kombiniert und die Polykondensation wurde bei 140 °C über drei Tage unter Rückflusskühlung durchgeführt. Der rot-braune Niederschlag wurde nach Abkühlen auf RT mit einer Glasfritte abgetrennt und mit 20 ml Wasser gewaschen und danach bei 40°C am Hochvakuum getrocknet (Ausbeute: 580 mg, 61 %). Ca 30 mg dieser Menge wurde für einen Tag bei 180 °C getrocknet und gelangte dann zur spektroskopischen Analyse.Synthesis: 488.00 mg (2.0 mmol) of o-dianisidine in 15 ml of dimethylacetamide (DMA) and 538.00 mg (2.0 mmol) of 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride (NTCDA) in 20 ml DMA each at 40 ° C for 20 minutes and dissolved with stirring. The solutions were combined and the polycondensation was carried out at 140 ° C for three days under reflux. The red-brown precipitate was separated after cooling to RT with a glass frit and washed with 20 ml of water and then dried at 40 ° C under high vacuum (yield: 580 mg, 61%). About 30 mg of this amount was dried for one day at 180 ° C and then passed to the spectroscopic analysis.

1H-NMR (DMSO, 250 MHz): 8,818 - 8,620(s, 4H); 7,561 (m, 6H); 3,905 (s, 6H) 1 H-NMR (DMSO, 250 MHz): 8.818-8.620 (s, 4H); 7.561 (m, 6H); 3.905 (s, 6H)

Herstellung der kolloidalen Lösung:Preparation of colloidal solution:

30 mg poly-o-Dianisidin-NTCDA (4a) wurde in 15 ml Diethylether unter Einwirkung von Ultraschall für 30 min dispergiert. Die Dispersion wurde zu 1 mg Graphenoxid in 5 ml Wasser gegeben. Das Zweiphasensystem wurde für 24 h mechanisch gerührt. Es bildete sich eine Emulsion. Nach Trennung der beiden flüssigen Phasen befand sich der molekulare Komplex poly-o-Dianisidin-NTCDA@GO in der wässrigen Phase.30 mg of poly-o-dianisidine-NTCDA (4a) was dispersed in 15 ml of diethyl ether under the action of ultrasound for 30 minutes. The dispersion was added to 1 mg of graphene oxide in 5 ml of water. The two-phase system was stirred mechanically for 24 h. It formed an emulsion. After separation of the two liquid phases, the molecular complex poly-o-dianisidine-NTCDA @ GO was in the aqueous phase.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2014/093876 A1 [0010]WO 2014/093876 A1 [0010]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Magasinski (Maginski, A. et al; Nature Materials, 2010, 9 (4), 353-358) [0019]Magasinski (Maginski, A. et al; Nature Materials, 2010, 9 (4), 353-358) [0019]
  • Nanasawa, M et al; The Journal of Organic Chemistry 2000, 65 (2), 593-595 [0121]Nanasawa, M et al; The Journal of Organic Chemistry 2000, 65 (2), 593-595 [0121]

Claims (19)

Elektrodenmaterial in Form einer kolloidalen Lösung eines molekularen Komplexes umfassend mindestens ein maximal nanoskaliges redoxaktives organisches Oligomer und/oder Polymer und mindestens ein nanoskaliges graphitisches Material, wobei diese in einem Gewichtsverhältnis von redoxaktiven Oligomer und/oder Polymer und graphitischem Material von 1:1 bis 20:1 vorliegt und wobei das redoxaktive organische Oligomer und/oder Polymer ein Komplex mit dem graphitischen Material ausbildet.An electrode material in the form of a colloidal solution of a molecular complex comprising at least one maximum nanoscale redox-active organic oligomer and / or polymer and at least one nanoscale graphitic material, wherein these in a weight ratio of redox-active oligomer and / or polymer and graphitic material of 1: 1 to 20: 1 and wherein the redox-active organic oligomer and / or polymer forms a complex with the graphitic material. Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, wobei dieses Elektrodenmaterial keine Schwermetalle/Schwermetallionen aufweist.Electrode material after Claim 1 , wherein this electrode material does not contain heavy metals / heavy metal ions. Elektrodenmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oligomere und/oder Polymere zumindest teilweise als Dendrimere vorliegen.Electrode material after Claim 1 or 2 wherein the oligomers and / or polymers are at least partially present as dendrimers. Elektrodenmaterial nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das graphitische Material mindestens eines ist ausgewählt aus Graphen oder Graphenoxid, zumindest teilweise oxidierten CNTs oder VGCNFs, insbesondere aus Graphenoxid, wie reduziertem Graphenoxid.An electrode material according to any one of the preceding claims, wherein the graphitic material is at least one selected from graphene or graphene oxide, at least partially oxidized CNTs or VGCNFs, in particular graphene oxide, such as reduced graphene oxide. Elektrodenmaterial nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das redoxaktive organische Oligomer und/oder Polymer mindestens zwei Elektrophorengruppen mit vorwiegend kathodischem Charakter aus den Klassen aus Elektrophorengruppen aus aliphatischen oder aromatischen N-Oxide, 9-Alkyl und Aryl-Carbazole, 1,4-Di-Alkyloxy und Aryloxy-2,5-tert-Butylbenzole, Benzoquinon-Diimine, N-Alkyl-Phenothiazine oder zumindest zwei Elektrophorengruppen mit vorwiegend anodischem Charakter ausgewählt aus den Klassen aus Elektrophorengruppen aus Bipyridinium-Salze, Chinone, Anthachinone oder aromatischen 1,4 oder 1,2 Dioxoverbindungen, aromatische Tetracarbonsäurediimide, aromatische Dicarbonsäuresalze, benzylische oder aromatische Disulfide aufweist.Electrode material according to one of the preceding claims, wherein the redox-active organic oligomer and / or polymer at least two electrophorus groups predominantly cathodic character from the classes of electrophorus groups of aliphatic or aromatic N-oxides, 9-alkyl and aryl-carbazoles, 1,4-di Alkyloxy and aryloxy-2,5-tert-butylbenzenes, benzoquinone diimines, N-alkyl-phenothiazines, or at least two predominantly anodic electrophorus groups selected from the classes of electrophore groups derived from bipyridinium salts, quinones, anthachinones or aromatic 1,4 or 1 , 2 dioxo compounds, aromatic tetracarboxylic diimides, aromatic dicarboxylic acid salts, benzylic or aromatic disulfides. Elektrodenmaterial nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei diese Oligomere und/oder Polymere mehrfache, lokalisierte oder konjugierte, reversibel oxidierbare/reduzierbare Elektrophoren aufweisen, insbesondere mit mindestens zwei Elektrophorengruppen ausgewählt aus den folgenden Elektrophorengruppen:
Figure DE102016124586A1_0020
N,N'-Dimethyl-4,4'-Bipyridinium
Figure DE102016124586A1_0021
N,N'-Dimethyl-2,2'-Bipyridinium
Figure DE102016124586A1_0022
Anthrachinon
Figure DE102016124586A1_0023
Phenamthren-9,10-dion
Figure DE102016124586A1_0024
N,N'Dimethyl-Pyromel-litdiimid
Figure DE102016124586A1_0025
Li Terephthalat
Figure DE102016124586A1_0026
Dihydrotetrathiaanthracen
Figure DE102016124586A1_0027
(2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl
Figure DE102016124586A1_0028
Galvinoxyl
Figure DE102016124586A1_0029
9-Methylcarbazole
Figure DE102016124586A1_0030
1,4-Di-t-Butyl-2,5-dimethoxybenzol
Figure DE102016124586A1_0031
N,N'-2,5-cyclohexa-diene-1,4-diylidenebis
Figure DE102016124586A1_0032
n-methyl phenothiazine
Electrode material according to one of the preceding claims, wherein said oligomers and / or polymers comprise multiple, localized or conjugated, reversibly oxidizable / reducible electrophors, in particular having at least two electrophore groups selected from the following electrophoretic groups:
Figure DE102016124586A1_0020
N, N'-dimethyl-4,4'-bipyridinium
Figure DE102016124586A1_0021
N, N'-dimethyl-2,2'-bipyridinium
Figure DE102016124586A1_0022
anthraquinone
Figure DE102016124586A1_0023
Phenamthren-9,10-dione
Figure DE102016124586A1_0024
N, N'Dimethyl-Pyromel-litdiimid
Figure DE102016124586A1_0025
Li terephthalate
Figure DE102016124586A1_0026
Dihydrotetrathiaanthracen
Figure DE102016124586A1_0027
(2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl) oxyl
Figure DE102016124586A1_0028
galvinoxyl
Figure DE102016124586A1_0029
9-Methylcarbazole
Figure DE102016124586A1_0030
1,4-di-t-butyl-2,5-dimethoxybenzene
Figure DE102016124586A1_0031
N, N'-2,5-cyclohexa-diene-1,4-diylidenebis
Figure DE102016124586A1_0032
n-methyl phenothiazines
Elektrodenmaterial nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei dieses zusätzlich ein porenbildendes Polymer, wie Polyvinylidenfluorid, in einer Menge von 1 bis 10 Gewichtsprozent bezogen auf das Redoxpolymer enthält.An electrode material according to any one of the preceding claims, which additionally contains a pore-forming polymer, such as polyvinylidene fluoride, in an amount of from 1 to 10% by weight, based on the redox polymer. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode mit einem Elektronenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfassend das Aufbringen des Elektrodenmaterials in Form einer kolloidalen Lösung auf einen Stromkollektor; Entfernen des Lösungsmittels unter Beibehaltung der molekularen Komplexstruktur des Elektrodenmaterials aus dem graphitischen Material und dem redoxaktiven organischen Oligomer und/oder Polymer auf dem Stromkollektor.A process for producing an electrode with an electron material according to any one of Claims 1 to 7 comprising applying the electrode material in the form of a colloidal solution to a current collector; Removing the solvent while maintaining the molecular complex structure of the electrode material of the graphitic material and the redox-active organic oligomer and / or polymer on the current collector. Verfahren nach Anspruch 7 weiterhin umfassend den Schritt der chemischen Reduktion insbesondere der elektrochemischen Reduktion, wie durch elektrokatalytische Reduktion, des im Elektrodenmaterial vorhandenen Graphenoxids.Method according to Claim 7 further comprising the step of chemical reduction, in particular electrochemical reduction, such as by electrocatalytic reduction, of the graphene oxide present in the electrode material. Elektrode mit einem Elektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und einem Stromkollektor, der mindestens mikroskalig ist.Electrode with an electrode material according to one of Claims 1 to 7 and a current collector that is at least microscale. Elektrode nach Anspruch 10, wobei der Stromkollektor eines ist mit Kohlenstofffasern wie in Form eines Filzes oder Vlieses; in Form eines Gewebes oder Schaumes wie in Form eines 3D-Kohlenstoffschaumträgermaterials, in Form von VGCF; in Form einer Folie oder Platte.Electrode after Claim 10 wherein the current collector is one with carbon fibers such as felt or nonwoven fabric; in the form of a fabric or foam, such as in the form of a 3D carbon foam carrier material, in the form of VGCF; in the form of a foil or plate. Elektrode nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Elektrode eine flexible Elektrode ist insbesondere eine mit einer Kohlenstofffolie als Stromkollektor und einem Elektrodenmaterial mit reduziertem Graphenoxid oder Graphen als graphitisches Material.Electrode after Claim 10 or 11 in which the electrode is a flexible electrode, in particular one with a carbon foil as the current collector and an electrode material with reduced graphene oxide or graphene as the graphitic material. Elektrochemische Zelle mit einer Kathode und einer Anode, wobei ein Elektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder eine Elektrode nach einem der Ansprüche 10 bis 12 zumindest eine der Kathode oder Anode ausbildet.An electrochemical cell having a cathode and an anode, wherein an electrode material according to one of Claims 1 to 7 and / or an electrode according to one of Claims 10 to 12 at least one of the cathode or anode forms. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 13, wobei die Kathode und die Anode ein Elektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.Electrochemical cell after Claim 13 wherein the cathode and the anode are an electrode material according to any one of Claims 1 to 7 having. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei diese Zelle flexibel ausgestaltet ist.Electrochemical cell after one of Claims 13 or 14 , wherein this cell is flexible. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei diese organische Elektrolyten aufweist insbesondere eine mit einer Zellspannung von ≥ 1,5 V wie ≥ 2 V.Electrochemical cell after one of Claims 13 to 15 In particular, one of these organic electrolytes has a cell voltage of ≥ 1.5 V such as ≥ 2 V. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei diese eine flächenspezifische Kapazität von ≥ 20 mAh/cm2 bei einer Gesamtdicke der elektrochemischen Zelle von ≤ 1 cm aufweist.Electrochemical cell after one of Claims 13 to 16 , which has a surface specific capacity of ≥ 20 mAh / cm 2 with a total thickness of the electrochemical cell of ≤ 1 cm. Verfahren zur Herstellung eines Viologengruppen aufweisenden Oligomers oder Polymers umfassend die Schritte - Bereitstellens eines 1,1-(2,4-Dinitrophenyl)-4,4-Bipyridiniumdichlorids und einer zweiten Einheit umfassend mindestens zwei Aminogruppen; - Umsetzen dieser beiden Verbindungen unter Freisetzung von einem 2,4-Dinitroanilins unter Erhalt einer oligomeren oder polymeren Viologengruppen aufweisenden Verbindung. A process for preparing a viologen-group-containing oligomer or polymer comprising the steps of: - providing a 1,1- (2,4-dinitrophenyl) -4,4-bipyridinium dichloride and a second moiety comprising at least two amino groups; - Reacting these two compounds to release a 2,4-dinitroaniline to give an oligomeric or polymeric viologen-containing compound. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Umsetzung nach einer Zincke-Reaktion erfolgt.Method according to Claim 18 , wherein the reaction takes place after a Zincke reaction.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113929094B (en) * 2021-09-30 2023-08-22 国家能源集团宁夏煤业有限责任公司 Preparation method of ultralow ash coal-based capacitance carbon
CN114843006B (en) * 2022-05-27 2024-02-06 四川大学 Three-dimensional flexible sensor material and preparation method and application thereof
CN116375635A (en) * 2023-03-06 2023-07-04 湖北大学 Symmetrical ion type viologen compound and application thereof

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014093876A1 (en) 2012-12-13 2014-06-19 24M Technologies, Inc. Semi-solid electrodes having high rate capability

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4624999A (en) * 1985-07-29 1986-11-25 Honeywell Inc. Electrically conducting complexes of polymers of N-substituted carbazoles and substituted benzaldehydes
JP2739148B2 (en) * 1988-09-30 1998-04-08 日東電工株式会社 Method for producing film, fiber or composite of organic polymer or conductive organic polymer composition
JP3125763B2 (en) * 1998-09-04 2001-01-22 日本電気株式会社 Electrode for battery, secondary battery, and method for producing them
JP4677706B2 (en) * 2002-12-06 2011-04-27 日本電気株式会社 Secondary battery
TW201236239A (en) * 2010-11-16 2012-09-01 Solvay Rechargeable metal or metal-ion cell
US9147874B2 (en) * 2012-06-11 2015-09-29 Nanotek Instruments, Inc. Rechargeable lithium cell having a meso-porous conductive material structure-supported phthalocyanine compound cathode
WO2015123552A1 (en) * 2014-02-14 2015-08-20 The Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Sulfur composites and polymeric materials from elemental sulfur

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014093876A1 (en) 2012-12-13 2014-06-19 24M Technologies, Inc. Semi-solid electrodes having high rate capability

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Liangcheng et al.: PolyTEMPO and polyviologen on carbon nanotubes: syntheses, structures and organic battery applications. In: European Polymer Journal, 49, 2013, 1923-1934.
Magasinski (Maginski, A. et al; Nature Materials, 2010, 9 (4), 353-358)
Nanasawa, M et al; The Journal of Organic Chemistry 2000, 65 (2), 593-595
Rosy et al.: A facile method to anchor reduced graphene oxide polymer nanocomposite on the glassy carbon surface and its application in the voltammetric estimation of tryptophan in presence of 5-hydroxytryptamine. In: Sensors and Actuators B: Chemical, 233, 2016, 445-453.
Sethuraman et al.: A highly sensitive electrochemical biosensor for catechol using conducting polymer reduced graphene oxide-metal oxide enzyme modified electrode. In: Biosensors and Bioelectronics, 84, 2016, 112-119.
Yeling Zhu et al.: Polypyrrole coated nanotubes for supercapacitor devices with enhanced electrochemical performance. In: Journal of Power Sources, 268, 2014, 233-239.
Zhang et al.: Graphene/Polyaniline Nanofiber Composites as Supercapacitor Elektrodes. In: Chemistry of Materials, 22, 2010, 1392-1401.

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