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DE112020006564T5 - NAPHTHALINE-BASED LITHIUM COMPOUNDS, PROCESS FOR THEIR MANUFACTURE, USE THEREOF AS A SOLID ORGANIC CATALYST, AND USE THEREOF IN RECHARGEABLE NON-AQUEOUS LITHIUM AIR BATTERY CELLS - Google Patents

NAPHTHALINE-BASED LITHIUM COMPOUNDS, PROCESS FOR THEIR MANUFACTURE, USE THEREOF AS A SOLID ORGANIC CATALYST, AND USE THEREOF IN RECHARGEABLE NON-AQUEOUS LITHIUM AIR BATTERY CELLS Download PDF

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DE112020006564T5
DE112020006564T5 DE112020006564.2T DE112020006564T DE112020006564T5 DE 112020006564 T5 DE112020006564 T5 DE 112020006564T5 DE 112020006564 T DE112020006564 T DE 112020006564T DE 112020006564 T5 DE112020006564 T5 DE 112020006564T5
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DE
Germany
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lithium
air battery
soc
battery cell
group
Prior art date
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Pending
Application number
DE112020006564.2T
Other languages
German (de)
Inventor
Steven Renault
Marco Carboni
Fanny Jeanne Julie Barde
Laurent CASTRO
Philippe Poizot
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.)
CARBONI, MARCO, SE
RENAULT, STEVEN, SE
Universite De Nantes Fr
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Europe NV SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Nantes
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Europe NV SA, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Nantes filed Critical Toyota Motor Europe NV SA
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft neuartige Verbindungen auf Naphthalin-Basis, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung als feste organische Katalysatoren (SOC) in Lithium-Luft-Batteriezellen zur Förderung von Sauerstoffreaktionen. Die Erfindung betrifft ferner eine Lithium-Luft-Batteriezelle, bei der die positive Elektrode einen erfindungsgemäßen SOC umfasst, sowie ein Batteriepack mit mehreren erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batteriezellen. Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Batteriepacks als wiederaufladbare Batterie für Fahrzeuge, wie Elektro- und Hybridfahrzeuge, elektronische Geräte und stationäre Stromerzeugungsgeräte, ist ferner Teil der Erfindung. Schließlich ist die Erfindung auf ein Fahrzeug, ein elektronisches Gerät und eine stationäre Stromerzeugungsvorrichtung gerichtet, die ein erfindungsgemäßes Batteriepack umfassen.The present invention relates to novel naphthalene-based compounds, processes for their preparation and their use as solid organic catalysts (SOC) in lithium-air battery cells to promote oxygen reactions. The invention also relates to a lithium-air battery cell, in which the positive electrode comprises an SOC according to the invention, and a battery pack with a plurality of lithium-air battery cells according to the invention. The use of a battery pack according to the invention as a rechargeable battery for vehicles such as electric and hybrid vehicles, electronic devices and stationary power generation devices is also part of the invention. Finally, the invention is directed to a vehicle, an electronic device and a stationary power generation device, which comprise a battery pack according to the invention.

Description

Gebiet der Erfindungfield of invention

Die vorliegende Erfindung betrifft neuartige Verbindungen auf Naphthalin-Basis, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung als feste organische Katalysatoren (engl. Solid Organic Catalysts, SOC) in Lithium-Luft-Batteriezellen zur Förderung von Sauerstoffreaktionen. Die Erfindung betrifft ferner eine Lithium-Luft-Batteriezelle, bei der die positive Elektrode einen erfindungsgemäßen SOC enthält, sowie ein Batteriepack mit mehreren erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batteriezellen. Ferner ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batteriezelle als eine wiederaufladbare Batterie für Fahrzeuge, wie Elektro- und Hybridfahrzeuge, elektronische Geräte und stationäre Stromerzeugungsgeräte Teil der Erfindung. Schließlich ist die Erfindung auf ein Fahrzeug, ein elektronisches Gerät und ein stationäres Stromerzeugungsgerät mit einem erfindungsgemäßen Batteriepack gerichtet.The present invention relates to novel naphthalene-based compounds, processes for their preparation and their use as solid organic catalysts (SOC) in lithium-air battery cells to promote oxygen reactions. The invention also relates to a lithium-air battery cell in which the positive electrode contains an SOC according to the invention, and a battery pack having a plurality of lithium-air battery cells according to the invention. Furthermore, the use of a lithium-air battery cell according to the invention as a rechargeable battery for vehicles such as electric and hybrid vehicles, electronic devices and stationary power generation devices is part of the invention. Finally, the invention is directed to a vehicle, an electronic device and a stationary power generation device with a battery pack according to the invention.

Technologischer HintergrundTechnological background

Wiederaufladbare Lithiumbatterien sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte und ihrer hohen Leistung von großem Interesse. Vor allem wiederaufladbare Lithium-Luft-Batterien haben für Elektro- und Hybridfahrzeuge, bei denen eine hohe Energiedichte erforderlich ist, Aufmerksamkeit erregt. Lithium-Luft-Batteriezellen werden in verschiedenen Geräten (wie Computern und Telefonen), in Kraftfahrzeugen oder stationären Anwendungen verwendet und können zu Batteriepacks zusammengebaut werden.Rechargeable lithium batteries are of great interest due to their high energy density and high performance. In particular, rechargeable lithium-air batteries have attracted attention for electric and hybrid vehicles where high energy density is required. Lithium-air battery cells are used in various devices (such as computers and phones), in automobiles or stationary applications, and can be assembled into battery packs.

Wiederaufladbare Lithium-Luft-Batterien verwenden den Sauerstoff der Luft als ein Kathodenaktivmaterial. Daher können wiederaufladbare Lithium-Luft-Batterien im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Akkus, die ein Übergangsmetalloxid (beispielsweise Lithiumkobaltat) als ein Kathodenaktivmaterial enthalten, eine größere Kapazität aufweisen.Rechargeable lithium-air batteries use the oxygen in the air as a cathode active material. Therefore, rechargeable lithium-air batteries can have a larger capacity compared to conventional lithium batteries containing a transition metal oxide (e.g., lithium cobaltate) as a cathode active material.

In Metall-Luft-Batterien ist das Kathodenaktivmaterial, Sauerstoff, nicht in der Batterie enthalten. Stattdessen wird dieses Material von der umgebenden Atmosphäre bereitgestellt. Natürlich ermöglicht ein solches System im Prinzip eine sehr hohe spezifische Energie (von der Batterie pro Gewichtseinheit bereitgestellte Energie, in diesem technischen Bereich üblicherweise in Wh/kg angegeben). In solchen Batterien kann der Sauerstoff abhängig vom Katalysator, Elektrolyt, Verfügbarkeit von Sauerstoff usw. teilweise zu Peroxid oder vollständig zu Hydroxid oder Oxid reduziert werden. Wenn es sich bei der negativen Elektrode (Anode) um Lithium (Li) handelt, kann Lithiumperoxid (Li2O2) oder Lithiumoxid (Li2O) gebildet werden.In metal-air batteries, the cathode active material, oxygen, is not contained within the battery. Instead, this material is provided by the surrounding atmosphere. Of course, such a system allows in principle a very high specific energy (energy provided by the battery per unit weight, usually given in Wh/kg in this technical field). In such batteries, depending on the catalyst, electrolyte, availability of oxygen, etc., the oxygen may be partially reduced to peroxide or fully reduced to hydroxide or oxide. When the negative electrode (anode) is lithium (Li), lithium peroxide (Li 2 O 2 ) or lithium oxide (Li 2 O) can be formed.

Eine Lithium-Luft-Batteriezelle besteht im Allgemeinen aus den folgenden Teilen:

  • - Metallanode (beispielsweise Li enthaltend),
  • - nichtwässriger Elektrolyt (beispielsweise ein Lithiumsalz enthaltend), und
  • - Luftkathode.
A lithium-air battery cell generally consists of the following parts:
  • - metal anode (e.g. containing Li),
  • - non-aqueous electrolyte (for example containing a lithium salt), and
  • - air cathode.

Andere Teile der Batteriezellenvorrichtung wie beispielsweise Stromkollektoren auf der Anoden- und/oder Kathodenseite, ein Separator zwischen dem kathodenseitigen Elektrolyten (Katholyt) und anodenseitigen Elektrolyten (Anolyt), eine Sperrschicht zwischen einer positiven Elektrode (Kathode) und einem Elektrolyten, oder zwischen einer negativen Elektrode (Anode) und einem Elektrolyten können vorhanden sein.Other parts of the battery cell device such as current collectors on the anode and/or cathode side, a separator between the cathode-side electrolyte (catholyte) and anode-side electrolyte (anolyte), a barrier layer between a positive electrode (cathode) and an electrolyte, or between a negative electrode (anode) and an electrolyte may be present.

Die Entwicklung von Lithium-Luft-Batteriezellen weist unter anderem folgende Probleme auf:

  • - Vermeidung der Migration von löslichen Katalysatoren, die an der positiven Elektrode (Kathode) verwendet werden, zur Anode;
  • - Absenkung der Hysterese durch Verringerung der Ladespannung und/oder Erhöhung der Entladespannung der Lithium-Luft-Batteriezelle durch Vermeidung der Degradation bzw. Verschlechterung des Elektrolyten;
  • - Erhöhung der Kapazität der Lithium-Luft-Batteriezelle bei einer festen Rate.
The development of lithium-air battery cells has the following problems, among others:
  • - avoidance of migration of soluble catalysts used on the positive electrode (cathode) to the anode;
  • - Reduction of the hysteresis by reducing the charging voltage and/or increasing the discharging voltage of the lithium-air battery cell by avoiding the degradation or deterioration of the electrolyte;
  • - Increasing the capacity of the lithium-air battery cell at a fixed rate.

Um die Migration von löslichen Katalysatoren an der Anode zu vermeiden, können spezielle Separatoren verwendet werden. Lee et al. (Adv. Energy Mater., 2017, 1602417) schlagen die Verwendung von Glasfaserseparatoren (GF/C, Whatman), die mit einer Polymermischung aus PEDOT : PSS [Poly(3,4-ethylendioxythiophen)polystyrolsulfonat] beschichtet sind, vor, um die Migration des löslichen Katalysators DMPZ (5,10-Dihydro-5,10-dimethylphenazin), der für die Sauerstoffentwicklungsreaktion (engl. Oxygen Evolution Reaction, OER) verwendet wird, zu vermeiden. Qiao et al. (ACS Energy Lett. 2018, 3, 463-468) schlagen vor, das „Shutteln“ (engl. shuttling) von löslichen Katalysatoren zur Li-Anode zu vermeiden, indem ein spezieller Separator auf Basis eines metallorganischen Gerüsts (engl. metal-organic framework, MOF), der die löslichen Spezies blockiert, verwendet wird.Special separators can be used to avoid the migration of soluble catalysts at the anode. Lee et al. (Adv. Energy Mater., 2017, 1602417) propose the use of glass fiber separators (GF/C, Whatman) coated with a polymer blend of PEDOT:PSS [poly(3,4-ethylenedio xythiophene) polystyrene sulfonate] to avoid the migration of the soluble catalyst DMPZ (5,10-dihydro-5,10-dimethylphenazine) used for the Oxygen Evolution Reaction (OER). Qiao et al. (ACS Energy Lett. 2018, 3, 463-468) propose to avoid the shuttling of soluble catalysts to the Li anode by using a special separator based on a metal-organic framework framework, MOF) that blocks the soluble species is used.

Gao et al. schlagen 2,5-Di-tert-butyl-1,4-benzoquinon (DBBQ) als einen löslichen Katalysator vor, um die Leistungsrate einer nichtwässrigen Lithium-Luft-Batteriezelle zu erhöhen. Die Luftelektrode ist eine poröse Kohlenstoffelektrode auf Basis einer Gasdiffusionsschicht (engl. Gas Diffusion Layer, GDL) als Luftkathode. Bei der Anode handelt es sich um LiFePO4 (Nature Materials, 2016, 15, 882) oder Li, welches durch ein Ohara-Glas geschützt ist, was die Verwendung einer Zelle mit zwei Kammern erforderlich macht (Nature Energy, Vol. 2, 17118 (2017)), aber Li-Metall kann nicht als Anode verwendet werden, da DBBQ dorthin migrieren und Probleme an der Anode verursachen würde.Gao et al. propose 2,5-di-tert-butyl-1,4-benzoquinone (DBBQ) as a soluble catalyst to increase the performance rate of a non-aqueous lithium-air battery cell. The air electrode is a porous carbon electrode based on a gas diffusion layer (GDL) as the air cathode. The anode is LiFePO 4 (Nature Materials, 2016, 15, 882) or Li protected by Ohara glass, which necessitates the use of a two-chamber cell (Nature Energy, Vol. 2, 17118 (2017)), but Li-metal cannot be used as anode because DBBQ would migrate there and cause problems at the anode.

Chen et al. berichten in Nature Chemistry, 2013, 5, 489, über Tetrathiafulvalen (TTF) als einem löslichen Katalysator und nano-porösem Gold als Luftkathode. Teilweise geladenes LiFePO4 wird als Anode verwendet.Chen et al. report in Nature Chemistry, 2013, 5, 489 on tetrathiafulvalene (TTF) as a soluble catalyst and nano-porous gold as the air cathode. Partially charged LiFePO 4 is used as an anode.

Kundu et al. (ACS Cent., Sci., 2015, 1, 510-515) verwenden Tris[4-(diethylamino)phenyl]amin (TDPA) als einen löslichen Katalysator, um die Oxidation von LiO2 (Ladeprozess) zu fördern.Kundu et al. (ACS Cent., Sci., 2015, 1, 510-515) use tris[4-(diethylamino)phenyl]amine (TDPA) as a soluble catalyst to promote the oxidation of LiO 2 (loading process).

Der größte Nachteil der von dem Stand der Technik vorgeschlagenen Lösungen ist die Verwendung eines löslichen Katalysators, der die Verwendung von Li-Metall (ohne zusätzlichen Schutz) als Anode nicht zulässt. In der Tat verschlechtert die Migration löslicher Katalysatoren an der Anode die Leistung und Sicherheit der Lithium-Luft-Batteriezellen, was die Verwendung zusätzlicher Merkmale notwendig macht, wie beispielsweise

  • - eine Schutzbarriere, um das Li-Metall vor Verunreinigungen durch lösliche Katalysatoren zu schützen, die sich an der Oberfläche des Li-Metalls ablagern und Keimbildungsstellen bilden können, die zur Bildung von Dendriten führen,
  • - spezielle Separatoren, die die gelösten Species blockieren, oder
  • - spezifisches Zellendesign, wie beispielsweise eine Zwei-Kammer-Zelle, die aus zwei Elektrolytkammern zusammengebaut ist, d. h. eine für die Anodenseite und die andere für die Kathodenseite, um die Li-Anode zu schützen.
The main disadvantage of the solutions proposed by the prior art is the use of a soluble catalyst, which does not allow the use of Li metal (without additional protection) as an anode. In fact, the migration of soluble catalysts at the anode degrades the performance and safety of lithium-air battery cells, necessitating the use of additional features such as
  • - a protective barrier to protect the Li-metal from contamination by soluble catalysts that can deposit on the surface of the Li-metal and form nucleation sites leading to the formation of dendrites,
  • - special separators that block the dissolved species, or
  • - specific cell design, such as a two-chamber cell assembled from two electrolyte chambers, i.e. one for the anode side and the other for the cathode side to protect the Li anode.

Hase et al., Chem. Commun. 2016, 52, 12151-12154, verwenden ferner Methoxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-oxyl (MeO-TEMPO) als löslichen Katalysator, um die Oxidation von Li2O2 ohne parasitäre Reaktionen, die auf das elektrochemische Laden zurückzuführen sind, zu ermöglichen. Allerdings muss das TEMPO-Molekül am Ende des Ladevorgangs außerhalb der Batteriezelle chemisch regeneriert werden, was nicht praktikabel ist, da die Batteriezelle nach jedem Ladevorgang mit neuartigem Elektrolyt aufgefüllt werden muss.Hase et al., Chem. Commun. 2016, 52, 12151-12154 further use methoxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (MeO-TEMPO) as a soluble catalyst to promote the oxidation of Li 2 O 2 without parasitic reactions occurring on the electrochemical Loading are due to allow. However, the TEMPO molecule has to be chemically regenerated outside the battery cell at the end of the charging process, which is impractical since the battery cell has to be topped up with new electrolyte after each charging process.

Bergner et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, 31769-31779, berichten über die Verwendung von Nitroxid-Katalysatoren wie 1-Methyl-2-azaadamantan-N-oxyl (1-Me-AZADO). Diese Nitroxide haben jedoch den Nachteil, dass sie im Elektrolyten löslich sind und somit die Anode von Lithium-Luft-Batteriezellen verschlechtern.Bergner et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, 31769-31779 report the use of nitroxide catalysts such as 1-methyl-2-azaadamantane-N-oxyl (1-Me-AZADO). However, these nitroxides have the disadvantage that they are soluble in the electrolyte and thus degrade the anode of lithium-air battery cells.

Die vorliegende Erfindung behebt alle Probleme des Standes der Technik, indem sie eine neuartige Verbindung auf Naphthalin-Basis bereitstellt, die als SOC in Lithium-Luft-Batteriezellen verwendet wird, und die:

  • - die Kapazität der Li-O2 Batteriezelle bei einer festen Rate erhöht,
  • - die Wiederaufladbarkeit der Li-O2 Batteriezelle und damit die Zyklisierbarkeit (engl. cyclability) der Batteriezelle erhöht,
  • - die Ladeleistung, d. h. die Geschwindigkeit der (Ent-)Ladung der Batteriezelle, bei gleichzeitiger Beibehaltung einer angemessenen Kapazität erhöht,
  • - ein einfacheres Batteriezellendesign ermöglicht, da der erfindungsgemäße SOC nicht löslich ist und daher keine Lithium-Schutzschicht, keinen speziellen Separator und keine Zwei-Kammer-Zelle benötigt,
  • - der SOC wird innerhalb der Batteriezelle selbst regeneriert und kehrt in seinen Ausgangszustand zurück,
  • - ermöglicht es, die Menge des an der positiven Elektrode (Luftkathode) verwendeten Kohlenstoffs zu verringern und somit die Korrosion des Kohlenstoffs zu vermeiden, die als Ursache für eine schlechte Wiederaufladbarkeit bekannt ist. Es ist bekannt, dass Kohlenstoff in Lithium-Luft-Batteriesystemen korrodiert und zur teilweisen Bildung von U2CO3 (Nebenreaktions-Entladeprodukt) anstelle von Li2O2 (ideales Entladeprodukt) führt.
The present invention solves all the problems of the prior art by providing a novel naphthalene-based compound used as a SOC in lithium-air battery cells that:
  • - increases the capacity of the Li-O 2 battery cell at a fixed rate,
  • - increases the rechargeability of the Li-O 2 battery cell and thus the cyclability of the battery cell,
  • - increases the charging power, ie the speed of (dis)charging the battery cell, while maintaining an adequate capacity,
  • - enables a simpler battery cell design, since the SOC according to the invention is not soluble and therefore does not require a lithium protective layer, no special separator and no two-chamber cell,
  • - the SOC is regenerated within the battery cell itself and returns to its initial state,
  • - makes it possible to reduce the amount of carbon used on the positive electrode (air cathode), thus avoiding carbon corrosion, known to be the cause of poor rechargeability. It is known that carbon in lithium-air battery systems corrodes and leads to the partial formation of U 2 CO 3 (side reaction discharge product) instead of Li 2 O 2 (ideal discharge product).

Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße SOC kostengünstig (im Vergleich zu anderen in Lithium-Luft-Systemen verwendeten Katalysatoren auf Basis von Gold-, Platin- oder Kobaltoxiden) und ein umweltfreundliches organisches Material, das aus erneuerbaren Ressourcen (Biomasse) hergestellt werden kann.In addition, the SOC of the invention is inexpensive (compared to other catalysts based on gold, platinum or cobalt oxides used in lithium-air systems) and an environmentally friendly organic material that can be produced from renewable resources (biomass).

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention

Die vorliegende Erfindung betrifft in einem Aspekt eine neuartige Verbindung auf Naphthalin-Basis der spezifischen Formel (1), wie sie im Folgenden definiert ist.The present invention relates in one aspect to a novel naphthalene-based compound represented by the specific formula (1) as defined below.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen spezifischen Verbindung der Formel (1).The invention further relates to a process for preparing such a specific compound of formula (1).

Die Verwendung einer solchen spezifischen Verbindung der Formel (1) als SOC in Lithium-Luft-Batteriezellen ist auch Teil der Erfindung.The use of such a specific compound of formula (1) as SOC in lithium-air battery cells is also part of the invention.

Die Erfindung betrifft ferner eine Lithium-Luft-Batteriezelle, die umfasst:

  • - eine negative Elektrode (Anode), die ein Negativelektrodenaktivmaterial enthält;
  • - eine positive Elektrode (Kathode), die Sauerstoff als ein Positivelektrodenaktivmaterial verwendet, und
  • - ein nichtwässriges Elektrolytmedium, das zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet ist;
wobei die positive Elektrode die Verbindung der Formel (1) als SOC umfasst.The invention also relates to a lithium-air battery cell comprising:
  • - a negative electrode (anode) containing a negative electrode active material;
  • - a positive electrode (cathode) using oxygen as a positive electrode active material, and
  • - a non-aqueous electrolytic medium disposed between the negative electrode and the positive electrode;
wherein the positive electrode comprises the compound of formula (1) as SOC.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Batteriepack, das mehrere zusammengebaute erfindungsgemäße Lithium-Luft-Batteriezellen enthält.In another aspect, the invention relates to a battery pack containing a plurality of assembled lithium-air battery cells according to the invention.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Batteriepacks als eine wiederaufladbare Batterie für Elektro- und Hybridfahrzeuge, elektronische Geräte und stationäre Stromerzeugungsgeräte.The invention further relates to the use of a battery pack according to the invention as a rechargeable battery for electric and hybrid vehicles, electronic devices and stationary power generation devices.

Schließlich betrifft die Erfindung ferner ein Fahrzeug, ein elektronisches Gerät und eine stationäre Stromerzeugungsvorrichtung, die ein erfindungsgemäßes Batteriepack umfassen.Finally, the invention also relates to a vehicle, an electronic device and a stationary power generation device, which include a battery pack according to the invention.

Figurenlistecharacter list

  • zeigt die thermogravimetrische Analyse (TGA) des Tetra-Lithium-Salzes von 1,5-Dihydroxy-2,6-naphthalindicarbonsäure (Li4DHNDC), erhalten mit ( ) oder ohne ( ) Überschuss an Lithiummethanolat (MeOLi). shows the thermogravimetric analysis (TGA) of the tetra-lithium salt of 1,5-dihydroxy-2,6-naphthalenedicarboxylic acid (Li 4 DHNDC) obtained with ( ) or without ( ) excess lithium methoxide (MeOLi).
  • zeigt Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie-Spektren (FT-IR) des Vorläufers 1,5-Dihydroxy-2,6-naphthalindicarbonsäure (H4DHNDC) ( ) und Li4DHNDC ( ). shows Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) spectra of the precursor 1,5-dihydroxy-2,6-naphthalenedicarboxylic acid (H 4 DHNDC) ( ) and Li 4 DHNDC ( ).
  • zeigt die Bilder der Rasterelektronenmikroskopie (REM) von Li4DHNDC. shows the scanning electron microscopy (SEM) images of Li 4 DHNDC.
  • zeigt die Spannung (V versus Li+/Li) gegen die Kapazität (mAh.cm-2) für eine Lithium-Luft-Batteriezelle, die wie in Beispiel 1 (Bsp1) beschrieben bei 0,2 mAh.cm-2 zyklisiert (engl. cycled) wurde, im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1, 2 und 3 (VergleichsBsp1, VergleichsBsp2, VergleichsBsp3). shows the voltage (V versus Li + /Li) versus capacity (mAh.cm -2 ) for a lithium-air battery cell cycled at 0.2 mAh.cm -2 as described in Example 1 (Ex1). . cycled) compared to comparative examples 1, 2 and 3 (comparative example 1, comparative example 2, comparative example 3).
  • zeigt das Zyklisieren der Lithium-Luft-Batteriezelle ( ) von Beispiel 1 mit einer Rate von 0,2 mAh.cm-2, innerhalb des Potentialfensters 2,2 - 4,6 V gegen Li+/Li und mit einer Kapazitätsbegrenzung von 800 mAh.g-1 SOC (~2,15 mAh.cm-2), und den Kapazitätserhalt gegen die Zyklenanzahl ( ) von Beispiel 1. shows the cycling of the lithium-air battery cell ( ) of Example 1 at a rate of 0.2 mAh.cm -2 , within the potential window 2.2 - 4.6 V versus Li + /Li and with a capacity limitation of 800 mAh.g -1 SOC (~2.15 mAh.cm -2 ), and the retention of capacity versus the number of cycles ( ) from example 1.
  • zeigt einen Vergleich des 1st Zyklus der Lithium-Luft-Batteriezelle aus Beispiel 1 unter Verwendung einer Li4DHNDC als SOC enthaltenden Arbeitselektrode, erhalten in Argon (gepunktete Linie) oder in Sauerstoff (durchgezogene Linie) für Elektroden, die ein Gewichtsverhältnis von Carbon Super C65 : Li4DHNDC von 7:2 enthalten (galvanostatische Entladung durchgeführt bei 0,5 mAh.cm-2). shows a comparison of the 1 st cycle of the lithium-air battery cell of Example 1 using a working electrode containing Li 4 DHNDC as SOC obtained in argon (dotted line) or in oxygen (solid line) for electrodes containing a weight ratio of Carbon Super C65 : Li 4 DHNDC of 7:2 included (galvanostatic discharge performed at 0.5 mAh.cm -2 ).
  • ist eine schematische Darstellung einer Metall-Luft-Batteriezelle mit einer elektrochemischen Zelle innerhalb eines Gasraums ( ) und eines Metall-Luft-Batteriepacks mit mehreren Zellen innerhalb eines Gasraums ( ), mit: 11: Gasraum (trockene Luft oder reiner Sauerstoff), 12: Metallanode, 13: Kathode, 14: Elektrolyt/Separator, 15: Anodenstromkollektor und 16: Kathodenstromkollektor. is a schematic representation of a metal-air battery cell with an electrochemical cell within a headspace ( ) and a multi-cell metal-air battery pack within a gas compartment ( ), with: 11: gas space (dry air or pure oxygen), 12: metal anode, 13: cathode, 14: electrolyte/separator, 15: anode current collector and 16: cathode current collector.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige Verbindung auf Naphthalin-Basis der nachstehenden Formel (1):

Figure DE112020006564T5_0001
wobei:

  • - mindestens eines von R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 oder R8 eine Gruppe A, die eine permanente negative Ladung umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (Thio)carboxylat-, (Thio)sulfonat-, (Thio)phosphonat-, Sulfat- und Amidatgruppen (-C(=O)-N--), ist,
  • - mindestens eines von R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 oder R8 eine Gruppe B, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus -OLi, Nitroxid (-N(O)-), C1-C20-Alkylnitroxid, Thio-C1-C20-Ether, C1-C20-Alkyldisulfid, C3-C20-Aryldisulfid, C1-C20-Alkylamin und C3-C20-Arylamin-Gruppen, ist,
  • - die anderen R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 oder R8 ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Wasserstoff (H), Aryl, Alkyl, Alkenyl, Alkaryl, Alkyloxy, Aryloxy, Aminoalkyl, Aminoaryl, Thioalkyl, Thioaryl, Alkylphosphonat, Arylphosphonat, Cyclodienyl, -OCR, -(O=)CHNR, -HN(O =)CR, -(O=)COR, -HN(O=)CHNR, -HN(O=)COR, -(HN=)CHNR, -HN(HN= )CHNR, -(S=)CHNR, -HN(S=)CHNR, wobei R H oder eine C1-C19-Alkylgruppe ist, und vorzugsweise wobei R H oder eine C1-C6-Alkylgruppe ist, wobei besagte Gruppen R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 oder R8 1 bis 20 Kohlenstoffatome umfassen und gegebenenfalls mit mindestens einem Halogen-, Sauerstoff- oder Schwefelatom substituiert sind,
  • - mindestens eines von R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 oder R8 mindestens ein Lithium-Ion enthält, wobei die Anzahl der Lithium-Ionen gleich der Anzahl der Gruppen A, die eine permanente negative Ladung umfassen, ist, um die Verbindung der Formel (1) insgesamt neutral zu machen.
The present invention relates to a novel naphthalene-based compound represented by the following formula (1):
Figure DE112020006564T5_0001
whereby:
  • - at least one of R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 or R 8 is a group A comprising a permanent negative charge selected from the group consisting of (thio)carboxylate-, (Thio)sulfonate, (thio)phosphonate, sulfate and amidate groups (-C(=O)-N - -), is,
  • - at least one of R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 or R 8 is a group B selected from the group consisting of -OLi, nitroxide (-N(O )-) , C 1 -C 20 alkyl nitroxide, thio C 1 -C 20 ether, C 1 -C 20 alkyl disulfide, C 3 -C 20 aryl disulfide, C 1 -C 20 alkylamine and C 3 -C 20 arylamine -groups, is,
  • - the other R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 or R 8 are selected from the group consisting of: hydrogen (H), aryl, alkyl, alkenyl, alkaryl, alkyloxy, aryloxy , aminoalkyl, aminoaryl, thioalkyl, thioaryl, alkylphosphonate, arylphosphonate, cyclodienyl, -OCR, -(O=)CHNR, -HN(O=)CR, -(O=)COR, -HN(O=)CHNR, -HN (O=)COR, -(HN=)CHNR, -HN(HN= )CHNR, -(S=)CHNR, -HN(S=)CHNR, where R is H or a C 1 -C 19 alkyl group, and preferably wherein R is H or a C 1 -C 6 alkyl group, said groups R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 or R 8 comprising 1 to 20 carbon atoms and optionally containing at least one Halogen, oxygen or sulfur atom are substituted,
  • - At least one of R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 or R 8 contains at least one lithium ion, wherein the number of lithium ions equal to the number of groups A, the one comprise a permanent negative charge is to make the compound of formula (1) neutral overall.

Im Sinne der Erfindung bedeuten die folgenden Begriffe:

  • - Alkyl: eine gesättigte, lineare oder verzweigte, C1-C20, vorzugsweise C1-C12, noch bevorzugter C1-C6 und noch mehr bevorzugt C1-C4, Kohlenwasserstoffbasierte aliphatische Gruppe. Der Begriff „verzweigt“ bedeutet, dass mindestens eine niedere Alkylgruppe wie Methyl oder Ethyl von einer linearen Alkylkette getragen wird. Als die Alkylgruppe können beispielsweise Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, n-Butyl, t-Butyl, i-Butyl, s-Butyl und n-Pentyl genannt werden;
  • - Aryl: irgendeine funktionelle Gruppe oder Substituent abgeleitet von mindestens einem aromatischen Ring; ein aromatischer Ring entspricht irgendeiner planaren mono- oder polyzyklischen Gruppe, die ein delokalisiertes π-System umfasst, in dem jedes Atom des Zyklus ein p-Orbital aufweist, wobei besagte p-Orbitale einander überlappen; unter diesen Arylgruppen können Phenyl-, Biphenyl-, Naphthalin- und Anthracengruppen genannt werden. Die Arylgruppen der Erfindung umfassen vorzugsweise 4 bis 20 Kohlenstoffatome, noch bevorzugter 4 bis 12 Kohlenstoffatome und noch mehr bevorzugt 5 bis 6 Kohlenstoffatome;
  • - Alkenyl: eine lineare oder verzweigte C1-C20, vorzugsweise C1-C12, noch bevorzugter C1-C6 und noch mehr bevorzugt C1-C4, ungesättigte Kohlenwasserstoffbasierte aliphatische Gruppe, die mindestens eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung enthält. Der Begriff „verzweigt“ bedeutet, dass mindestens eine niedere Alkylgruppe wie Methyl oder Ethyl von einer linearen Alkenylkette getragen wird;
  • - Alkaryl: irgendeine Gruppe abgeleitet von einer wie oben definierten Alkylgruppe, wobei ein Wasserstoffatom durch ein wie oben definiertes Aryl ersetzt ist. Das Alkaryl umfasst vorzugsweise 5 bis 20 Kohlenstoffatome, und noch bevorzugter 5 bis 12 Kohlenstoffatome;
  • - Alkyloxy: eine gesättigte, lineare oder verzweigte, C1-C20, vorzugsweise C1-C12, noch bevorzugter C1-C6 und noch mehr bevorzugt C1-C4, Kohlenwasserstoffbasierte aliphatische Gruppe, die ein Sauerstoffatom enthält. Als die Alkylgruppe können beispielsweise Methyloxy-, Ethyloxy-, n-Propyloxy-, iso-Propyloxy-, n-Butyloxy-, sec-Butyloxy-, tert-Butyloxy- und iso-Butyloxy-Radikale genannt werden;
  • - Aryloxy: irgendein an ein Sauerstoffatom gebundenes Arylradikal, das vorzugsweise 4 bis 20 Kohlenstoffatome und noch bevorzugter 4 bis 12 Kohlenstoffatome umfasst. Als die Aryloxygruppe kann beispielsweise ein Phenoxyradikal genannt werden;
  • - Aminoalkyl: eine gesättigte, lineare oder verzweigte, C1-C20, vorzugsweise C1-C12, noch bevorzugter C1-C6 und noch mehr bevorzugt C1-C4, Kohlenwasserstoffbasierte aliphatische Gruppe, die eine Aminogruppe, und vorzugsweise eine primäre Aminogruppe -NH2, trägt;
  • - Amino-Aryl: irgendein Arylradikal, das an eine Aminogruppe, und vorzugsweise eine primäre Aminogruppe -NH2, gebunden ist, das vorzugsweise 4 bis 20 Kohlenstoffatome und noch bevorzugter 4 bis 12 Kohlenstoffatome umfasst;
  • - Thioalkyl: eine gesättigte, lineare oder verzweigte, C1-C20, vorzugsweise C1-C12, noch bevorzugter C1-C6 und noch mehr bevorzugt C1-C4, Kohlenwasserstoffbasierte aliphatische Gruppe, die eine Thiolgruppe -SH trägt;
  • - Thioaryl: irgendein Arylradikal, das an eine Thiolgruppe -SH gebunden ist, vorzugsweise 4 bis 20 Kohlenstoffatome und noch bevorzugter 4 bis 12 Kohlenstoffatome umfasst;
  • - Thioether: eine gesättigte, lineare oder verzweigte, C1-C20, vorzugsweise C1-C12, noch bevorzugter C1-C6, und noch mehr bevorzugt C1-C4, Kohlenwasserstoffbasierte aliphatische Gruppe, die eine funktionelle Gruppe mit der Struktur C-S-C trägt;
  • - Alkyldisulfid: eine gesättigte, lineare oder verzweigte, C1-C20, vorzugsweise C1-C12, noch bevorzugter C1-C6 und noch mehr bevorzugt C1-C4, Kohlenwasserstoffbasierte aliphatische Gruppe, die eine funktionelle Gruppe mit der Struktur C-S-S-C trägt;
  • - Alkylphosphonat: irgendein Alkylradikal, das an eine Phosphon-Gruppe -P(=O)(OR')2 gebunden ist, wobei R' eine gesättigte, lineare oder verzweigte, C1-C20, vorzugsweise C1-C12, noch bevorzugter C1-C6, und noch mehr bevorzugt C1-C4, Kohlenwasserstoffbasierte aliphatische Gruppe ist;
  • - Arylphosphonat: irgendein Arylradikal, das an eine PhosphonatGruppe -P(=O)(OR')2 gebunden ist, wobei R' eine gesättigte, lineare oder verzweigte, C1-C20, vorzugsweise C1-C12, noch bevorzugter C1-C6 und noch mehr bevorzugt C1-C4, Kohlenwasserstoffbasierte aliphatische Gruppe ist;
  • - Cyclodienyl: irgendein ungesättigtes cyclisches Radikal, das mindestens zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen enthält, und vorzugsweise 5 bis 20 Kohlenstoffatome und noch bevorzugter 5 bis 12 Kohlenstoffatome umfasst;
  • - Alkylnitroxid: eine gesättigte, lineare oder verzweigte, C1-C20, vorzugsweise C1-C12, noch bevorzugter C1-C6 und noch mehr bevorzugt C1-C4, Kohlenwasserstoffbasierte aliphatische Gruppe, die ein Nitroxidradikal -N(O)-trägt.
For the purposes of the invention, the following terms mean:
  • - Alkyl: a saturated, linear or branched, C 1 -C 20 , preferably C 1 -C 12 , more preferably C 1 -C 6 and even more preferably C 1 -C 4 , hydrocarbon-based aliphatic group. The term "branched" means at least one lower alkyl group such as methyl or ethyl is carried by a linear alkyl chain. As the alkyl group, there can be mentioned, for example, methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl, n-butyl, t-butyl, i-butyl, s-butyl and n-pentyl;
  • - aryl: any functional group or substituent derived from at least one aromatic ring; an aromatic ring corresponds to any planar mono- or polycyclic group comprising a delocalized π-system in which each atom of the cycle has a p-orbital, said p-orbitals overlapping one another; among these aryl groups there can be mentioned phenyl, biphenyl, naphthalene and anthracene groups. The aryl groups of the invention preferably contain from 4 to 20 carbon atoms, more preferably from 4 to 12 carbon atoms, and even more preferably from 5 to 6 carbon atoms;
  • - alkenyl: a linear or branched C 1 -C 20 , preferably C 1 -C 12 , more preferably C 1 -C 6 and even more preferably C 1 -C 4 unsaturated hydrocarbon-based aliphatic group containing at least one carbon-carbon double bond contains. The term "branched" means that at least one lower alkyl group such as methyl or ethyl is carried by a linear alkenyl chain;
  • - alkaryl: any group derived from an alkyl group as defined above, wherein a hydrogen atom is replaced by an aryl as defined above. The alkaryl preferably comprises 5 to 20 carbon atoms, and more preferably 5 to 12 carbon atoms;
  • - Alkyloxy: a saturated, linear or branched, C 1 -C 20 , preferably C 1 -C 12 , more preferably C 1 -C 6 and even more preferably C 1 -C 4 , hydrocarbon-based aliphatic group containing an oxygen atom. As the alkyl group, there can be mentioned, for example, methyloxy, ethyloxy, n-propyloxy, iso-propyloxy, n-butyloxy, sec-butyloxy, tert-butyloxy and iso-butyloxy radicals;
  • - aryloxy: any aryl radical linked to an oxygen atom, preferably containing from 4 to 20 carbon atoms and more preferably from 4 to 12 carbon atoms. As the aryloxy group, there can be mentioned, for example, a phenoxy radical;
  • - Aminoalkyl: a saturated, linear or branched, C 1 -C 20 , preferably C 1 -C 12 , more preferably C 1 -C 6 and even more preferably C 1 -C 4 , hydrocarbon-based aliphatic group containing an amino group, and preferably carries a primary amino group -NH 2 ;
  • - amino-aryl: any aryl radical linked to an amino group, and preferably a primary amino group -NH 2 , preferably comprising from 4 to 20 carbon atoms and more preferably from 4 to 12 carbon atoms;
  • - Thioalkyl: a saturated, linear or branched, C 1 -C 20 , preferably C 1 -C 12 , more preferably C 1 -C 6 and even more preferably C 1 -C 4 hydrocarbon-based aliphatic group bearing a thiol group -SH ;
  • - thioaryl: any aryl radical linked to a thiol group -SH, preferably containing from 4 to 20 carbon atoms and more preferably from 4 to 12 carbon atoms;
  • - thioether: a saturated, linear or branched, C 1 -C 20 , preferably C 1 -C 12 , more preferably C 1 -C 6 , and even more preferably C 1 -C 4 , hydrocarbon-based aliphatic group containing a functional group having the structure bears CSC;
  • - Alkyl disulfide: a saturated, linear or branched, C 1 -C 20 , preferably C 1 -C 12 , more preferably C 1 -C 6 and even more preferably C 1 -C 4 , hydrocarbon-based aliphatic group having a functional group with the Structure CSSC bears;
  • - alkylphosphonate: any alkyl radical attached to a phosphonic group -P(=O)(OR') 2 , where R' is a saturated, linear or branched, C 1 -C 20 , preferably C 1 -C 12 , nor more preferably C 1 -C 6 , and even more preferably C 1 -C 4 , hydrocarbon-based aliphatic group;
  • - Arylphosphonate: any aryl radical attached to a phosphonate group -P(=O)(OR') 2 , where R' is a saturated, linear or branched, C 1 -C 20 , preferably C 1 -C 12 , more preferably C C 1 -C 6 and more preferably C 1 -C 4 hydrocarbon based aliphatic group;
  • - cyclodienyl: any unsaturated cyclic radical containing at least two carbon-carbon double bonds and preferably comprising from 5 to 20 carbon atoms and more preferably from 5 to 12 carbon atoms;
  • - Alkyl nitroxide: a saturated, linear or branched, C 1 -C 20 , preferably C 1 -C 12 , more preferably C 1 -C 6 , and even more preferably C 1 -C 4 , hydrocarbon-based aliphatic group containing a nitroxide radical -N( O )-carries.

Das Vorhandensein einer Gruppe A, die eine permanente negative Ladung umfasst, führt zu einer geringeren Löslichkeit der Verbindung der Formel (1) in aprotischen polaren Lösungsmitteln.The presence of a group A comprising a permanent negative charge results in lower solubility of the compound of formula (1) in aprotic polar solvents.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind in der Verbindung der Formel (1) mindestens zwei R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 oder R8 Gruppen A, die eine permanente negative Ladung umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (Thio)carboxylaten, (Thio)sulfonaten, (Thio)phosphonaten, Sulfaten und Amidaten, und noch bevorzugter Carboxylatgruppen.In a preferred embodiment, in the compound of formula (1) at least two R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 or R 8 groups A comprising a permanent negative charge are selected from the group consisting of (thio)carboxylates, (thio)sulfonates, (thio)phosphonates, sulfates and amidates, and more preferably carboxylate groups.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind in der Verbindung der Formel (1) mindestens zwei R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 oder R8 Gruppen B, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus -OLi, Nitroxid, Alkylnitroxid, Thioether, Disulfid, Alkylamin und Arylamin, und noch bevorzugter -OLi.In a preferred embodiment, in the compound of formula (1) at least two R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 or R 8 groups B are selected from the group consisting of - OLi, nitroxide, alkyl nitroxide, thioether, disulfide, alkylamine and arylamine, and more preferably -OLi.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Gruppen R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 oder R8, die nicht die Gruppen A und B sind, H. In einer noch bevorzugteren Ausführungsform sind R1, R2, R5 und R6 H.In a preferred embodiment, the groups R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 or R 8 that are not groups A and B are H. In a more preferred embodiment, R 1 is , R 2 , R 5 and R 6 H.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Verbindung der Formel (1) ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:

Figure DE112020006564T5_0002
Figure DE112020006564T5_0003
Figure DE112020006564T5_0004
Figure DE112020006564T5_0005
Figure DE112020006564T5_0006
Figure DE112020006564T5_0007
According to a preferred embodiment, the compound of the formula (1) according to the invention is selected from the group consisting of:
Figure DE112020006564T5_0002
Figure DE112020006564T5_0003
Figure DE112020006564T5_0004
Figure DE112020006564T5_0005
Figure DE112020006564T5_0006
Figure DE112020006564T5_0007

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Verbindung der Formel (1) ein Tetra-Lithium-Salz von 1,5-Dihydroxy-2,6-naphthalindicarbonsäure (Li4DHNDC) der Formel:

Figure DE112020006564T5_0008
In a particularly preferred embodiment, the compound of formula (1) is a tetra-lithium salt of 1,5-dihydroxy-2,6-naphthalenedicarboxylic acid (Li 4 DHNDC) of the formula:
Figure DE112020006564T5_0008

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Verbindung der Formel (1), das den Schritt des Umsetzens eines Naphthols mit MeOLi in MeOH oder LiH in DMF (Lithiierungsschritt), und vorzugsweise MeOLi in MeOH, in stöchiometrischer Menge und unter inerter Atmosphäre (in einer Glovebox) umfasst. Die stöchiometrischen Bedingungen sind wichtig, um zu vermeiden, dass sich nicht umgesetztes MeOLi mit der endgültigen Verbindung der Formel (1) vermischt, wobei das einzige verbleibende Nebenprodukt bei einer vollständig erfolgten Umsetzung das Lösungsmittel ist, das einfach in vacuo entfernt wird.The present invention further relates to a process for preparing a compound of formula (1) according to the invention, which comprises the step of reacting a naphthol with MeOLi in MeOH or LiH in DMF (lithiation step), and preferably MeOLi in MeOH, in a stoichiometric amount and under an inert atmosphere (in a glove box). The stoichiometric conditions are important in order to avoid unreacted MeOLi mixing with the final compound of formula (1), the only remaining by-product when the reaction is complete is the solvent, which is simply removed in vacuo.

Insbesondere zielt die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von Li4DHNDC nach dem folgenden Reaktionsschema ab:

Figure DE112020006564T5_0009
In particular, the invention aims at a process for the production of Li 4 DHNDC according to the following reaction scheme:
Figure DE112020006564T5_0009

Die Synthese von H4DHNDC des ersten Schritts wurde bereits in Journal of Material Chemistry A 2015, 3, 19177-19185 beschrieben.The synthesis of H 4 DHNDC of the first step has already been described in Journal of Material Chemistry A 2015, 3, 19177-19185.

In einem zweiten Schritt wird H4DHNDC durch MeOLi oder LiH, das unter inerter Atmosphäre und in stöchiometrischer Menge zugesetzt wird, lithiiert, um Li4DHNDC zu erhalten. Der zweite Schritt wird vorteilhafterweise in einem protischen Lösungsmittel wie Methanol, Ethanol, Isopropanol, n-Propanol, n-Butanol, Ethylenglykol und noch vorteilhafter Methanol (MeOH) durchgeführt.In a second step, H 4 DHNDC is lithiated by MeOLi or LiH added under an inert atmosphere and in stoichiometric amount to obtain Li 4 DHNDC. The second step is advantageously carried out in a protic solvent such as methanol, ethanol, isopropanol, n-propanol, n-butanol, ethylene glycol and more advantageously methanol (MeOH).

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer erfindungsgemäßen Verbindung der Formel (1) als SOC in einer Lithium-Luft-Batteriezelle. Die Verbindung der Formel (1) ist ein festes elektroaktives organisches Katalysator-Lithiumsalz vom n-Typ, das in Lithium-Luft-Batteriezellen verwendet werden kann um Sauerstoffreaktionen zu fördern.The present invention further relates to the use of a compound of the formula (1) according to the invention as an SOC in a lithium-air battery cell. The compound of formula (1) is a solid n-type electroactive organic catalyst lithium salt that can be used in lithium-air battery cells to promote oxygen reactions.

Die Erfindung betrifft ferner einen SOC, der eine erfindungsgemäße Verbindung der Formel (1) enthält und vorzugsweise aus einer solchen besteht.The invention further relates to an SOC which contains and preferably consists of a compound of the formula (1) according to the invention.

Der erfindungsgemäße SOC hat den Hauptvorteil, dass er nicht im Elektrolyten löslich ist, wodurch die Migration löslicher Spezies zur Anode vermieden wird. Er erhöht außerdem die elektrochemischen Leistungen der Reaktionen, an denen Sauerstoff beteiligt ist, wie beispielsweise die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) und die Sauerstoffreduktionsreaktion (engl. Oxygen Reduction Reaction, ORR), und verbessert so die Kapazität und Wiederaufladbarkeit von nichtwässrigen Lithium-Luft-Batteriezellen.The SOC according to the invention has the main advantage that it is not soluble in the electrolyte, thus avoiding the migration of soluble species to the anode. It also increases the electrochemical performance of reactions involving oxygen, such as the oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR), thereby improving the capacity and rechargeability of nonaqueous lithium-air battery cells.

Der erfindungsgemäße SOC liegt vorteilhafterweise in Form von lamellaren Partikeln vor.The SOC according to the invention is advantageously in the form of lamellar particles.

Der erfindungsgemäße SOC hat vorteilhafterweise eine spezifische Oberfläche (engl. specific surface area) größer als oder gleich 5 m2·g-1.The SOC according to the invention advantageously has a specific surface area greater than or equal to 5 m 2 ·g -1 .

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Lithium-Luft-Batteriezelle, welche umfasst:

  • - eine negative Elektrode (Anode), die ein Negativelektrodenaktivmaterial enthält,
  • - eine positive Elektrode (Kathode), die Sauerstoff als ein Positivelektrodenaktivmaterial verwendet, und
  • - ein nichtwässriges Elektrolytmedium, das zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet ist,
wobei die positive Elektrode eine erfindungsgemäße Verbindung der Formel (1) als SOC umfasst.Another subject of the present invention is a lithium-air battery cell, which comprises:
  • - a negative electrode (anode) containing a negative electrode active material,
  • - a positive electrode (cathode) using oxygen as a positive electrode active material, and
  • - a non-aqueous electrolyte medium arranged between the negative electrode and the positive electrode,
wherein the positive electrode comprises a compound of the formula (1) according to the invention as SOC.

Im Stand der Technik 1 ist bereits die Synthese von IMNQ und DANQ offenbart, die als Kathodenaktivmaterialien in Lithium-Ionen-Batteriezellen verwendet werden, bei denen es sich um geschlossene Batteriesysteme handelt, und nicht in Lithium-Luft-Batteriezellen. Der größte Nachteil geschlossener Batteriesysteme ist ihre geringe Kapazität.The prior art 1 already discloses the synthesis of IMNQ and DANQ, which are used as cathode active materials in lithium-ion battery cells, which are sealed battery systems, and not in lithium-air battery cells. The main disadvantage of sealed battery systems is their low capacity.

<Anode><anode>

In der Lithium-Luft-Batteriezelle der vorliegenden Erfindung umfasst die negative Elektrode (die im Folgenden auch als „Anode“ bezeichnet werden kann) mindestens ein Anodenaktivmaterial (das im Folgenden auch als „Negativelektrodenaktivmaterial“ bezeichnet werden kann). Als das Anodenaktivmaterial können allgemeine Anodenaktivmaterialien für Lithiumbatterien verwendet werden, und das Anodenaktivmaterial ist nicht besonders beschränkt. Das Anodenaktivmaterial ist im Allgemeinen in der Lage ein Lithium-Ion (Li+) zu speichern/freizugeben.In the lithium-air battery cell of the present invention, the negative electrode (which may also be referred to as “anode” hereinafter) includes at least an anode active material (which may also be referred to as “negative-electrode active material” hereinafter). As the anode active material, general anode active materials for lithium batteries can be used, and the anode active material is not particularly limited. The anode active material is generally capable of storing/releasing a lithium ion (Li + ).

Spezifische Anodenaktivmaterialien für wiederaufladbare Lithium-Luft-Batterien sind zum Beispiel ein Lithiummetall, lithiumgeschützte Anoden, Lithiumlegierungen wie eine Lithium-Aluminium-Legierung, eine Lithium-ZinnLegierung, eine Lithium-Blei-Legierung und eine Lithium-Silizium-Legierung, Metalloxide wie ein Lithium-Titan-Oxid, Metallnitride wie ein Lithium-Kobalt-Nitrid, ein Lithium-Eisen-Nitrid und ein Lithium-Mangan-Nitrid. Von diesen ist Lithiummetall bevorzugt.Specific anode active materials for rechargeable lithium-air batteries are, for example, a lithium metal, lithium-protected anodes, lithium alloys such as lithium-aluminum alloy, lithium-tin alloy, lithium-lead alloy and lithium-silicon alloy, metal oxides such as lithium -Titanium oxide, metal nitrides such as a lithium cobalt nitride, a lithium iron nitride and a lithium manganese nitride. Of these, lithium metal is preferred.

Der Begriff „lithiumgeschützte Anode“ bezieht sich hierbei beispielsweise (aber nicht ausschließlich) auf eine „Lithium Protected Electrode“ (LPE), wie sie in US 8,652,692 beschrieben ist. In der Regel ist das Li-Metall von einem Festelektrolyten (beispielsweise LiSiCON (Lithium Superionic Conductor) mit der Formel LiM2(PO4)3) bedeckt. Zwischen dem LiSiCON und dem Li-Metall befindet sich in der Regel eine Zwischenschicht (beispielsweise bestehend aus Cu3N/Li3N). In LPE-Systemen kann das Li-Metall direkt auf einer Seite des LiSiCON-Materials angebracht sein, oder es kann alternativ eine kleine Menge eines Lösungsmittels, das ein Li-Salz-Elektrolyt enthält, zwischen dem LiSiCON-Material und dem Li-Metall hinzugefügt sein, um die ionische Leitfähigkeit von Li zu gewährleisten. Solche Materialien wurden beispielsweise in US 7,282,295 und US 7,491,458 beschrieben. LiSiCON-Materialien wurden ferner in Nature Materials, 10, 682-686 (2011) beschrieben.The term "lithium-protected anode" refers here, for example (but not exclusively) to a "Lithium Protected Electrode" (LPE) as described in U.S. 8,652,692 is described. As a rule, the Li metal is covered by a solid electrolyte (for example LiSiCON (Lithium Superionic Conductor) with the formula LiM 2 (PO 4 ) 3 ). There is usually an intermediate layer (consisting of Cu 3 N/Li 3 N, for example) between the LiSiCON and the Li metal. In LPE systems, the Li metal can be attached directly to one side of the LiSiCON material, or alternatively, a small amount of a solvent containing a Li salt electrolyte can be added between the LiSiCON material and the Li metal to ensure the ionic conductivity of Li. Such materials were used, for example, in U.S. 7,282,295 and U.S. 7,491,458 described. LiSiCON materials have also been described in Nature Materials, 10, 682-686 (2011).

Wenn ein Metall, eine Legierung oder ähnliches in Form einer Folie oder eines Metalls als das Anodenaktivmaterial verwendet wird, kann es selbst als die Anode verwendet werden.When a metal, an alloy or the like in the form of a foil or a metal is used as the anode active material, it itself can be used as the anode.

Die Anode muss mindestens ein Anodenaktivmaterial enthalten; sie kann jedoch bei Bedarf ein Bindemittel zur Fixierung des Anodenaktivmaterials enthalten. Art und Verwendung des Bindemittels sind die gleichen wie bei der nachfolgend beschriebenen Luftkathode.The anode must contain at least one anode active material; however, if required, it can contain a binder for fixing the anode active material. The type and use of the binder are the same as for the air cathode described below.

An die Anode kann ein Anodenkollektor angeschlossen sein, der den Strom von der Anode sammelt. Das Material für den Anodenkollektor und seine Form sind nicht besonders beschränkt. Beispiele für das Material des Anodenkollektors umfassen rostfreien Stahl, Kupfer und Nickel. Beispiele für die Form des Anodenkollektors umfassen eine Folienform, eine Plattenform und eine Maschenform (Gitterform).An anode collector can be connected to the anode, which collects the current from the anode. The material for the anode collector and its shape are not particularly limited. Examples of the material of the anode collector include stainless steel, copper and nickel. Examples of the shape of the anode collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (lattice) shape.

< Kathode><cathode>

In der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batteriezelle umfasst die positive Elektrode (die im Folgenden auch als „Kathode“ bezeichnet werden kann) mindestens ein Kathodenaktivmaterial (das im Folgenden auch als „Positivelektrodenaktivmaterial“ bezeichnet werden kann).In the lithium-air battery cell of the present invention, the positive electrode (which may also be referred to as “cathode” hereinafter) includes at least one cathode active material (which may also be referred to as “positive electrode active material” hereinafter).

In der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batteriezelle verwendet die positive Elektrode Sauerstoff als ein Positivelektrodenaktivmaterial. Der als das Positivelektrodenaktivmaterial dienende Sauerstoff kann in Luft oder Sauerstoffgas enthalten sein.In the lithium-air battery cell of the present invention, the positive electrode uses oxygen as a positive electrode active material. The oxygen serving as the positive electrode active material may be contained in air or oxygen gas.

< Katalysator><Catalyst>

In der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batteriezelle ist der in der positiven Elektrode vorhandene Katalysator ein SOC der Formel (1).In the lithium-air battery cell of the present invention, the catalyst present in the positive electrode is an SOC represented by formula (1).

Der SOC der Formel (1) der Erfindung zeigt vorteilhafterweise eine Löslichkeit von weniger als 150 g.L-1 in Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI) 1M in Tetraethylenglykoldimethylether (TEGDME).The SOC of formula (1) of the invention advantageously exhibits a solubility of less than 150 gL -1 in lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) 1M in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME).

Zusätzlich zu der Verbindung der Formel (1) kann die positive Elektrode der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batteriezelle noch eine andere SOC umfassen.In addition to the compound of the formula (1), the positive electrode of the lithium-air battery cell according to the invention can also comprise another SOC.

Wenn zusätzliche SOC vorhanden sind, kann das Gewichtsverhältnis zwischen der SOC der Formel (1) der Erfindung und den anderen SOC im Bereich von 0,1/99,9 bis 100/0, vorzugsweise von 60/40 bis 40/60 und noch bevorzugter von 50/50 liegen.When additional SOC are present, the weight ratio between the SOC of formula (1) of the invention and the other SOC can range from 0.1/99.9 to 100/0, preferably from 60/40 to 40/60 and more preferably of 50/50.

In der Lithium-Luft-Batteriezelle der vorliegenden Erfindung kann die positive Elektrode ein Bauteil sein, bei dem der Redoxkatalysator auf einem Träger aufgebracht ist. Ein Beispiel für einen solchen Träger ist Kohlenstoff. Daher umfasst die positive Elektrode in der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batteriezelle vorteilhafterweise zudem Kohlenstoff. Beispiele für Kohlenstoff umfassen Industrieruße wie Ketjenschwarz, Acetylenruß, Channelruß (engl. channel black), Ofenruß, Flammruß und Thermalruß; Graphit wie natürlicher Graphit, beispielsweise Schuppengraphit, künstlicher Graphit und expandierter Graphit; Aktivkohle aus Holzkohle und Kohle; Kohlenstoffschaum; Kohlenstofffasern, die durch Verkohlung von synthetischen Fasern und Materialien auf Erdölpechbasis erhalten werden; Kohlenstoffnanofasern; molekularer Kohlenstoff wie Fullerene; und röhrenförmiger Kohlenstoff wie Kohlenstoffnanoröhren. Ferner können modifizierte Kohlenstoffe wie N-dotierter Kohlenstoff verwendet werden.In the lithium-air battery cell of the present invention, the positive electrode may be a member in which the redox catalyst is carried on a carrier. An example of such a support is carbon. Therefore, in the lithium-air battery cell according to the invention, the positive electrode advantageously also comprises carbon. Examples of carbon include carbon blacks such as ketjen black, acetylene black, channel black, furnace black, lamp black and thermal black; graphite such as natural graphite such as flaky graphite, artificial graphite and expanded graphite; activated charcoal made from charcoal and coal; carbon foam; carbon fibers obtained by carbonizing synthetic fibers and petroleum pitch-based materials; carbon nanofibers; molecular carbon such as fullerenes; and tubular carbon such as carbon nanotubes. Furthermore, modified carbons such as N-doped carbon can be used.

Positivelektrodenmaterialien können ferner in einer Lithium-Luft-Batteriezelle der vorliegenden Erfindung auf Grundlage anderer Materialien als Kohlenstoff verwendet werden. So können beispielsweise Positivelektrodenmaterialien basierend auf Metallschaum, stabilen und leitfähigen Metalloxiden oder Stahl verwendet werden.Positive electrode materials may also be used in a lithium-air battery cell of the present invention based on materials other than carbon. For example, positive electrode materials based on metal foam, stable and conductive metal oxides or steel can be used.

In der vorliegenden Erfindung, wo Kohlenstoff verwendet wird, handelt es sich vorzugsweise um ein poröses Material in Form eines Pulvers und hat vorzugsweise eine hohe spezifische Oberfläche von 20 bis 2000 m2.g-1, noch bevorzugter von 60 bis 2000 m2.g-1 und noch mehr bevorzugt von 60 bis 1500 m2.g-1. So kann beispielsweise Kohlenstoff verwendet werden, der nach einem allgemeinen Verfahren behandelt wird, um die Porosität oder die Oberfläche zu vergrößern, gefolgt von einer weiteren Behandlung zur Erhöhung der Benetzbarkeit. In der vorliegenden Erfindung können verschiedene Formen von Kohlenstoff verwendet werden, einschließlich SUPER P® Li (von TIMCAL), der eine Teilchengröße von 40 nm und eine spezifische Oberfläche (bestimmt nach der Brunauer-Emmett-Teller-Methode) von 62 m2.g-1 aufweist; BLACK PEARLS® 2000 (von Cabot Corporation), der eine Teilchengröße von 12 nm und eine spezifische Oberfläche (bestimmt nach der Brunauer-Emmett-Teller-Methode) von 1487 m2.g-1 aufweist; Ketjenblack® EC-600JD-Pulver (von AzkoNobel), das eine spezifische Oberfläche (bestimmt durch die Brunauer-Emmett-Teller-Methode) von 1400 m2.g-1 aufweist. Beispiele für kommerzielle Kohlenstoffprodukte, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, umfassen Carbon Super C65 (von Imerys), die KS-Serie, SFG-Serie und Super S-Serie (von TIMCAL), Aktivkohleprodukte von Norit und AB-Vulcan 72 (von Cabot). Andere Beispiele für im Handel erhältlichen Kohlenstoff umfassen die WAC-Pulverserie (von Xiamen All Carbon Corporation), PW15-Typ-, J-Typ- und S-Typ-Aktivkohle (von Kureha) und Maxsorb MSP-15 (von Kansai Netsu Kagaku).In the present invention, where carbon is used, it is preferably a porous material in the form of powder and preferably has a high specific surface area of 20 to 2000 m 2 .g -1 , more preferably 60 to 2000 m 2 .g -1 and even more preferably from 60 to 1500 m 2 .g -1 . For example, carbon can be used which has been treated by a general method to increase porosity or surface area, followed by a further treatment to increase wettability. Various forms of carbon can be used in the present invention, including SUPER P ® Li (from TIMCAL) which has a particle size of 40 nm and a specific surface area (determined by the Brunauer-Emmett-Teller method) of 62 m 2 .g -1 has; BLACK PEARLS ® 2000 (from Cabot Corporation), which has a particle size of 12 nm and a specific surface area (determined by the Brunauer-Emmett-Teller method) of 1487 m 2 .g -1 ; Ketjenblack ® EC-600JD powder (from AzkoNobel) which has a specific surface area (determined by the Brunauer-Emmett-Teller method) of 1400 m 2 .g -1 . Examples of commercial carbon products that can be used in the present invention include Carbon Super C65 (from Imerys), the KS series, SFG series and Super S series (from TIMCAL), activated carbon products from Norit and AB-Vulcan 72 ( by Cabot). Other examples of commercially available carbon include WAC powder series (from Xiamen All Carbon Corporation), PW15-type, J-type and S-type activated carbon (from Kureha), and Maxsorb MSP-15 (from Kansai Netsu Kagaku) .

Beispiele für Verfahren zur Erhöhung der Porosität, der Oberfläche und der Benetzbarkeit des Kohlenstoffs umfassen eine physikalische Aktivierung oder eine chemische Aktivierung. Das chemische Aktivierungsverfahren umfasst beispielsweise das Eintauchen des Kohlenstoffmaterials in eine stark alkalische wässrige Lösung (beispielsweise Kaliumhydroxidlösung), in eine Säurelösung (beispielsweise Salpetersäure oder Phosphorsäure) oder in ein Salz (beispielsweise Zinkchlorid). Auf diese Behandlung kann (muss aber nicht) ein Kalzinierungsschritt bei relativ niedriger Temperatur (beispielsweise 450 bis 900°C) folgen.Examples of methods to increase the porosity, surface area and wettability of the carbon include physical activation or chemical activation. The chemical activation method includes, for example, immersing the carbon material in a strong alkaline aqueous solution (e.g. potassium hydroxide solution), in an acid solution (e.g. nitric acid or phosphoric acid) or in a salt (e.g. zinc chloride). This treatment may (but need not) be followed by a relatively low temperature (e.g. 450-900°C) calcination step.

Darüber hinaus weist der Kohlenstoff vorzugsweise Poren mit einem Porendurchmesser von 5 nm oder mehr, vorzugsweise von 20 nm oder mehr, auf. Die spezifische Oberfläche des Kohlenstoffs und die Porengröße können beispielsweise mit dem BET-Verfahren oder dem BJH-Verfahren gemessen werden. Außerdem hat der Kohlenstoff im Allgemeinen vorzugsweise einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser (Primärteilchendurchmesser) von 8 bis 350 nm, vorzugsweise von 30 bis 50 nm. Der durchschnittliche Primärteilchendurchmesser des Kohlenstoffs kann mittels TEM gemessen werden.In addition, the carbon preferably has pores with a pore diameter of 5 nm or more, preferably 20 nm or more. The specific surface area of carbon and the pore size can be measured by, for example, the BET method or the BJH method. Also, in general, the carbon preferably has an average particle diameter (primary particle diameter) from 8 to 350 nm, preferably from 30 to 50 nm. The average primary particle diameter of carbon can be measured by TEM.

In der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batteriezelle beträgt das Gewichtsverhältnis zwischen Kohlenstoff und dem SOC der Formel (1) der Erfindung vorteilhafterweise 7:2. Wenn ein anderer SOC vorhanden ist, ist das Gewichtsverhältnis zwischen Kohlenstoff : SOC der Formel (1) der Erfindung : zusätzlicher SOC (Kohlenstoff: SOC1: SOC2) vorteilhafterweise 7:1:1.In the lithium-air battery cell according to the invention, the weight ratio between carbon and the SOC of the formula (1) of the invention is advantageously 7:2. When another SOC is present, the weight ratio between carbon:SOC of formula (1) of the invention:additional SOC (carbon:SOC1:SOC2) is advantageously 7:1:1.

In der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batteriezelle kann die positive Elektrode zusätzlich zu den oben beschriebenen Kohlenstoff- und Nicht-Kohlenstoff-Materialien ein leitfähiges Material enthalten. Beispiele für solche zusätzlichen leitfähigen Materialien umfassen leitfähige Fasern wie Metallfasern, Metallpulver wie Silber-, Nickel- oder Aluminiumpulver, und organische leitfähige Materialien wie Polyphenylenderivate. Diese können einzeln oder in Kombination als ein Gemisch verwendet werden.In the lithium-air battery cell of the present invention, the positive electrode may contain a conductive material in addition to the carbon and non-carbon materials described above. Examples of such additional conductive materials include conductive fibers such as metal fibers, metal powders such as silver, nickel or aluminum powder, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives. These can be used singly or in combination as a mixture.

In der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batteriezelle kann die positive Elektrode ein Polymerbindemittel enthalten. Das Polymerbindemittel ist nicht besonders beschränkt. Das Polymerbindemittel kann aus einem thermoplastischen Harz oder einem duroplastischen Harz zusammengebaut sein. Beispiele hierfür umfassen Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen (PTFE), Styrol-Butadien-Kautschuk, Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymere, Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymere (FEP), Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinylether-Copolymere (PFA), Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymere, Vinylidenfluorid-Chlorotrifluorethylen-Copolymere, Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymere (ETFE-Harze), Polychlortrifluorethylen (PCTFE), Vinylidenfluorid-Pentafluorpropylen-Copolymere, Propylen-Tetrafluorethylen-Copolymere, Ethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymere (ECTFE), Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Tetrafluorethylen-Copolymere, Vinylidenfluorid-Perfluormethylvinylether-Tetrafluorethylen-Copolymere, Ethylen-Acrylsäure-Copolymere. Copolymere mit Sulfonatgruppen-terminierten Perfluorvinylethergruppen (bzw. Perfluorvinylether-Gruppen mit Sulfonat-Endgruppen), die an ein Poly(tetrafluorethylen)-Grundgerüst gebunden sind, wie beispielsweise die gemeinhin als Nafion® bezeichneten, können auch als Polymerbindemittel im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen werden. Diese Polymerbindemittel können einzeln oder in Kombination als ein Gemisch verwendet werden. Polytetrafluorethylen (PTFE) ist ein besonders bevorzugtes Polymerbindemittel.In the lithium-air battery cell of the present invention, the positive electrode may contain a polymer binder. The polymer binder is not particularly limited. The polymer binder may be composed of a thermoplastic resin or a thermosetting resin. Examples include polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymers (PFA), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymers, vinylidene fluoride Chlorotrifluoroethylene copolymers, ethylene tetrafluoroethylene copolymers (ETFE resins), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride pentafluoropropylene copolymers, propylene tetrafluoroethylene copolymers, ethylene chlorotrifluoroethylene copolymers (ECTFE), vinylidene fluoride hexafluoropropylene tetrafluoroethylene copolymers, vinylidene fluoride - Perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene copolymers, ethylene-acrylic acid copolymers. Copolymers having sulfonate-terminated perfluorovinyl ether groups (or sulfonate-terminated perfluorovinyl ether groups) attached to a poly(tetrafluoroethylene) backbone, such as those commonly referred to as Nafion® , are also contemplated as polymeric binders in the present invention to be pulled. These polymer binders can be used singly or in combination as a mixture. Polytetrafluoroethylene (PTFE) is a particularly preferred polymer binder.

In der erfindungsgemäßen Lithium-Luft-Batteriezelle ist das Gewichtsverhältnis zwischen dem Polymerbindemittel und (SOC der Formel (1) + Kohlenstoff + Polymerbindemittel) kleiner als oder gleich 20%. Wenn ein anderer SOC vorhanden ist, bleibt der Anteil des Bindemittels konstant und das Gewichtsverhältnis zwischen dem Polymerbindemittel und (SOC der Formel (1) + zusätzlicher SOC + Kohlenstoff + Polymerbindemittel) bleibt kleiner als oder gleich 20%.In the lithium-air battery cell of the present invention, the weight ratio between the polymer binder and (SOC of the formula (1) + carbon + polymer binder) is less than or equal to 20%. When another SOC is present, the proportion of binder remains constant and the weight ratio between the polymer binder and (SOC of formula (1) + additional SOC + carbon + polymer binder) remains less than or equal to 20%.

Im Allgemeinen ist in vorteilhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung an die Luftkathode ein Luftkathodenkollektor angeschlossen, der den Strom von der Luftkathode sammelt. Das Material für den Luftkathodenkollektor und die Form desselben sind nicht besonders beschränkt. Beispiele für das Material des Luftkathodenkollektors umfassen rostfreien Stahl, Aluminium, Eisen, Nickel, Titan und Kohlenstoff. Die Form des Luftkathodenkollektors kann beispielsweise eine Folienform, eine Plattenform, eine Maschenform (Gitterform) oder eine Faserform umfassen. Vorzugsweise hat der Luftkathodenkollektor eine poröse Struktur, wie beispielsweise eine Maschenform, da der Kollektor mit einer porösen Struktur eine ausgezeichnete Effizienz bei der Zufuhr von Sauerstoff zu der Luftkathode aufweist.In general, in advantageous embodiments of the present invention, an air cathode collector is connected to the air cathode and collects the current from the air cathode. The material for the air cathode collector and the shape thereof are not particularly limited. Examples of the material of the air cathode collector include stainless steel, aluminum, iron, nickel, titanium and carbon. The shape of the air cathode collector may include, for example, a foil shape, a plate shape, a mesh shape (lattice shape), or a fiber shape. Preferably, the air cathode collector has a porous structure such as a mesh shape, because the collector having a porous structure is excellent in efficiency in supplying oxygen to the air cathode.

In einigen Ausführungsformen umfasst die Luftelektrode (Luftkathode) zudem hydrophobe Hohlfasern. Eine hydrophobe Faser neigt dazu, einen Raum zwischen sich und dem Elektrolyten zu erzeugen. Diese Räume erleichtern die Sauerstoffdiffusion in der Luftelektrode, so dass eine dickere Elektrode verwendet werden kann. Normalerweise sind Luftelektroden auf Kohlenstoffbasis 0,5 bis 0,7 mm dick. Die Zugabe von hydrophoben Fasern ermöglicht die Verwendung von Elektroden mit einer Dicke von mindestens 1 mm. Geeignete Fasern umfassen DuPont HOLLOFIL® (100%ige Polyesterfaser mit einem weiteren Loch im Kern), Gänsedaunen (sehr kleine, extrem leichte Daunen, die sich in der Nähe der Haut von Gänsen befinden), PTFE-Fasern und gewebte Hohlfasertücher. Ferner können diese Fasern mit KETJENBLACK® beschichtet sein.In some embodiments, the air electrode (air cathode) also includes hydrophobic hollow fibers. A hydrophobic fiber tends to create a space between itself and the electrolyte. These spaces facilitate oxygen diffusion in the air electrode, so a thicker electrode can be used. Typically, carbon-based air electrodes are 0.5-0.7mm thick. The addition of hydrophobic fibers allows the use of electrodes with a thickness of at least 1 mm. Suitable fibers include DuPont HOLLOFIL ® (100% polyester fiber with another hole in the core), goose down (very small, extremely light down found close to the skin of gooses), PTFE fibers and woven hollow fiber cloth. Furthermore, these fibers can be coated with KETJENBLACK ® .

< Elektrolyt><electrolyte>

In der Lithium-Luft-Batteriezelle der vorliegenden Erfindung ist das zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnete nichtwässrige ionenleitende (Elektrolyt-)Medium eine nichtwässrige elektrolytische Lösung, die ein oder mehrere organische Lösungsmittel enthält und typischerweise ein Salz enthält. Nicht einschränkende Beispiele für das Salz, das verwendet werden kann, umfassen bekannte Trägerelektrolyte, wie LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, Li(CF3SO2)2N (LiTFSI), LiFSI, Li(CF3SO3) (LiTriflate), LiN(C2F5SO2)2, LiBOB, LiFAP, LiDMSI, LiHPSI, LiBETI, LiDFOB, LiBFMB, LiBison, LiDCTA, LiTDI, LiPDI. Diese Salze können einzeln oder in Kombination verwendet werden. Die Konzentration des Salzes liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 2,0 M, und noch bevorzugter von 0,8 bis 1,2 M.In the lithium-air battery cell of the present invention, the nonaqueous ion conductive (electrolyte) medium interposed between the negative electrode and the positive electrode is a nonaqueous one electrolytic solution containing one or more organic solvents and typically containing a salt. Non-limiting examples of the salt that can be used include known supporting electrolytes such as LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , Li(CF 3 SO 2 ) 2 N (LiTFSI), LiFSI, Li(CF 3 SO 3 ) (LiTriflate), LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiBOB, LiFAP, LiDMSI, LiHPSI, LiBETI, LiDFOB, LiBFMB, LiBison, LiDCTA, LiTDI, LiPDI. These salts can be used individually or in combination. The concentration of the salt preferably ranges from 0.1 to 2.0M, and more preferably from 0.8 to 1.2M.

Die Lithiumsalze werden im Elektrolytmedium angemessenerweise in Kombination mit aprotischen organischen Lösungsmitteln, die für die Verwendung in Lithium-Luft-Batterien bekannt sind, verwendet. Beispiele für solche aprotischen organischen Lösungsmittel umfassen Kettencarbonate, zyklische Estercarbonate, Kettenether, zyklische Ether, Glykolether und Nitril-Lösungsmittel. Beispiele für Kettencarbonate umfassen Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat und Methylethylcarbonat. Beispiele für cyclische Estercarbonate umfassen γ-Butyrolacton und γ-Valerolacton. Beispiele für Kettenether umfassen Dimethoxyethan und Ethylenglykol-Dimethylether. Beispiele für cyclische Ether umfassen Tetrahydrofuran und 2-Methyltetrahydrofuran. Beispiele für Glykolether umfassen Tetraethylenglykoldimethylether (TEGDME), Diethylenglykoldimethylether (Diglyme), Triethylenglykoldimethylether (Triglyme), Poly(ethylenglykol)dimethylether mit einem gewichtsmittleren Molekulargewicht Mw von 90 bis 225 g.mol-1. Ferner können Nitril-Lösungsmittel verwendet werden, wie Acetonitril, Propionitril und 3-Methoxypropionitril. Diese aprotischen organischen Lösungsmittel können einzeln oder in Kombination als ein Gemisch verwendet werden. Glykolether sind die bevorzugten aprotischen organischen Lösungsmittel, und insbesondere Tetraethylenglykoldimethylether (TEGDME).The lithium salts are suitably used in the electrolyte medium in combination with aprotic organic solvents known for use in lithium-air batteries. Examples of such aprotic organic solvents include chain carbonates, cyclic ester carbonates, chain ethers, cyclic ethers, glycol ethers and nitrile solvents. Examples of chain carbonates include dimethyl carbonate, diethyl carbonate and methyl ethyl carbonate. Examples of cyclic ester carbonates include γ-butyrolactone and γ-valerolactone. Examples of chain ethers include dimethoxyethane and ethylene glycol dimethyl ether. Examples of cyclic ethers include tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran. Examples of glycol ethers include tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), diethylene glycol dimethyl ether (diglyme), triethylene glycol dimethyl ether (triglyme), poly(ethylene glycol) dimethyl ether with a weight-average molecular weight Mw of 90 to 225 g.mol -1 . Also, nitrile solvents such as acetonitrile, propionitrile and 3-methoxypropionitrile can be used. These aprotic organic solvents can be used singly or in combination as a mixture. Glycol ethers are the preferred aprotic organic solvents, and in particular tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME).

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können auch Gelpolymerelektrolyte verwendet werden. Der gelierte Elektrolyt mit Lithium-Ionen-Leitfähigkeit kann beispielsweise erhalten werden, indem ein Polymer der nicht-wässrigen Elektrolytlösung zur Gelierung zugegeben wird. Insbesondere kann die Gelierung durch Zugeben eines Polymers wie Polyethylenoxid (PEO), Polyvinylidenfluorid (PVDF, im Handel erhältlich als Kynar usw.), Polyacrylnitril (PAN), Polymethylmethacrylat (PMMA) und Poly(vinyl)chlorid (PVC) erfolgen. Einen Überblick über die Verwendung von Polymerelektrolyten vom Gel-Typ für Lithium-Ionen-Batterien geben Song et al. in Journal of Power Sources, 77(1999), 183-197.Gel polymer electrolytes can also be used in the present invention. The gelled electrolyte having lithium ion conductivity can be obtained, for example, by adding a polymer to the nonaqueous electrolytic solution for gelation. Specifically, gelation can be accomplished by adding a polymer such as polyethylene oxide (PEO), polyvinylidene fluoride (PVDF, commercially available as Kynar, etc.), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl methacrylate (PMMA), and poly(vinyl) chloride (PVC). An overview of the use of gel-type polymer electrolytes for lithium-ion batteries is given by Song et al. in Journal of Power Sources, 77 (1999), 183-197.

Ferner können der Gelelektrolytformulierung Komponenten, die vernetzt und/oder wärmegehärtet werden können, zugesetzt werden, um ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern.Furthermore, components that can be crosslinked and/or thermoset can be added to the gel electrolyte formulation to improve its mechanical properties.

Ferner kann eine wesentliche Menge von Weichmachern (PEG, Kronenether usw.) zugesetzt werden, um die Ionenleitfähigkeit der Polymerelektrolyte zu verbessern.Furthermore, a substantial amount of plasticizers (PEG, crown ether, etc.) can be added to improve the ionic conductivity of the polymer electrolytes.

Darüber hinaus können solchen Gelpolymerelektrolyten Nanopartikel/Keramiken (Al2O3, SiO2, ZrO2, MgO, CeO2, usw.) zugesetzt werden, um ihre Leitfähigkeit zu erhöhen. In diesem Zusammenhang kann auf EP 1 096 591 A1 oder Croce et al. in Electrochimica Acta 46 (2001), 2457-2461 verwiesen werden.Furthermore, nanoparticles/ceramics (Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 , MgO, CeO 2 , etc.) can be added to such gel polymer electrolytes in order to increase their conductivity. In this context, on EP 1 096 591 A1 or Croce et al. in Electrochimica Acta 46 (2001), 2457-2461.

Der Gehalt an Nanopartikel/Keramikfüllstoff beträgt in der Regel weniger als 10 Gew.-% der Membran. Zum Beispiel können Al2O3 Nanopartikel von Aldrich Research Grade erhalten werden und haben eine Teilchengröße von 5,8 nm (Swierczynski et al., Chem. Mater., 2001, 13, 1560-1564). SiO2 kann von Aldrich Reagents Grade mit einer Partikelgröße von 7 nm erhalten werden. Im Allgemeinen liegt die Größe der Nanopartikel vorzugsweise bei 15 nm oder darunter.The nanoparticle/ceramic filler content is typically less than 10% by weight of the membrane. For example, Al 2 O 3 nanoparticles can be obtained from Aldrich Research Grade and have a particle size of 5.8 nm (Swierczynski et al., Chem. Mater., 2001, 13, 1560-1564). SiO 2 can be obtained from Aldrich Reagents Grade with a particle size of 7 nm. In general, the size of the nanoparticles is preferably 15 nm or below.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann ferner in Betracht gezogen werden dem Elektrolytmedium einen Sauerstoffauflösungsverstärker zuzusetzen. Bei diesem Sauerstoffauflösungsverstärker kann es sich um ein fluoriertes Polymer, einen fluorierten Ether, einen fluorierten Ester, ein fluoriertes Carbonat, ein fluoriertes Kohlenstoffmaterial, einen fluorierten Blutersatzstoff oder auch ein Metallprotein handeln. Solche Sauerstoffauflösungsverstärker sind in US 2010/0266907 beschrieben.It is also within the scope of the present invention to envisage adding an oxygen dissolution enhancer to the electrolyte medium. This oxygen dissolution enhancer can be a fluorinated polymer, fluorinated ether, fluorinated ester, fluorinated carbonate, fluorinated carbon material, fluorinated blood substitute, or even a metalloprotein. Such oxygen dissolution enhancers are in US2010/0266907 described.

<Separator><separator>

In der wiederaufladbaren Lithium-Luft-Batteriezelle der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise ein Separator zwischen der Luftkathode und der Anode zur vollständigen elektrischen Isolierung zwischen diesen Elektroden bereitgestellt sein. Der Separator ist nicht besonders beschränkt, solange er in der Lage ist die Luftkathode und die Anode elektrisch voneinander zu isolieren und eine Struktur aufweist, die es ermöglicht, dass der Elektrolyt zwischen der Luftkathode und der Anode vorhanden ist.In the lithium-air rechargeable battery cell of the present invention, a separator may advantageously be provided between the air cathode and the anode for complete electrical insulation between these electrodes. The separator is not particularly limited as long as it is capable of electrically insulating the air cathode and the anode from each other and has a structure that allows the electrolyte to exist between the air cathode and the anode.

Beispiele für Separatoren umfassen poröse Filme und Vliese, die Polyethylen, Polypropylen, Zellulose, Polyvinylidenfluorid, Glaskeramik usw. umfassen. Unter diesen ist ein Separator aus Glaskeramik bevorzugt.Examples of separators include porous films and non-woven fabrics comprising polyethylene, polypropylene, cellulose, polyvinylidene fluoride, glass-ceramic, and so on. Among these, a glass-ceramic separator is preferable.

< Batteriezellengehäuse><Battery Cell Case>

Als Batteriezellengehäuse für das Aufnehmen der wiederaufladbaren Lithium-Luft-Batteriezelle können allgemeine Batteriegehäuse für wiederaufladbare Lithium-Batteriezellen verwendet werden. Die Form des Batteriegehäuses ist nicht besonders beschränkt solange es die oben erwähnte Luftkathode, Anode und den Elektrolyten aufnehmen kann. Spezifische Beispiele für die Form des Batteriezellengehäuses umfassen eine Münzform, eine flache Plattenform, eine zylindrische Form und eine Laminatform. Es ist möglich, dass die Batterie der vorliegenden Erfindung vollständig von einer sauerstoffdurchlässigen Membran umhüllt ist, vorteilhafterweise einer, die eine Selektivität für die Sauerstoffdiffusion gegenüber der von Wasser aufweist.As the battery cell case for accommodating the rechargeable lithium-air battery cell, general battery cases for rechargeable lithium battery cells can be used. The shape of the battery case is not particularly limited as long as it can accommodate the above-mentioned air cathode, anode, and electrolyte. Specific examples of the shape of the battery cell case include a coin shape, a flat plate shape, a cylindrical shape, and a laminate shape. It is possible for the battery of the present invention to be completely encased in an oxygen permeable membrane, advantageously one that exhibits selectivity for oxygen diffusion over that of water.

<Verwendung der erfindungsgemäßen Batteriezelle><Use of the Battery Cell of the Invention>

Die wiederaufladbare Lithium-Luft-Batteriezelle der Erfindung kann sich entladen, wenn ein Aktivmaterial, nämlich Sauerstoff, der Luftkathode zugeführt wird. Beispiele für Sauerstoffversorgungsquellen umfassen Luft und Sauerstoffgas, und Sauerstoffgas ist bevorzugt. Der Druck der zugeführten Luft oder des Sauerstoffgases ist nicht besonders begrenzt und kann in geeigneter Weise bestimmt werden.The lithium-air rechargeable battery cell of the invention can discharge when an active material, namely oxygen, is supplied to the air cathode. Examples of oxygen supply sources include air and oxygen gas, and oxygen gas is preferred. The pressure of the supplied air or oxygen gas is not particularly limited and can be appropriately determined.

Die erfindungsgemäße Lithium-Luft-Batteriezelle kann als eine Primärbatteriezelle oder als eine wiederaufladbare Sekundärbatteriezelle verwendet werden.The lithium-air battery cell of the present invention can be used as a primary battery cell or as a rechargeable secondary battery cell.

Die erfindungsgemäße Lithium-Luft-Batteriezelle kann beispielsweise praktisch in einem Verfahren verwendet werden, bei dem die Batterie zwischen bestimmten Grenzen, die durch Anfangs- und Endspannung oder Anfangs- und Endkapazität oder spezifische Kapazität definiert sind, zyklisiert wird. Zum Beispiel kann ein Verfahren zur Verwendung der Lithium-Luft-Batteriezelle der vorliegenden Erfindung aus einem Verfahren bestehen, bei dem:

  1. (a) die Lithium-Luft-Batteriezelle in einem vollständig geladenen Zustand bereitgestellt wird;
  2. (b) die Lithium-Luft-Batteriezelle entladen wird, bis die spezifische Kapazität einen Wert X erreicht;
  3. (c) die Lithium-Luft-Batteriezelle wieder aufgeladen wird;
  4. (d) die Schritte (b) und (c) wiederholt werden.
For example, the lithium-air battery cell of the present invention can be practically used in a process in which the battery is cycled between certain limits defined by initial and final voltage or initial and final capacity or specific capacity. For example, a method of using the lithium-air battery cell of the present invention may consist of a method in which:
  1. (a) the lithium-air battery cell is provided in a fully charged state;
  2. (b) the lithium-air battery cell is discharged until the specific capacity reaches a value X;
  3. (c) the lithium-air battery cell is recharged;
  4. (d) steps (b) and (c) are repeated.

Der gewählte Wert X für die spezifische Kapazität kann sehr breit variieren und beispielsweise im Bereich von 200 bis 10000 mAh.g-1 liegen. Die spezifische Kapazität einer Lithium-Luft-Batteriezelle kann durch Entladung bis 2 V bestimmt werden. Während des Betriebs der Batteriezelle kann es angebracht sein, dass die Batteriezelle innerhalb von Grenzen zyklisiert bzw. Zyklen durchläuft, die nicht bis zur vollständigen Entladung oder Aufladung gehen. Es kann vorteilhaft sein die Batteriezelle zwischen 10 und 90% ihrer spezifischen Kapazität (bestimmt in Schritt (b)), vorzugsweise zwischen 20 und 80%, und noch bevorzugter zwischen 20 und 70%, zu zyklisieren. Das Zyklisieren bzw. Zyklen-Durchlaufen kann ferner zwischen bestimmten Grenzen der anfänglichen oder maximalen theoretischen Entladekapazität durchgeführt werden. kapazitätsbeschränktes Zyklisieren kann der Zelle ermöglichen länger zu leben, und es kann daher sinnvoll sein die Zykluskapazität (engl. cycling capacity) auf etwa 30% der vollen Entladekapazität zu begrenzen.The selected value X for the specific capacity can vary very widely and can be, for example, in the range from 200 to 10000 mAh.g -1 . The specific capacity of a lithium-air battery cell can be determined by discharging to 2V. During operation of the battery cell, it may be appropriate for the battery cell to cycle within limits that do not go through to full discharge or full charge. It may be advantageous to cycle the battery cell between 10 and 90% of its specific capacity (determined in step (b)), preferably between 20 and 80%, and more preferably between 20 and 70%. The cycling can also be performed between certain limits of the initial or maximum theoretical discharge capacity. capacity-limited cycling can allow the cell to live longer, and it may therefore make sense to limit cycling capacity to around 30% of full discharge capacity.

Es ist möglich als ein Produkt eine Batteriezelle, deren Luftkathode einen Zusatz von Li2O2 enthält, bereitzustellen. Eine solche Batteriezelle wird in der Regel vor der Verwendung geladen.It is possible to provide, as a product, a battery cell whose air cathode contains addition of Li 2 O 2 . Such a battery cell is usually charged before use.

Die erfindungsgemäße Lithium-Luft-Batteriezelle kann als eine wiederaufladbare Lithiumbatterie für Elektro- und Hybridfahrzeuge, elektronische Geräte (wie Computer und Telefone) und stationäre Stromerzeugungsgeräte verwendet werden, und sie kann zu Batteriepacks zusammengebaut werden. Die Anzahl der Batteriezellen kann je nach der endgültigen Verwendung der Lithium-Luft-Batterie variieren und vorzugsweise zwischen 2 und 250 Batteriezellen liegen. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Batteriezellen je nach Zielsetzung zusammenzubauen: parallel oder in Reihe. Bei der Parallelschaltung wird die Kapazität jeder Zelle bei gleichbleibender Spannung addiert. Bei der Reihenschaltung wird die Spannung jeder Zelle addiert, während die Kapazität die der kleinsten Zelle ist.The lithium-air battery cell of the present invention can be used as a rechargeable lithium battery for electric and hybrid vehicles, electronic devices (such as computers and telephones), and stationary power generation devices, and can be assembled into battery packs. The number of battery cells can vary depending on the end use of the lithium-air battery and is preferably between 2 and 250 battery cells. There are two ways to assemble the battery cells depending on the objective: parallel or in series. When connected in parallel, the capacity of each cell is added while the voltage remains the same. When connected in series, the voltage of each cell is added while the capacitance is that of the smallest cell.

Jede Kombination der vorstehend beschriebenen Elemente in allen möglichen Variationen davon ist von der Erfindung umfasst, sofern hierin nichts anderes angegeben ist oder der Kontext nicht eindeutig dagegen spricht. Somit sind alle Merkmale und Ausführungsformen, die hierin insbesondere als anwendbar, vorteilhaft oder bevorzugt im Zusammenhang mit der Erfindung beschrieben sind, so auszulegen, dass sie in Kombination miteinander in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung anwendbar sind.Any combination of the elements described above, in all possible variations thereof, is included in the invention unless otherwise indicated herein or unless the context clearly dictates otherwise. Thus, all features and embodiments that are described herein in particular as being applicable, advantageous or preferred in connection with the invention are to be interpreted in such a way that they can be used in combination with one another in preferred embodiments of the invention.

Beispieleexamples

Herstellung einer SOC gemäß der Erfindung: Li4DHNDCPreparation of a SOC according to the invention: Li 4 DHNDC

a) Erster Schritt: Herstellung von H4DHNDCa) First step: Preparation of H 4 DHNDC

2,24 g (14 mmol) 1,5-Dihydronaphthalin und 4,2 g (42 mmol) KHCO3 wurden zusammen gemahlen und zusammen mit 8 mL 1,2,4-Trichlorbenzol und 9 g Trockeneis in einen 45 mL Parr-Reaktor gegeben. Der Parr-Reaktor wurde verschlossen und 17 Stunden lang auf 250°C erhitzt. Bei Raumtemperatur (25°C) wurde die entstandene Paste mit 80 mL Diethylether (Et2O) gewaschen und anschließend in 1,5 L Reinstwasser gelöst. Die Lösung wurde filtriert und anschließend mit einer 12 N HCI-Lösung angesäuert, wodurch ein hellgrüner Feststoff ausfiel. Der Feststoff wurde filtriert, reichlich mit Reinstwasser gewaschen und getrocknet.2.24 g (14 mmol) of 1,5-dihydronaphthalene and 4.2 g (42 mmol) of KHCO 3 were ground together and placed in a 45 mL Parr reactor along with 8 mL of 1,2,4-trichlorobenzene and 9 g of dry ice given. The Parr reactor was sealed and heated to 250°C for 17 hours. The resulting paste was washed with 80 mL diethyl ether (Et 2 O) at room temperature (25° C.) and then dissolved in 1.5 L ultrapure water. The solution was filtered and then acidified with a 12N HCl solution, precipitating a light green solid. The solid was filtered, washed liberally with ultrapure water and dried.

2,81 g eines grünen Pulvers wurden erhalten (Ausbeute = 81%).
ATR-IR: νmax/cm-1 3210, 2975, 2844, 2596, 2532, 1650, 1598, 1490, 1438, 1415, 1296, 1237, 1209, 1189, 1167, 1013, 881, 826, 766, 743, 677 cm-1;
1H NMR: δH (400 MHz, (CD3)2SO) 7,77 (2H, d, J = 8,9 Hz), 7,69 (2H, d, J = 8,8 Hz), 4,06 (4H, breit);
13C NMR: δc: (400 MHz, (CD3)2SO) 173.1, 159.9, 128.2, 125.5, 113.7, 109.5.
2.81 g of a green powder was obtained (yield = 81%).
ATR-IR: νmax/cm -1 3210, 2975, 2844, 2596, 2532, 1650, 1598, 1490, 1438, 1415, 1296, 1237, 1209, 1189, 1167, 1013, 881, 826, 736, 67,366, 67,366 cm-1;
1 H NMR: δ H (400 MHz, (CD 3 ) 2 SO) 7.77 (2H, d, J=8.9 Hz), 7.69 (2H, d, J=8.8 Hz), 4 .06 (4H, wide);
13 C NMR: δc: (400 MHz, (CD 3 ) 2 SO) 173.1, 159.9, 128.2, 125.5, 113.7, 109.5.

b) Zweiter Schritt: Herstellung von Li4DHNDCb) Second step: Preparation of Li 4 DHNDC

In einem Flachkolben wurden 248,2 mg (1 mmol) des zuvor hergestellten H4DHNDC in 8 mL trockenem MeOH unter inerter Atmosphäre (in einer Glovebox) gelöst. 1,82 mL (4 mmol) einer 2,2 M Lösung von MeOLi in MeOH (Aldrich) wurden bei Raumtemperatur (25°C) zugegeben. Das Gemisch, das zunächst eine grüne Lösung war, wurde zu einer hellbraunen/orangenen Lösung, die sich langsam in eine dunkelbraune/schwarze Lösung verwandelte. Das Gemisch wurde 2 Tage lang bei Raumtemperatur (25°C) gerührt, bis eine Suspension eines hellbraunen Pulvers erhalten wurde. Überschüssiges MeOH wurde in vacuo (im Vakuum) entfernt, und das erhaltene hellbraune Pulver wurde in einem Büchi-Ofen in vacuo bei 100°C für 15 Stunden, und dann bei 150°C für 4 Stunden getrocknet. 271,7 mg eines hellbraunen Pulvers wurden erhalten (quantitative Ausbeute).In a flat-bottomed flask, 248.2 mg (1 mmol) of the previously prepared H 4 DHNDC was dissolved in 8 mL of dry MeOH under an inert atmosphere (in a glove box). 1.82 mL (4 mmol) of a 2.2 M solution of MeOLi in MeOH (Aldrich) was added at room temperature (25°C). The mixture, which was initially a green solution, became a light brown/orange solution that slowly turned to a dark brown/black solution. The mixture was stirred at room temperature (25°C) for 2 days until a suspension of light brown powder was obtained. Excess MeOH was removed in vacuo (in vacuo) and the resulting light brown powder was dried in a Buchi oven in vacuo at 100°C for 15 hours and then at 150°C for 4 hours. 271.7 mg of a light brown powder were obtained (quantitative yield).

ATR-IR: νmax/cm-1 2942, 2846, 2791, 1567, 1531, 1482, 1426, 1385, 1268, 1230, 1187, 1164, 1078, 1025, 912, 833, 801, 767, 705, 658 cm-1;ATR-IR: νmax/cm -1 2942, 2846, 2791, 1567, 1531, 1482, 1426, 1385, 1268, 1230, 1187, 1164, 1078, 1025, 912, 833, 801, 767, 705 cm -, 658 cm - 1 ;

1H NMR: δH (400 MHz, (CD3)2SO) 7.23 (2H, dd, J = 5.7, 3.4 Hz), 7.01 (2H, dd, J = 5.7, 3.4 Hz). 1 H NMR: δ H (400 MHz, (CD 3 ) 2 SO) 7.23 (2H, dd, J=5.7, 3.4 Hz), 7.01 (2H, dd, J=5.7, 3.4 Hz).

Die Eigenschaften des erhaltenen Li4DHNDC waren wie folgt:

  • - Spezifische Oberfläche: 5,7 m2·g-1, und
  • - Morphologie: Lamellare Partikel.
The properties of the obtained Li 4 DHNDC were as follows:
  • - Specific surface area: 5.7 m 2 g -1 , and
  • - Morphology: Lamellar particles.

zeigt die TGA von Li4DHNDC, erhalten mit ( ) oder ohne ( ) Überschuss an MeOLi, zeigt die FT-IR-Spektren des Vorläufers H4DHNDC ( ) und Li4DHNDC ( ), und zeigt die REM-Bilder von Li4DHNDC. shows the TGA of Li 4 DHNDC obtained with ( ) or without ( ) excess of MeOLi, shows the FT-IR spectra of the precursor H 4 DHNDC ( ) and Li 4 DHNDC ( ), and shows the SEM images of Li 4 DHNDC.

Herstellung der Elektrolyte:

  • Drei Elektrolytlösungen wurden durch Lösen hergestellt:
    1. a) 1,0 M Bis(trifluormethan)sulfonimid-Lithiumsalz (LiTFSI, BASF) in TEGDME (Sigma Aldrich, feuchtigkeitskontrollierte Qualität),
    2. b) 1,0 M LiTFSI und 10-2 M (10 mM) DBBQ (Sigma Aldrich) in TEGDME,
    3. c) 1,0 M LiTFSI und 10-2 M (10 mM) TTF (Sigma Aldrich) in TEGDME. LiTFSI, DBBQ und TTF wurden bei 100°C über Nacht unter Vakuum
    getrocknet, während das Lösungsmittel TEGDME nach dem Trocknen/Lagern auf regenerierten 3 Ä-Molekularsieben (Sigma Aldrich) für mindestens 15 Tage in einer Glovebox verwendet wurde. Der Wassergehalt im Lösungsmittel und in den Elektrolyten wurde mit dem Karl-Fischer-Coulometer 831KF (Metrohm) bestimmt und lag bei durchschnittlich weniger als 4 ppm.
Production of the electrolytes:
  • Three electrolyte solutions were prepared by dissolving:
    1. a) 1.0 M bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt (LiTFSI, BASF) in TEGDME (Sigma Aldrich, moisture-controlled grade),
    2. b) 1.0 M LiTFSI and 10 -2 M (10 mM) DBBQ (Sigma Aldrich) in TEGDME,
    3. c) 1.0 M LiTFSI and 10 -2 M (10 mM) TTF (Sigma Aldrich) in TEGDME. LiTFSI, DBBQ and TTF were dried at 100°C under vacuum overnight
    dried while using TEGDME solvent after drying/storing on regenerated 3 Å molecular sieves (Sigma Aldrich) for at least 15 days in a glove box. The water content in the solvent and in the electrolyte was determined using the Karl Fischer coulometer 831KF (Metrohm) and was less than 4 ppm on average.

Herstellung einer LiFePO4 (LFP) Anode:

  • Gew.-% Zusammensetzung: LFP/Industrieruß/Bindemittel (PVdF): 88/4.5/7.5 Erwartete Belastung: 1,3 mAh.cm-2
  • Erwartete Belastung: 9,89 mgtot.cm-2
  • Beschichtungsdicke (ohne Aluminiumfolie): 47 µm
  • Dicke der Aluminiumfolie: 15 µm (ρAl =2,7 g.cm-3)
  • Porosität der Beschichtung: 35%
  • Erwartete Eigenschaften:
    • Qreversibel (@ C/5, Potenzialfenster: 2,1 - 4,3 V) ~ 152 mAh.gLFP -1
Manufacturing a LiFePO 4 (LFP) anode:
  • Wt% composition: LFP/carbon black/binder (PVdF): 88/4.5/7.5 Expected load: 1.3 mAh.cm -2
  • Expected load: 9.89 mg tot .cm -2
  • Coating thickness (without aluminum foil): 47 µm
  • Aluminum foil thickness: 15 µm (ρ Al =2.7 g.cm -3 )
  • Coating porosity: 35%
  • Expected properties:
    • Q reversible (@ C/5, potential window: 2.1 - 4.3 V) ~ 152 mAh.g LFP -1

Die für die folgenden Tests verwendeten LFP-Elektroden sind gestanzte Scheiben von 11 mm Durchmesser (Fläche: 0,9503 cm2).The LFP electrodes used for the following tests are 11 mm diameter die-cut discs (area: 0.9503 cm 2 ).

Die LFP-Elektroden wurden zur Standardisierung bei allen Tests als eine Gegenelektrode verwendet.The LFP electrodes were used as a counter electrode for standardization in all tests.

Die aufgezeichneten Spannungen (Vvs LFP) wurden gegen Li+/Li (Vvs Li) gemäß der folgenden Gleichung angegeben: Vvs Li = 3,4 V - Vvs LFP.The recorded voltages (V vs LFP ) were plotted against Li + /Li (V vs Li ) according to the following equation: V vs Li = 3.4 V - V vs LFP .

Herstellung der SOC-Elektrode:

  • Galvanostatische Vorladeversuche der SOC-Elektrode wurden unter Argon unter Verwendung von Metall Li als Anode und einem Arbin-Batteriezyklisierer durchgeführt. Ein konstanter Strom von 25 mA g-1Li4DHNDC wurde bis zu einer Abschaltspannung von 4,0 V gegen Li+/Li angelegt.
Manufacturing the SOC electrode:
  • Galvanostatic precharge experiments of the SOC electrode were performed under argon using metal Li as the anode and an Arbin battery cycler. A constant current of 25 mA g -1 Li 4DHNDC was applied up to a cut-off voltage of 4.0 V versus Li + /Li.

Zusammenbau der Batterie:

  • Um den SOC der Erfindung mit löslichen Katalysatoren (DBBQ und TTF) unter den gleichen Versuchsbedingungen zu vergleichen, wurden die Versuche in einer Konfiguration LFP/Elektrolyt/O2 Elektroden mit einer LFP-Anode durchgeführt.
Assembling the battery:
  • In order to compare the SOC of the invention with soluble catalysts (DBBQ and TTF) under the same experimental conditions, the experiments were carried out in an LFP/electrolyte/O 2 electrodes configuration with an LFP anode.

Modifizierte Swagelok-Zellen mit einer Öffnung zur Atmosphäre wurden zusammengebaut, wobei als Anode eine Scheibe aus reinem Lithiummetall (Durchmesser = 11 mm und Dicke = 0,7 mm) oder eine Scheibe aus LFP (von IMN) (Durchmesser = 11 mm, Dicke = 0,045 mm und 9,4 mg in Gewicht des Aktivmaterials) verwendet wurde. Als Separatoren wurden zwei Stück Glasfaser-Separatoren (Whatman, Durchmesser = 13 mm) verwendet, die mit 210 µL Elektrolyt imprägniert waren. Die oben hergestellten Elektroden auf Kohlenstoffbasis wurden als Arbeitselektroden verwendet. Bevor die zusammengebauten Swagelok-Zellen aus der Glovebox transportiert wurden, wurden sie in einem speziell konstruierten luftdichten Behälter mit Ein- und Auslassventilen angeordnet. Einige Swagelok-Zellen in den Behältern wurden unter Argon gehalten, während die anderen Behälter 30 Minuten lang mit einem kontinuierlichen, relativ hohen Fluss von trockenem Sauerstoff (5,0 Reinheit, der aus einer Hochdruckflasche durch eine Edelstahlgasleitung strömte) gefüllt wurden. Ähnlich wie die Kathoden wurden LFP und Separatoren über Nacht bei 120°C unter Vakuum getrocknet, und alle Zellkomponenten (modifizierte Swagelok und konstruierte luftdichte Behälter) wurden vor der Verwendung 12 Stunden lang bei 70°C im Ofen getrocknet.Modified Swagelok cells with an opening to the atmosphere were assembled using as the anode a pure lithium metal disc (diameter = 11 mm and thickness = 0.7 mm) or a disc of LFP (from IMN) (diameter = 11 mm, thickness = 0.045 mm and 9.4 mg in weight of active material) was used. Two pieces of glass fiber separators (Whatman, diameter=13 mm) which were impregnated with 210 μL of electrolyte were used as separators. The carbon-based electrodes prepared above were used as working electrodes. Before the assembled Swagelok cells were shipped out of the glove box, they were placed in a specially designed airtight container with inlet and outlet valves. Some Swagelok cells in the containers were kept under argon while the other containers were filled with a continuous, relatively high flow of dry oxygen (5.0 purity, flowing from a high-pressure cylinder through a stainless steel gas line) for 30 minutes. Similar to the cathodes, the LFP and separators were dried overnight at 120°C under vacuum and all cell components (modified Swagelok and engineered airtight containers) were oven dried at 70°C for 12 hours before use.

Vergleichsbeispiel 1: Luftelektrode, die nur Kohlenstoff enthält (Referenz)Comparative Example 1: Air Electrode Containing Only Carbon (Reference)

Carbon Super C65 (Imerys) und Polytetrafluorethylen (PTFE, 60 Gew.-% Dispersion in H2O, Sigma Aldrich) wurden im Gewichtsverhältnis 4:1 w/w (Kohlenstoff : PTFE) in einem Achatmörser 20 Minuten lang gemischt. Die resultierende schwarze Paste wurde mit 2-Propanol (VWR International, 1,4 mL2 -propanol/gpaste) benetzt, um das Mischen und die Verformbarkeit zu verbessern. Sobald ein gummiartiger Verbundstoff erhalten wurde, wurden etwa 160 mg auf ein Edelstahlnetz mit einer Fläche von 4×4 cm2 gegeben. Der gummiartige Verbundstoff wurde dann mit Hilfe eines Teflon™-Zylinders gepresst, bis das Netz gleichmäßig von der schwarzen Paste bedeckt war. Das Netz wurde dann zwischen zwei Aluminiumfolien angeordnet, und mit Hilfe einer hydraulischen Presse dreimal 30 Sekunden lang mit einem Druck von 35 MPa beaufschlagt. Anschließend wurde es in einem Umluftofen 1 Stunde lang bei 100°C getrocknet und dann in Scheiben mit einem Durchmesser von 4 mm geschnitten. Vor der Verwendung der so hergestellten Elektroden wurden sie über Nacht bei 150°C unter Vakuum getrocknet. Das Endgewicht der Elektroden betrug 0,8 ± 0,1 mg nach Abzug des Netzgewichts und mit einer Dicke von 0,32 ± 0,04 mm.Carbon Super C65 (Imerys) and polytetrafluoroethylene (PTFE, 60% by weight dispersion in H 2 O, Sigma Aldrich) in a weight ratio of 4:1 w/w (carbon:PTFE) were mixed in an agate mortar for 20 minutes. The resulting black paste was wetted with 2-propanol (VWR International, 1.4 mL 2 -propanol/g paste ) to improve mixing and moldability. Once a rubbery composite was obtained, about 160 mg was placed on a stainless steel mesh with an area of 4×4 cm 2 . The rubbery composite was then pressed using a Teflon™ cylinder until the web was evenly dislodged was covered with the black paste. The mesh was then placed between two aluminum foils and pressurized to 35 MPa three times for 30 seconds using a hydraulic press. It was then dried in a circulating air oven at 100°C for 1 hour and then cut into discs with a diameter of 4 mm. Before using the electrodes thus prepared, they were dried overnight at 150°C under vacuum. The final weight of the electrodes was 0.8 ± 0.1 mg after net weight subtraction and with a thickness of 0.32 ± 0.04 mm.

Diese Luftelektrode, die nur Kohlenstoff und PTFE enthält, wurde in eine Batterie mit einem Elektrolyten ohne löslichen Katalysator (Elektrolyt a) eingebaut.This air electrode containing only carbon and PTFE was installed in a battery with an electrolyte without a soluble catalyst (electrolyte a).

Vergleichsbeispiel 2: Luftelektrode mit Kohlenstoff + 10 mM DBBQ zugegeben im ElektrolytenComparative example 2: Air electrode with carbon + 10 mM DBBQ added in the electrolyte

Die Luftelektrode, die Kohlenstoff und PTFE enthält, wurde nach dem gleichen Protokoll wie in Vergleichsbeispiel 1 hergestellt und in eine Batterie mit einem Elektrolyten, der 10 mM DBBQ enthält (Elektrolyt b), eingebaut.The air electrode containing carbon and PTFE was manufactured according to the same protocol as in Comparative Example 1 and incorporated into a battery with an electrolyte containing 10 mM DBBQ (electrolyte b).

Vergleichsbeispiel 3: Luftelektrode mit Kohlenstoff + 10 mM TTF zugegeben im ElektrolytenComparative example 3 Air electrode with carbon + 10 mM TTF added in the electrolyte

Die Luftelektrode, die Kohlenstoff und PTFE enthält, wurde nach demselben Protokoll wie in Vergleichsbeispiel 1 hergestellt und in eine Batterie mit einem Elektrolyten, der 10 mM TTF enthält (Elektrolyt c), eingebaut.The air electrode containing carbon and PTFE was manufactured according to the same protocol as in Comparative Example 1 and incorporated into a battery with an electrolyte containing 10 mM TTF (electrolyte c).

Beispiel 1: Luftelektrode mit Kohlenstoff + Li4DHNDC (Gewichtsverhältnis 7:2) in Elektrolyt a)Example 1: Air electrode with carbon + Li 4 DHNDC (weight ratio 7:2) in electrolyte a)

Li4DHNDC, Carbon Super C65 und PTFE (Trockenpulver, Universität Oxford) wurden zunächst über Nacht bei 120 °C im Vakuum getrocknet.Li 4 DHNDC, Carbon Super C65 and PTFE (dry powder, University of Oxford) were first dried in vacuo at 120 °C overnight.

Carbon Super C65 und Li4DHNDC (Gewichtsverhältnis Kohlenstoff : Li4DHNDC = 7:2) wurden 20 Minuten lang in einem Mörser gemischt. Danach wurde PTFE mit den Pasten in einem Gewichtsverhältnis (Kohlenstoff + Li4DHNDC) : PTFE von 4:1 vermischt und etwa 2 ml 2-Propanol hinzugefügt. Alle Komponenten wurden weitere 20 Minuten in einem Achatmörser gemischt, bis die beiden erhaltenen gummiartigen Verbundstoffe homogen schwarz erschienen (Gewichtsverhältnis Kohlenstoff : Li4DHNDC = 7:2) (Gesamtgewichtsverhältnis: Carbon Super C65 : Li4DHNDC : PTFE = 28:8:9). Anschließend wurde eine kleine Menge der entstandenen Verbundwerkstoffe auf vorgestanzte Scheiben aus rostfreiem Stahlnetz mit einem Durchmesser von 4 mm aufgetragen. Die Scheiben wurden dann zwischen zwei Aluminiumfolien angeordnet, und schließlich wurde dreimal für 30 Sekunden ein Druck von 35 MPa ausgeübt. Die so hergestellten Elektroden wurden über Nacht bei 120°C im Vakuum getrocknet, um jede Spur von 2-Propanol zu entfernen. Das Endgewicht betrug 1,2 ± 0,2 mg nach Abzug des Netzgewichts.Carbon Super C65 and Li 4 DHNDC (carbon:Li 4 DHNDC weight ratio=7:2) were mixed in a mortar for 20 minutes. Thereafter, PTFE was mixed with the pastes in a weight ratio (carbon + Li4DHNDC):PTFE of 4:1 and about 2 ml of 2-propanol was added. All components were mixed for a further 20 minutes in an agate mortar until the two rubbery composites obtained appeared homogeneously black (weight ratio carbon: Li 4 DHNDC = 7:2) (total weight ratio: Carbon Super C65: Li 4 DHNDC: PTFE = 28:8:9 ). A small amount of the resulting composites was then applied to pre-cut discs of 4 mm diameter stainless steel mesh. The disks were then placed between two aluminum foils and finally a pressure of 35 MPa was applied three times for 30 seconds. The electrodes so prepared were vacuum dried at 120°C overnight to remove any trace of 2-propanol. The final weight was 1.2 ± 0.2 mg after subtracting the net weight.

zeigt die Spannung (V versus Li+/Li) gegen die Kapazität (mAh.cm-2) für eine Lithium-Luft-Batteriezelle, die mit 0,2 mAh.cm-2 wie in Beispiel 1 (Bsp1) beschrieben zyklisiert wurde, im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1, 2 und 3 (VergleichsBsp1, VergleichsBsp2, VergleichsBsp3). zeigt, dass die Elektrode, die Li4DHNDC (Bsp1) enthält, eine Erhöhung der Entladekapazität (mAh.cm-2) und ein Wiederaufladen der Lithium-Luft-Batteriezelle mit 100% Effizienz dank einer geringeren Hysterese ermöglicht, was bei VergleichsBsp1, VergleichsBsp2, VergleichsBsp3 nicht der Fall ist. shows the voltage (V versus Li + /Li) versus capacity (mAh.cm -2 ) for a lithium-air battery cell that was cycled at 0.2 mAh.cm -2 as described in Example 1 (Ex1). compared to Comparative Examples 1, 2 and 3 (Comparative Ex1, Comparative Ex2, Comparative Ex3). shows that the electrode containing Li 4 DHNDC (Bsp1) allows an increase in the discharge capacity (mAh.cm -2 ) and a recharging of the lithium-air battery cell with 100% efficiency thanks to a lower hysteresis, which is the case with ComparativeBsp1, ComparativeBsp2 , Comparative Example 3 is not the case.

zeigt das Zyklisieren der Lithium-Luft-Batteriezelle ( ) von Beispiel 1 (Bsp1) mit einer Rate von 0,2 mAh.cm-2, innerhalb des Potentialfensters 2,2 - 4,6 V gegen Li+/Li und mit einer Kapazitätsbegrenzung von 800 mAh.g-1 SOC (~2,15 mAh.cm-2), und den Kapazitätserhalt gegen die Zyklenanzahl ( ) von Beispiel 1. shows the cycling of the lithium-air battery cell ( ) of Example 1 (Ex1) at a rate of 0.2 mAh.cm -2 , within the potential window 2.2 - 4.6 V versus Li + /Li and with a capacity limitation of 800 mAh.g -1 SOC (~ 2.15 mAh.cm -2 ), and the retention of capacity versus the number of cycles ( ) from example 1.

zeigt einen Vergleich des 1st (ersten) Zyklus der Lithium-Luft-Batteriezelle aus Beispiel 1 unter Verwendung einer Arbeitselektrode, die Li4DHNDC als SOC enthält, erhalten in Argon (gepunktete Linie) oder in Sauerstoff (durchgezogene Linie) für Elektroden, die ein Gewichtsverhältnis von Carbon Super C65 : Li4DHNDC von 7:2 enthalten (galvanostatische Entladung durchgeführt bei 0,5 mAh.cm-2). Die vertikale Linie zeigt die theoretisch erwartete Kapazität an. zeigt, dass der SOC allein keine hohe Kapazität aufweist, während unter Sauerstoff eine deutliche Auswirkung auf die Kapazität zu erkennen ist. shows a comparison of the 1 st (first) cycle of the lithium-air battery cell of Example 1 using a working electrode containing Li 4 DHNDC as SOC obtained in argon (dotted line) or in oxygen (solid line) for electrodes containing a weight ratio of Carbon Super C65:Li 4 DHNDC of 7:2 (galvanostatic discharge performed at 0.5 mAh.cm -2 ). The vertical line indicates the theoretically expected capacity. shows that the SOC alone does not have a high capacity, while under oxygen there is a clear effect on the capacity.

Vergleich mit Katalysatoren des Standes der Technik:Comparison with state-of-the-art catalysts:

Die folgende Tabelle (Tabelle 1) fasst die Eigenschaften des SOC, der in den in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Lithium-Luft-Batteriezellen verwendet wird, im Vergleich zu denen zusammen, die in den vorstehend beschriebenen Referenzen zum Stand der Technik offenbart sind:

  • - Stand der Technik 1: Renault et al., Energy & Environmental Science, 2013, 6, 2124-2133,
  • - Stand der Technik 2: Gao et al., Nature Materials, 2016, 15, 882,
  • - Stand der Technik 3: Chen et al., Nature Chemistry, 2013, 5, 489,
  • - Stand der Technik 4: Gao et al, Nature Energy, Vol. 2, 17118 (2017),
  • - Stand der Technik 5: Hase et al., Chem. Commun. 2016, 52, 12151-12154,
  • - Stand der Technik 6: Bergner et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, 31769-31779, und
  • - Stand der Technik 7: Kundu et al., ACS Cent. Sci., 2015, 1, 510-515.
Tabelle 1: Organischer Katalysator Formel Elektrolyt Rate max (mAh. cm-2) Aktivität p/n-Typ SOC der vorliegenden Erfindung Li4DHNDC
Figure DE112020006564T5_0010
1M LiTFSI in TEGDME 0.2 ORR + OER n-Typ
Stand der Technik 1 Li4-p-DHT
Figure DE112020006564T5_0011
1M LiPF6 in EC: PC NA ORR n-Typ
Stand der Technik 2 DBBQ
Figure DE112020006564T5_0012
1M LiTFSI in DME oder TEDME NA ORR n-Typ
Stand der Technik 3 TTF
Figure DE112020006564T5_0013
1M LiClO4 in DMSO NA OER p-Typ
Stand der Technik 4 DBBQ + TEMPO
Figure DE112020006564T5_0014
0,3M LiClO4 in DME NA ORR + OER p + n-Typ
Stand der Technik 5 MeO-TEMPO
Figure DE112020006564T5_0015
- - OER p-Typ
Stand der Technik 6 1-Me-AZADO
Figure DE112020006564T5_0016
1M LiTFSI in Diglyme 0.1 OER P-Typ
Stand der Technik 7 TDPA
Figure DE112020006564T5_0017
0,5 M LiTSFI in TEGDME 0.1 OER P-Typ

NA = nicht anwendbarThe following table (Table 1) summarizes the characteristics of the SOC used in the lithium-air battery cells described in the present invention compared to those disclosed in the prior art references described above:
  • - Prior art 1: Renault et al., Energy & Environmental Science, 2013, 6, 2124-2133,
  • - Prior art 2: Gao et al., Nature Materials, 2016, 15, 882,
  • - Prior Art 3: Chen et al., Nature Chemistry, 2013, 5, 489,
  • - Prior Art 4: Gao et al, Nature Energy, Vol. 2, 17118 (2017),
  • - Prior art 5: Hase et al., Chem. Commun. 2016, 52, 12151-12154,
  • - Prior art 6: Bergner et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, 31769-31779, and
  • - Prior Art 7: Kundu et al., ACS Cent. Sci., 2015, 1, 510-515.
Table 1: Organic Catalyst formula electrolyte Rate max (mAh. cm -2 ) activity p/n type SOC of the present invention Li4DHNDC
Figure DE112020006564T5_0010
1M LiTFSI in TEGDME 0.2 ORR + OER n-type
State of the art 1 Li 4 -p-DHT
Figure DE112020006564T5_0011
1M LiPF 6 in EC:PC N / A ORR n-type
state of the art 2 DBBQ
Figure DE112020006564T5_0012
1M LiTFSI in DME or TEDME N / A ORR n-type
state of the art 3 TTF
Figure DE112020006564T5_0013
1M LiClO4 in DMSO N / A OER p-type
state of the art 4 DBBQ + PACE
Figure DE112020006564T5_0014
0.3M LiClO4 in DME N / A ORR + OER p + n type
State of the art 5 MeO TEMPO
Figure DE112020006564T5_0015
- - OER p-type
state of the art 6 1-Me-AZADO
Figure DE112020006564T5_0016
1M LiTFSI in diglyme 0.1 OER P type
State of the art 7 TDPA
Figure DE112020006564T5_0017
0.5M LiTSFI in TEGDME 0.1 OER P type

NA = not applicable

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Claims (21)

Verbindung der nachstehenden Formel (1):
Figure DE112020006564T5_0018
wobei: - mindestens eines von R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 oder R8 eine Gruppe A, die eine permanente negative Ladung umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (Thio)carboxylat-, (Thio)sulfonat-, (Thio)phosphonat-, Sulfat- und Amidatgruppen, ist, - mindestens eines von R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 oder R8 eine Gruppe B, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus -OLi, Nitroxid, C1-C20-Alkylnitroxid, Thio-C1-C20-Ether, C1-C20-Alkyldisulfid, C3-C20-Aryldisulfid, C1-C20-Alkylamin und C3-C20-Arylamin-Gruppen, ist, - die anderen R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 oder R8 ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: H, Aryl, Alkyl, Alkenyl, Alkaryl, Alkyloxy, Aryloxy, Aminoalkyl, Aminoaryl, Thioalkyl, Thioaryl, Alkylphosphonat, Arylphosphonat, Cyclodienyl, -OCR, -(O=)CHNR, -HN(O =)CR, -(O=)COR, -HN(O=)CHNR, -HN(O=)COR, -(HN=)CHNR, -HN(HN= )CHNR, -(S=)CHNR, -HN(S=)CHNR, wobei R H oder eine C1-C19-Alkylgruppe, und vorzugsweise wobei R H oder eine C1-C6-Alkylgruppe, ist, wobei besagte R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 oder R8 Gruppen 1 bis 20 Kohlenstoffatome umfassen und gegebenenfalls mit mindestens einem Halogen-, Sauerstoff- oder Schwefelatom substituiert sind, - mindestens eines von R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 oder R8 mindestens ein Lithium-Ion enthält, wobei die Anzahl der Lithium-Ionen gleich der Anzahl der Gruppen A, die eine permanente negative Ladung umfassen, ist, um die Verbindung der Formel (1) insgesamt neutral zu machen.
Compound represented by formula (1) below:
Figure DE112020006564T5_0018
wherein: - at least one of R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 or R 8 is a group A comprising a permanent negative charge selected from the group consisting of (thio)carboxylate -, (thio)sulfonate, (thio)phosphonate, sulfate and amidate groups, - at least one of R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 or R 8 is a group B selected from the group consisting of -OLi, nitroxide, C 1 -C 20 alkyl nitroxide, thio C 1 -C 20 ether, C 1 -C 20 alkyl disulfide, C 3 -C 20 aryl disulfide, C 1 - C 20 alkylamine and C 3 -C 20 arylamine groups, - the other R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 or R 8 are selected from the group consisting of : H, aryl, alkyl, alkenyl, alkaryl, alkyloxy, aryloxy, aminoalkyl, aminoaryl, thioalkyl, thioaryl, alkylphosphonate, arylphosphonate, cyclodienyl, -OCR, -(O=)CHNR, -HN(O=)CR, -(O =)COR, -HN(O=)CHNR, -HN(O=)COR, -(HN=)CHNR, -HN(HN= )CHNR, -(S=)CHNR, -HN(S=)CHNR, wherein R H or a C 1 -C 19 alkyl group, and preferably wherein R H or a C 1 -C 6 alkyl group, wherein said R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 or R 8 groups comprise 1 to 20 carbon atoms and optionally with at least one halogen -, oxygen or sulfur atom are substituted, - at least one of R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 or R 8 contains at least one lithium ion, the number of lithium ions is equal to the number of groups A comprising a permanent negative charge to make the compound of formula (1) neutral overall.
Verbindung nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 oder R8 Gruppen A sind, die eine permanente negative Ladung umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (Thio)carboxylat-, (Thio)sulfonat-, (Thio)phosphonat-, Sulfat- und Amidatgruppen.connection after claim 1 , wherein at least two R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 or R 8 are groups A comprising a permanent negative charge selected from the group consisting of (thio)carboxylate, (Thio)sulfonate, (thio)phosphonate, sulfate and amidate groups. Verbindung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei mindestens zwei R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 oder R8 Gruppen B sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus -OLi, Nitroxid, Alkylnitroxid, Thioether, Disulfid, Alkylamin und Arylamin.connection after claim 1 or claim 2 , wherein at least two R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 or R 8 are B groups selected from the group consisting of -OLi, nitroxide, alkyl nitroxide, thioether, disulfide, alkylamine and arylamine. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei R1, R2, R5 und R6 Wasserstoffatome sind.Connection after one of Claims 1 until 3 , where R 1 , R 2 , R 5 and R 6 are hydrogen atoms. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei besagte Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
Figure DE112020006564T5_0019
Figure DE112020006564T5_0020
Figure DE112020006564T5_0021
Figure DE112020006564T5_0022
Figure DE112020006564T5_0023
Figure DE112020006564T5_0024
Connection after one of Claims 1 until 4 , wherein said compound is selected from the group consisting of:
Figure DE112020006564T5_0019
Figure DE112020006564T5_0020
Figure DE112020006564T5_0021
Figure DE112020006564T5_0022
Figure DE112020006564T5_0023
Figure DE112020006564T5_0024
Verbindung nach Anspruch 5, wobei besagte Verbindung ein Tetra-Lithium-Salz von 1,5-Dihydroxy-2,6-naphthalindicarbonsäure (Li4DHNDC) der Formel ist:
Figure DE112020006564T5_0025
connection after claim 5 , wherein said compound is a tetra-lithium salt of 1,5-dihydroxy-2,6-naphthalenedicarboxylic acid (Li 4 DHNDC) of the formula:
Figure DE112020006564T5_0025
Verfahren zur Herstellung einer Verbindung der Formel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend den Schritt des Umsetzens eines Naphthols mit MeOLi oder LiH (Lithiierungsschritt) in stöchiometrischer Menge und unter inerter Atmosphäre.A process for preparing a compound of formula (1) according to any one of Claims 1 until 6 comprising the step of reacting a naphthol with MeOLi or LiH (lithiation step) in stoichiometric amount and under an inert atmosphere. Verfahren nach Anspruch 7 zur Herstellung des Tetra-Lithium-Salzes von 1,5-Dihydroxy-2,6-naphthalindicarbonsäure (Li4DHNDC) nach Anspruch 5, gemäß dem folgenden Reaktionsschema:
Figure DE112020006564T5_0026
procedure after claim 7 for the preparation of the tetra-lithium salt of 1,5-dihydroxy-2,6-naphthalenedicarboxylic acid (Li 4 DHNDC). claim 5 , according to the following reaction scheme:
Figure DE112020006564T5_0026
Verwendung einer Verbindung der Formel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als einen festen organischen Katalysator (SOC) in einer Lithium-Luft-Batteriezelle.Use of a compound of formula (1) according to any one of Claims 1 until 6 as a solid organic catalyst (SOC) in a lithium-air battery cell. Fester organischer Katalysator (SOC), umfassend eine Verbindung der Formel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.A solid organic catalyst (SOC) comprising a compound of formula (1) according to any one of Claims 1 until 6 . Fester organischer Katalysator (SOC) nach Anspruch 10 in Form von lamellaren Teilchen.Solid Organic Catalyst (SOC) after claim 10 in the form of lamellar particles. Fester organischer Katalysator (SOC) nach Anspruch 10 oder Anspruch 11 mit einer spezifischen Oberfläche größer als oder gleich 5 m2.g-1.Solid Organic Catalyst (SOC) after claim 10 or claim 11 with a specific surface area greater than or equal to 5 m 2 .g -1 . Lithium-Luft-Batteriezelle, die umfasst: - eine negative Elektrode, die ein Negativelektrodenaktivmaterial enthält, - eine positive Elektrode, die Sauerstoff als ein Positivelektrodenaktivmaterial verwendet, und - ein nichtwässriges Elektrolytmedium, das zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet ist, wobei die positive Elektrode einen festen organischen Katalysator (SOC) der Formel (1) gemäß den Ansprüchen 10 bis 12 umfasst.A lithium-air battery cell comprising: - a negative electrode containing a negative electrode active material, - a positive electrode using oxygen as a positive electrode active material, and - a non-aqueous electrolyte medium interposed between the negative electrode and the positive electrode, wherein the positive electrode a solid organic catalyst (SOC) of formula (1) according to claims 10 until 12 includes. Lithium-Luft-Batteriezelle nach Anspruch 13, wobei die positive Elektrode zudem Kohlenstoff umfasst.Lithium-air battery cell after Claim 13 , wherein the positive electrode further comprises carbon. Lithium-Luft-Batteriezelle nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei das Gewichtsverhältnis zwischen Kohlenstoff und dem festen organischen Katalysator (SOC) 7:2 beträgt.Lithium-air battery cell after Claim 13 or Claim 14 , wherein the weight ratio between carbon and the solid organic catalyst (SOC) is 7:2. Lithium-Luft-Batteriezelle nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die positive Elektrode ferner ein Polymerbindemittel umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen (PTFE), Styrol-Butadien-Kautschuk, Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymere, Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymere (FEP), Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinylether-Copolymere (PFA), Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymere, Vinylidenfluorid-Chlortrifluorethylen-Copolymere, Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymere (ETFE-Harze), Polychlortrifluorethylen (PCTFE), Vinylidenfluorid-Pentafluorpropylen-Copolymere, Propylen-Tetrafluorethylen-Copolymere, Ethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymere (ECTFE), Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Tetrafluorethylen-Copolymere, Vinylidenfluorid-Perfluormethylvinylether-Tetrafluorethylen-Copolymere, Ethylen-Acrylsäure-Copolymere und Copolymere mit Sulfonatgruppen-terminierten Perfluorvinylether-Gruppen, die an ein Poly(tetrafluorethylen)-Grundgerüst gebunden sind, und vorzugsweise Polytetrafluorethylen (PTFE).Lithium-air battery cell according to one of Claims 13 until 15 wherein the positive electrode further comprises a polymer binder selected from the group consisting of: polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers (FEP), tetrafluoroethylene -Perfluoroalkyl vinyl ether copolymers (PFA), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymers, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymers, ethylene-tetrafluoroethylene copolymers (ETFE resins), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymers, propylene-tetrafluoroethylene copolymers, ethylene- Chlorotrifluoroethylene copolymers (ECTFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymers, vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene copolymers, ethylene-acrylic acid copolymers and copolymers with sulfonate-terminated perfluorovinyl ether groups attached to a poly(tetrafluoroethylene) backbone, and preferably ice polytetrafluoroethylene (PTFE). Lithium-Luft-Batteriezelle nach Anspruch 16, wobei das Gewichtsverhältnis zwischen dem Polymerbindemittel und (fester organischer Katalysator (SOC) + Kohlenstoff + Polymerbindemittel) weniger als oder gleich 20% beträgt.Lithium-air battery cell after Claim 16 , wherein the weight ratio between the polymer binder and (solid organic catalyst (SOC) + carbon + polymer binder) is less than or equal to 20%. Lithium-Luft-Batteriezelle nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das nichtwässrige Elektrolytmedium ein oder mehrere aprotische organische Lösungsmittel umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Kettencarbonaten, zyklischen Estercarbonaten, Kettenethern, zyklischen Ethern, Glykolethern und Nitrillösungsmitteln, und vorzugsweise Glykolethern wie Tetraethylenglykoldimethylether (TEGDME).Lithium-air battery cell according to one of Claims 14 until 17 wherein the non-aqueous electrolyte medium comprises one or more aprotic organic solvents selected from the group consisting of: chain carbonates, cyclic ester carbonates, chain ethers, cyclic ethers, glycol ethers and nitrile solvents, and preferably glycol ethers such as tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME). Batteriepack mit mindestens zwei zusammengebaute Lithium-Luft-Batteriezellen nach einem der Ansprüche 14 bis 18.Battery pack with at least two assembled lithium-air battery cells according to any one of Claims 14 until 18 . Verwendung eines Batteriepacks nach Anspruch 19 als eine wiederaufladbare Batterie für Elektro- und Hybridfahrzeuge, elektronische Geräte und stationäre Stromerzeugungsgeräte.using a battery pack claim 19 as a rechargeable battery for electric and hybrid vehicles, electronic devices, and stationary power generation devices. Fahrzeug, elektronisches Gerät und stationäres Stromerzeugungsgerät, das ein Batteriepack nach Anspruch 19 umfasst.Vehicle, electronic device, and stationary power generating device that uses a battery pack claim 19 includes.
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