Elektrolytzubereitungen für Energiespeicher auf Basis ionischer Flüssigkeiten

Beschreibung

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft flüssige Elektrolytzubereitungen für Energiespeicher, insbesondere Lithium-Ionen-Battehen und Doppelschichtkondensatoren, auf Basis ionischer Flüssigkeiten.

Hintergrund der Erfindung

Elektrolyte in kommerziellen Lithium-Ionen-Battehen bestehen aus einem Leitsalz, meist LiPF ₆ , welches in aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst ist. Die stete Zunahme immer leistungsfähigerer elektronischer portabler Systeme erfordert eine enorme Verbesserung der Leistungsfähigkeit zukünftiger Lithium-Ionen-Battehen hinsichtlich Energiedichte und Lebenszeit. In heutigen flüssigen Elektrolytsystemen werden überwiegend leicht brennbare, organische Lösungsmittel, wie beispielsweise Carbonsäureester oder Acetonitril eingesetzt, die sich bei entsprechender Belastung entzünden können und somit zur Zerstörung der Batterie bzw. im ungünstigsten Fall zur Zerstörung der Geräte führen können. Ionische Flüssigkeiten (ILs) sind flüssige Salze mit einem Schmelzpunkt unterhalb 100 ⁰ C. Die interionischen Wechselwirkungen sorgen dafür, dass sie vernachlässigbar kleine Dampfdrücke aufweisen und somit nicht bzw. kaum entflammbar sind. Aufgrund des ionischen Charakters weisen sie Leitfähigkeiten von etwa 10 ^~5 bis zu 10 ^~2 S/cm auf.

Typische Kationen und Anionen ionischer Flüssigkeiten werden durch folgende Formeln bzw. Strukturformeln wiedergegeben:

Kationen Anionen

Aufgrund ihrer zum Teil vorteilhaften Eigenschaften wird die Substanzklasse der ionischen Flüssigkeiten als neue Elektrolytflüssigkeit für Lithium-Ionen-Batterien ca. seit Mitte der 90er Jahre diskutiert. Der Einsatz sowohl als flüssiger Elektrolyt als auch als leitfähiges Polymer ist Gegenstand dieser Untersuchungen.

So sind zum Beispiel in den Druckschriften US 2003/0165737, US 6,855,457, und EP 1 530 248 Lithium-Ionen-Batterien beschrieben, in denen Elektrolyte auf Basis ionischer Flüssigkeiten verwendet werden. In der WO 04/082059 werden allgemein auf

Pyrrolidinium basierende ionische Flüssigkeiten als Hauptkomponente von Elektrolyten beschrieben. Schließlich werden in der EP 1 324 358 speziellere Elektrolytformulierungen für Doppelschichtkondensatoren auf Basis von Pyrrolidinium- ILs vorgestellt.

Da die Anforderungen an derartige Elektrolytzubereitungen für immer leistungsfähigere Lithium-Ionen-Batterien steigen, besteht weiterhin Bedarf an verbesserten Elektrolyten auf Basis ionischer Flüssigkeiten, wobei an die elektrochemische Stabilität der ionischen Flüssigkeit, deren Viskosität, deren Leitfähigkeit, sowie bezüglich des vorgesehenen Temperaturarbeitsbereiches besondere Anforderungen gestellt werden. Darüber hinaus sollte auch eine möglichst hohe Löslichkeit lithiumhaltiger Leitsalze in den jeweiligen ionischen Flüssigkeiten gegeben sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, Elektrolytzubereitungen zu finden, die im vorgesehenen Temperaturarbeitsbereich der Lithium-Ionen-Batterien bzw. Doppelschichtkondensatoren von -20 ⁰ C bis 60 ⁰ C leistungsfähig sind, die eine elektrochemische Stabilität über einen Spannungsbereich von mindestens 4,5 V aufweisen, die mit möglichst wenig Lösungsmittel auskommen, um das Risiko der Entflammbarkeit zu minimieren, die eine hohe Leitfähigkeit von mindestens 3 mS/cm aufweisen, und in der gegebenenfalls hohe Konzentrationen gelöster lithiumhaltiger Leitsalze möglich sind. Auch sollten die Elektrolytlösungen eine möglichst hohe Reinheit bei einem Wassergehalt von unter 20 ppm aufweisen.

Beschreibung der Erfindung

Die gestellte Aufgabe wird durch eine Elektrolytzubereitung gelöst, enthaltend a) eine ionische Flüssigkeit, die über einen Bereich von mindestens 4,5 V, bevorzugt 4,8 V, weiter bevorzugt 4,9 V, noch bevorzugter 5,0 V, und am meisten bevorzugt 5,4 V, elektrochemisch stabil ist, eine Viskosität von <300 rnPa-s, vorzugsweise <250 rnPa-s, bevorzugter <200 rnPa-s, noch bevorzugter <150 rnPa-s, bei 20 ⁰ C aufweist und eine Leitfähigkeit von mindestens 1 mS/cm, vorzugsweise mindestens 2 mS/cm, bevorzugter mindestens 3 mS/cm, bei 20 ⁰ C, und b) ein aprotisches, dipolares Lösungsmittel in einer Menge von 20 - 60 Vol-%, vorzugsweise 25 - 55 Vol-%, bevorzugter 30 - 50 VoI- %, bezogen auf die Elektrolytzubereitung, wobei die Leitfähigkeit der Elektrolytzubereitung mindestens um den Faktor 2, vorzugsweise mindestens um den Faktor 3, bevorzugter mindestens um den Faktor 4, größer ist als die Leitfähigkeit der ionischen Flüssigkeit.

Die Bestimmung der Viskositätswerte im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt anhand eines Rheometers (Modell RS 600) der Firma Thermo Haake GmbH, Karlsruhe mit einer Platte/Platte Messvorrichtung mit einem Durchmesser von 35 mm. Die Viskositäten werden für Temperaturen von -10 ⁰ C bis 80 ⁰ C in Schritten von 10 ⁰ C bei Scherraten von 100 bis 2000 s ^"1 für die jeweilige Temperatur. Die Aufzeichnung der Messwerte erfolgt mit der Software RheoWin. Die im Folgenden dargestellten

Viskositäts-Werte stellen den Mittelwert der für verschiedene Scherraten gemessenen Werte bei einer definierten Temperatur dar. Es konnte bei Temperaturen von -10 ⁰ C bis 80 ⁰ C ein Verhalten einer nahezu idealen Newtonschen Flüssigkeit nachgewiesen werden.

Die Bestimmung Leitfähigkeiten der IL/Lösungsmittel-Gemische im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgte mit einem Leitfähigkeitsmeßgerät (Modell LF 537) der Firma WTW mit einer 2-Elektroden-Glas/Platin Meßzelle. Dazu wurden 5 ml des IL/Leitsalz-Gemisches unter einem leichten Argonstrom in ein Schlenkrohr gefüllt und mittels Wasserbad bei einer Temperatur zwischen 22 und 23°C gehalten. Während der Messung taucht die Meßzelle in die Lösung, zur Homogemisierung wird mit einem Magnetrührkern gerührt. Das Lösungsmittel wird über eine 2 ml Spritze mit Kanülle in 0.2 ml Schritten zugegeben. Nach jeder Zugabe wird gewartet bis die Lösung homogen ist, danach erfolgte die Messung der entsprechenden Leitfähigkeit.

Ionische Flüssigkeiten weisen eine weite strukturelle Variationsbreite auf. Aufgrund ihres Verhaltens im elektrischen Feld sind nur wenige Anionen für die vorgesehene Anwendung geeignet. So neigen zum Beispiel organische Sulfate und Sulfonate oder Dicyanamide entweder zur Zersetzung oder zur Polymerisation. Nur hochfluorierte Anionen weisen die notwendigen Stabilitäten auf. Um die einzelnen Eigenschaften der verwendeten ionischen Flüssigkeiten herauszuarbeiten, werden die strukturellen Unterschiede für die Anionen und Kationen getrennt diskutiert. Der weit aus größere Effekt auf die für den Einsatz als Elektrolyt relevanten Eigenschaften hat das Anion. Bei einem Vergleich der Viskositäten verschiedener Klassen von ionischen Flüssigkeiten zeigt sich unter Berücksichtigung von Anionenstabilitäten im elektrischen Feld und toxikologischen Aspekten, dass ionische Flüssigkeiten mit dem Bis(trifluoromethansulfonyl)imid-Anion (TFSI-Anion) die niedrigsten Viskositäten und damit hohe Leitfähigkeiten aufweisen.

Verwandt mit den TFSI-Schmelzen sind die Fluorsulfonylimide (N(SO2F) ₂ ^~ , FSI), die größtenteils noch höhere Leitfähigkeiten bei vergleichbarem elektrochemischem

Fenster aufweisen. Nachteilig an den FSI-Anionen ist jedoch, dass diese schwieriger synthetisch zugänglich sind.

An der Verbindung 1-Ethyl-3-methylimidazolium (EMIM) Dicyanamid zeigt sich beispielhaft, dass die Viskosität bzw. die Leitfähigkeit nicht der alleinige Gradmesser ist. Mit einer Viskosität von 17 rnPa-s und einer Leitfähigkeit von 27 mS/cm erscheint diese Verbindung sehr interessant für den Einsatz in Elektrolytzubereitungen. Die Dicyanamide neigen jedoch im elektrischen Feld zur Polymerisation, so dass sie nicht gut verwendet werden können. Gleiches gilt für die Klasse der Thiocyanat-Anionen (SCN ^" ).

Dimethidaninonen (C(SO ₂ CF ₃ ) ₃ ^~ ) weisen vergleichbare Stabilitäten wie die TFSI- Anionen auf, wegen der deutlich höheren Masse des Anions werden jedoch geringere Leitfähigkeiten erreicht. Die Trifluormethansulfonate (Triflate) und Trifluoracetate weisen trotz leicht höherer Viskositäten erstaunlich hohe Leitfähigkeiten auf mit elektrochemischem Fenster im Bereich der TFSI-Anionen. Neben der Klasse der TFSI- ILs sind diese leicht zugänglich und daher für die Elektrolytzubereitungen der vorliegenden Erfindung geeignet.

Unter den sogenannten klassischen ionischen Flüssigkeiten versteht man die BF ₄ - und PF ₆ -Schnnelzen. Diese waren die ersten an Luft handhabbaren ionischen Flüssigkeiten, so dass deren Verwendung trotz ihrer Tendenz in Gegenwart von Wasser HF zu bilden, bis heute recht populär ist. Insbesondere die BF ₄ -Anionen sind von ihren physikochemischen Werten besonders als Elektrolyt^ geeignet. Jedoch muss beachtet werden, dass diese Substanzklasse sehr hygroskopisch ist, so dass zum Beispiel [EMIM][BF ₄ ] nur mit höheren Wasserverunreinigungen, die der Batterie-Performance abträglich sein können, zugänglich sind. Ionische Flüssigkeiten mit PF ₆ -Anionen weisen als Reinsubstanzen zu hohe Viskositäten auf, so dass diese in der Regel nur in Mischungen eingesetzt werden können.

Mit dem Hydrogendifluorid-Anion F(HF) _n ^" können sehr niedrige Viskositäten und hohe Leitfähigkeiten erreicht werden. Da aber zum Beispiel das Ammoniumsalz als stark giftig eingestuft wurde, sollte in diesem Fall auf dessen Verwendung als Basiselektrolyt verzichtet werden.

Bezüglich der Eignung der Elektrolytzubereitungen aufgrund ihrer Viskosität und Leitfähigkeitswerte lässt sich folgende Reihenfolge bekannter Anionen aufstellen:

F(HF) _n ^" > N(CN) ₂ ^" > SCN ^" > FS I > C(SO ₂ CFs) ₃ ^" > CF ₃ SO ₃ ^" > BF ₄ ^" > CF ₃ COO ^" > PF ₆ ^"

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die ionische Flüssigkeit der Elektrolytzubereitung daher ein Anion, welches ausgewählt ist aus der Gruppe Dihydrogendifluorid, TFSI, FSI, Trifluoromethansulfonat (Triflat), Thiocyanat, Methid, PF ₆ , Trifluoroacetat, Perfluorobutansulfonat (Nonaflat) und Tetrafluoroborat umfasst. Es können auch ionische Flüssigkeitsgemische mit zwar dem selben Kation, aber unterschiedlichen Anionen verwendet werden. Beispielhaft seien PF ₆ -haltige ionische Flüssigkeitsgemische genannt, da reine PF ₆ -haltige ionische Flüssigkeiten oft zu hohe Viskositäten aufweisen, wie oben erwähnt. TFSI, FSI oder Triflat sind die bevorzugten Anionen in den ionischen Flüssigkeiten, die für die erfindungsgemäße Elektrolytzubereitung verwendet werden.

Die Kationen der ionischen Flüssigkeiten bestimmen nicht in dem Maße, wie die Anionen die Viskosität bzw. die Leitfähigkeit, haben aber einen großen Einfluss auf die elektrochemische Stabilität. Eine Verbindung wird dann als "elektrochemisch stabil" im Sinne dieser Erfindung angesehen, wenn sie bei cyclovoltammetrischen Messungen bei einer vorgegebenen Spannung einen Stromfluss von weniger als 0.1 mA aufweist. Die cyclovoltammetrischen Messungen werden an einem Autolab Potentiostaten PGSTAT30 der Firma Deutsche Metrohm GmbH & Co. KG, Filderstadt durchgeführt. Zur Aufzeichnung der Messwerte dient die Software GPES version 4.9, Eco Chemi B.V. Utrecht, The Netherlands. Für die Messung wurde eine Drei-Elektroden-Anordnung in einer nichtgeteilten Zelle verwendet. Neben einer Platin-Arbeitselektrode (Metrohm,

6.1204.310) wurde als Gegenelektrode eine Aluminiumfolie verwendet. Als Referenzelektrode diente eine Ag/AgCI-Elektrode (Metrohm, 6.0728.010). Die Messungen wurden bei einer Scan-Rate von 10 mV/s unter Argon bei Raumtemperatur durchgeführt.

Unter dem Begriff "elektrochemisches Fenster" wird im Sinne dieser Erfindung der Spannungsbereich verstanden, in dem eine Verbindung, insbesondere eine ionische Flüssigkeit, elektrochemisch stabil ist

So weisen beispielsweise Pyridinium-basierte ionische Flüssigkeiten nur kleine elektrochemische Fenster auf und sind daher für diese Anwendungen oft nicht geeignet. Phosphoniumverbindungen scheiden in der Regel aufgrund ihrer zu hohen Viskositäten aus. Ammoniumverbindungen weisen ebenfalls recht hohe Viskositäten auf, wobei aber durch gezielte Strukturmodifikationen diese hohen Viskositäten gesenkt werden können. Zum Beispiel kann durch Einbringen eines Hexyl-Substituenten die Viskosität in [Hexlythmethylammonium][TFSI] auf 82 mPa-s gesenkt werden.

Auch die Einführung von funktionalisierten Alkylketten beispielsweise von Alkoxyalkylsubstituenten kann eine Erniedrigung der Viskosität und damit eine Leitfähigkeitserhöhung bewirken. Ein Beispiel hierfür ist [Diethylmethyl-(2- methoxyethyl)ammonium][TFSI] mit einer Viskosität von ca. 140 mPa-s, einer Leitfähigkeit von 4 mS/cm und einem elektrochemischen Fenster von 5,4 V.

Die cyclischen Ammoniumverbindungen, insbesondere mit Pyrrolidiniumkationen, zeigen teilweise noch niedrigere Viskositäten bei hohen Leitfähigkeiten. Alle

Ammoniumverbindungen zeichnen sich durch große elektrochemische Fenster im Bereich von 4,5 bis 5,9 V aus. Dimethylimidazolium basierte ionische Flüssigkeiten sind aufgrund ihrer Viskosität bzw. Leitfähigkeit vorteilhaft, weisen jedoch schlechtere Stabilitäten als die Ammoniumverbindungen auf.

Die Bedeutung der Asymmetrie der Struktur des Kations wird im besonderen an den Imidazolium-basierten ionischen Flüssigkeiten deutlich. So ist beispielsweise [1 ,3- Dimethylimidazolium][BF ₄ ] eine hochviskose Flüssigkeit, wogegen [1 -Ethyl-3- methylimidazolium][BF ₄ ] niedrigviskos vorliegt.

Eine strukturelle Besonderheit der Imidazolium basierten ILs ist, dass sie in der C2- Position ein CH-acides Wasserstoffatom aufweisen, das zum Beispiel in der Gegenwart von Palladium zur Carbenbildung führen kann. ähnliches kann auch in elektrochemischen Prozessen stattfinden. Daher werden für die vorliegende Erfindung in C ₂ -Position alkylierte Varianten elektrochemisch untersucht.

Zusammenfassend kann folgende Reihenfolge bereits bekannter Kationen auf Basis deren physiko-chemischen Eigenschaften aufgestellt werden:

Durch gezieltes Einbringen von funktionalisierten Substituenten lässt sich die Performance der Imidazolium- bzw. der cyclischen Ammoniumkationen weiter verbessern.

Sulfonium-Kationen sind aufgrund ihrer physiko-chemischen Eigenschaften ebenfalls als Elektrolyte geeignet. Als für die erfindungsgemäßen Elektrolytzubereitungen geeignet seien hier beispielhaft die Sulfonium-TFSI-Verbindungen genannt.

Daher enthält die erfindungsgemäße Elektrolytzubereitung in einer bevorzugten

Ausführungsform eine ionische Flüssigkeit mit einem organischen Kation, ausgewählt aus der Gruppe, die Tetraalkylammonium-, Pyridinium-, Pyrazolium-, Pyrollium-, Pyrrolinium-, Piperidinium-, Pyrrolidinium-, Imidazolium- und Sulfoniumverbindungen umfasst. Von diesen organischen Kationen sind insbesondere die Pyrrolidinium-, die

Imidazolium- und die Alkylsulfoniumverbindungen bevorzugt. Des weiteren bevorzugt sind Tetraalkylammoniumverbindungen, 1 ,1-Dialkylpyrrolidinium-Verbindungen oder 1 ,2,3-Thalkylimidazolium-Verbindungen. Wie im Falle der oben beschriebenen Anionen können auch hier ionische Flüssigkeitsgemische mit jeweils gleichem Anion, jedoch mit unterschiedlichen Kationen verwendet werden.

Denkbar sind auch erfindungsgemäße Elektrolytzubereitungen, bei denen ionische Flüssigkeitengemische verwendet werden, die aus verschiedenen Kationen und verschiedenen Anionen zusammengesetzt sind.

Im Falle der oben genannten Alkylgruppen-haltigen Kationen sind die Alkylreste unabhängig voneinander vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: a) aliphatischen geradkettigen oder verzweigten Kohlenwasserstoffresten, mit 1 -20 Kohlenstoffatomen, die in der Kohlenstoffkette zusätzlich Heteroatome, ausgewählt aus N, S und O, sowie Unsättigungen in Form von einer oder mehrerer Doppel- oder Dreifachbindungen und gegebenenfalls eine oder mehrere funktionelle Gruppen, die ausgewählt sind aus Amino-, Carboxyl-, Acyl-, Hydroxylgruppen, aufweisen können; oder b) cycloaliphatischen Kohlenwasserstoffresten mit 3 bis 20 Kohlenstoffatomen, wobei die cyclischen Reste Ring-Heteroatome, ausgewählt aus N, S und O, sowie Unsättigungen, in Form von einer oder mehrerer Doppel- oder Dreifachbindungen und gegebenenfalls eine oder mehrere funktionelle Gruppen, die ausgewählt sind aus Amino-, Carboxyl-, Acyl-, Hydroxylgruppen, aufweisen können.

Organische Lösemittel weisen häufig ein hohes Lösevermögen für Lithiumleitsalze auf und werden aus diesem Grunde schon seit Jahren in IL-freien Elektrolyten eingesetzt. Unverdünnte ionische Flüssigkeiten sind in den meisten Fällen nur bedingt geeignet für den Einsatz als Elektrolyt. So sind die Viskositäten relativ hoch, was in der Regel eine geringe Grundleitfähigkeit bedingte und zusätzlich die Befüllung der Batterien oder Kondensatoren erschwert. Ursache dafür ist die Bildung von großen lonen-Clustern in den reinen ionischen Flüssigkeiten. Durch Verdünnung mit einem polaren Lösemittel werden diese lonenpakete aufgebrochen. Dabei entstehen mehr Ionen mit einer

kleineren Masse und somit einer höheren Mobilität. Die durch die Zugabe erreichte niedrigere Viskosität erhöht die Mobilität und somit die Leitfähigkeit zusätzlich. Bei einer weiteren Zugabe werden immer mehr lonen-Cluster aufgebrochen bis ein Maximum an Leitfähigkeit erreicht wird. Weitere Zugabe führt zur Verdünnung und somit zu einer Abnahme der Leitfähigkeit. Ionische Flüssigkeiten verhalten sich also wie schwache Elektrolyte; der Dissoziationsgrad α wäre ein Maß für die Größe der lonenpakete.

Abbildung 1 zeigt eine typische Kurve für dieses Verhalten, hier die Verdünnung von [EMIM][Diethylphosphat] mit Ethanol. Durch Zugabe eines Lösemittels ist in diesem Fall eine Verbesserung der Leitfähigkeit um einen Faktor von etwa 15 zu beobachten.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das aprotische dipolare Lösungsmittel der Elektrolytzubereitung, ausgewählt aus der Gruppe, die Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Dimethylsulfoxid, Aceton, Acetonitril, Dimethylformamid, gamma-Butyrolacton, Dimethoxyethan, Tetrahydrofuran, ein Dialkylcarbonat oder ein Carbonsäureester, umfasst.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Gemische aus mindestens zwei Lösemitteln verwendet. Dabei sollte eine Komponente sehr polar sein, vorzugsweise mit einer Dielektrizitätskonstante >20, wodurch die Bildung kleiner lonenpakete gefördert wird. Typische Beispiele für sehr polare Lösungsmittel sind Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylformamid, Acetonitril oder gamma- Butyrolacton. Als weiteres Lösungsmittel des Lösungsmittelgemisches wird dann ein sehr niedrig viskoses Lösungsmittel zugesetzt, vorzugsweise mit einer Viskosität von <0,8 nnPa-s bei Raumtemperatur, um durch Erniedrigung der Viskosität eine weitere

Erhöhung der Leitfähigkeit zu erreichen. Geeignete Niedrigviskoslösungsmittel sind zum Beispiel Ether wie Dimethoxyethan (DME) und Tetrahydrofuran (THF), aber auch Carbonsäureester und Dialkylcarbonate, insbesondere Dimethylcarbonat (DMC).

Eine besonders bevorzugte Lösungsmittelmischung besteht aus Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat, vorzugsweise in einem Verhältnis von 50-100 : 50-0, bevorzugt, 60-

95 : 40-5, bevorzugter 70-90 : 30-10, am meisten bevorzugt 75-85 : 25-15, zum Beispiel 80:20.

Bezüglich der Menge des in der erfindungsgemäßen Zubereitung enthaltenen Lösungsmittels ist zu beachten, dass ein höherer Lösungsmittelanteil im Vergleich zum Anteil der ionischen Flüssigkeit Kostenvorteile bringt, da die ionischen Flüssigkeiten in der Regel viel teurer sind als Lösungsmittel. Darüber hinaus verbessert sich, wie oben gezeigt, die Performance der Elektrolytzubereitung mit steigendem Lösungsmittelanteil bis zu einem gewissen Grad, wobei oberhalb eines Grenzwertes die Performance bezüglich der Leitfähigkeit der Zubereitung bei weiterer Lösungsmittelzugabe wieder abnimmt. Mit steigendem Lösungsmittelanteil können weitere Nachteile hinzukommen, so kann etwa die Toxizität der Zubereitung oder deren Entflammbarkeit zunehmen, sofern brennbare oder toxische Lösungsmittel verwendet werden. Es hat sich für die erfindungsgemäßen Elektrolytzubereitungen gezeigt, dass eine Lösungsmittelmenge von 20 - 60 Vol-%, vorzugsweise 25 - 55 VoI .-% bevorzugter 30 - 50 Vol.-%, den besten Kompromiss aus möglichst hoher Leitfähigkeit, Wirtschaftlichkeit, niedriger Viskosität, geringer Entflammbarkeit und Toxizität darstellt.

Die erfindungsgemäßen Elektrolytzubereitungen können zur Verbesserung der Performance gegebenenfalls Additive enthalten. Unter Additiven werden hier Zusätze verstanden, welche in relativ kleinen Mengen, üblicherweise bis 5 Gew.-% der Zubereitung zugesetzt werden. Da Lösungsmittel teilweise mit einem wesentlich höheren Anteil eingesetzt werden, fallen diese nicht in die Kategorie der Additive.

Zum Beispiel ist beim Einsatz von Grafitelektroden bekannt, dass diese bei der reversiblen Einlagerung von Lithiumkationen nach mehreren Zyklen immer mehr Schichten verlieren und damit die Lebensdauer dieser Grafitelektroden stark reduziert ist. Ein Grund dieser Zerstörung des Grafits ist die Miteinlagerung von u.a. Lösemittelmolekülen. Diese werden bei den Lade-Entladezyklen in der Elektrode elektrochemisch zersetzt, wodurch die Struktur des Grafits zerstört wird. Verschiedene Additive können durch Bildung einer Schutzschicht auf der Elektrode diese

Einlagerungen verhindern. Solange die kleinen Lithiumionen noch durch diese Schicht wandern können, kann die Elektrode weiterhin ihre Funktion erfüllen. Typischerweise werden ungesättigte oder cyclische Verbindungen eingesetzt, da diese eine Polymerschicht bilden können. Beispiele solcher Additivverbindungen sind Acrylnitril, Ethylensulfit oder Vinylencarbonat. Sehr gute Ergebnisse werden zum Beispiel von Zugabe von 2-15 Vol. -%, z.B. 5 Vol.-% Vinylencarbonat erzielt.

Wie aus den vorherigen Erläuterungen ersichtlich wird, können einige Verbindungen in der erfindungsgemäßen Elektrolytzubereitung eine Doppelfunktion ausüben. So kann das bei den Lösemitteln beschriebene Ethylencarbonat auch positive Wirkung im Sinne eines hier beschriebenen Additivs entfalten, während andererseits das bei den Additiven beschriebene Vinylencarbonat auch Lösungsmitteleigenschaften aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Elektrolytzubereitung also zusätzlich ein Additiv mit einer polymerisationsfähigen, funktionellen Gruppe. Dabei wird das Additiv vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, die Acrylnitril, Ethylensulfit, Propansulton, ein organisches Carbonat, vorzugsweise Ethylencarbonat, Vinylencarbonat, Vinylethylencarbonat oder Fluorethylencarbonat, und Sulfonate, umfasst. Auch Mischungen der zuvor genannten Additive können in der erfindungsgemäßen Zubereitung enthalten sein.

Die Menge des Lösungsmittels und gegebenenfalls Additivs wird in der erfindungsgemäßen Zubereitung vorzugsweise so gewählt, dass die Zubereitung einen Flammpunkt von über 150 ⁰ C, vorzugsweise über 180 ⁰ C und bevorzugter über 200 ⁰ C aufweist.

In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Elektrolytzubereitung enthält diese zusätzlich ein oder mehrere Leitsalze. In den erfindungsgemäßen Elektrolytzubereitungen werden bevorzugt Leitsalze verwendet, welche ausgewählt sind aus der Gruppe, die Lithiumbisborooxalat (LiBOB), LiTFSI, LiCIO ₄ , LiBF ₄ , Li-Triflat und LiPF ₆ umfasst.

Die Leitsalze werden dabei üblicherweise im Konzentrationsbereich von 0,1 bis 1 ,5 mol/l, bevorzugt 0,3 bis 1 ,2 mol/l und bevorzugter 0,5 bis 1 mol/l verwendet.

Für bestimmte Anwendungen braucht ein Leitsalz nicht unbedingt in der erfindungsgemäßen Elektrolytzubereitung vorhanden sein. So hat sich gezeigt, dass im Falle von Doppelschichtkondensatoren (electrolytic double layer condensator, EDLC) Leitsalze nicht notwendig sind. überraschenderweise wurde nämlich gefunden, dass bei der Zugabe von Leitsalz im Falle alkoxysubstituierter Pyrrolidinium-ILs eine erheblich stärkere Absenkung der Leitfähigkeit stattfindet, als dies im Falle der reinen alkylsubstituierten Verbindungen der Fall ist. Da jedoch die alkoxysubstituierten

Pyrrolidinium-ILs eine hohe Anfangsleitfähigkeit ohne Leitsalz aufweisen im Vergleich zu z.B. alkylsubstituierter Pyrrolidinium-ILs, sind die ILs mit alkoxysubstituierten Kationen von Vorteil bei Anwendungen in denen auf den Einsatz von Leitsalz verzichtet werden soll bzw. kann, z.B. im Falle von Doppelschichtkondensatoren.

In einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolytzubereitung ist daher die ionische Flüssigkeit eine 1 -Alkoxyalkyl-1-Alkylpyrrolidinium-Verbindung, vorzugsweise mit TFSI oder FSI als Anion, wobei die Zubereitung kein Leitsalz enthält.

Des Weiteren hat sich gezeigt, dass die Löslichkeit von Leitsalzen, insbesondere die von LiBOB und Li-Triflat in den jeweiligen ionischen Flüssigkeiten sehr unterschiedlich ist. Insbesondere in den Triflat-Verbindungen, z.B. in dem Pyrrolidimniumtriflat [Pyi ₄ ][OTf], zeigen LiBOB, LiTFSI und Li-Triflat gute Löslichkeiten, während sich LiBOB, LiTFSI und Li-Triflat in den TFSI-basierten ionischen Flüssigkeiten nicht in signifikanter Menge lösen.

In einer weiteren besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolytzubereitung ist die ionische Flüssigkeit daher eine Triflat-Verbindung, vorzugsweise ein 1 ,1-Dialkylpyrrolidiniumthflat, und das in der Zubereitung verwendete Leitsalz ist LiBOB, LiTFSI oder Li-Triflat.

Im folgenden werden die Ergebnisse umfangreicher Untersuchungen beschrieben, bei denen insbesondere der Einfluss der Anionen und der Kationen der ionischen Flüssigkeit in der Elektrolytzubereitung, der Einfluss des Lösungsmittels, der Lösungsmittelmenge, sowie der Einfluss der Menge und Typs des verwendeten Leitsalzes untersucht wurde.

1. Untersuchte ionische Flüssigkeiten

Zunächst werden die 7 in Tabelle 1 aufgeführten ILs als Reinstoffe hinischtlich ihrer elektrochemischen Stabilität und ihrer Viskosität charakterisiert. Anschließend wird die änderung der Viskosität durch die Zugabe von verschiedenen Lösemitteln und Leitsalzen bestimmt. Die bestmögliche Kombination bestehend aus ionischer Flüssigkeit, Li-SaIz, organisches Lösemittel und Additiv wird so ermittelt.

Tabelle 1 : untersuchte ILs mit Literaturwerten

IL Struktur Cond. [ms/cm]

[ET3S][TFSI] [ N(SO ₂ CF ₃ J ₂ ] 6.9

P ₊

Et^Et

[Pyi ₄ ][TFSi] N(SO ₂ CF ₃ );, 2.6

[Pyi ₄ ][OTf] CF,SO, n.b.

[BMIM][OTf] [CF ₃ SO ₃ ] ^" 2.9

[EdiMIM][TFSI] N(SO ₂ CF ₃ J ₂ 3.7

[EMIM][TFSI] N(SO ₂ CF ₃ J ₂ ] 8.6

-N^N^

[EMIM][BF ₄ ] BF, 14.1

- N M^ _N .

Aufgrund der hohen elektrochemischen Stabilitäten von Pyrrolidinium-basierten ILs scheint [Py14][TFSI] eine vielversprechende IL für die zu untersuchende Applikation zu sein. Allerdings zeigen die vergleichbaren Imidazolium- und Sulfonium-ILs weitaus höhere Leitfähigkeiten. Falls die noch zu untersuchende Stabilität des Sulfonium bzw. des in C2-Position geschützten Imidazols über der des [EMIM]-Kations liegt, wären diese Systeme für die weiteren Anwendungsuntersuchungen zu bevorzugen. Bis dahin sollte das in der Literatur sehr gut untersuchte System [EMIM][TFSI] als Bezugspunkt dienen.

2. Charakterisierung der ILs

Basierend auf der getroffenen Auswahl, die in der Tabelle 1 wiedergegeben sind, wurden diese nach ihren Eigenschaften bewertet. Aufgrund der literaturbekannten hohen elektrochemischen Stabilitäten der zyklischen Ammoniumverbindungen und insbesondere Pyrrolidinium basierten ILs sollten diese bevorzugt betrachtet werden. Zur Verifizierung der getroffenen Annahme wurde ein Basisdatensatz an physikochemischen Daten bestimmt. Hierzu wurden die sogenannten Katalogqualitäten weiter aufgereinigt, so dass diese in hochreiner Qualität, wie sie in Tabelle 2 wiedergegeben sind, für die Messungen zur Verfügung stehen. Bis auf [EMIM][BF ₄ ] können alle Produkte in hervorragender Reinheit bereitgestellt werden. [EMIM][BF ₄ ] kann nicht weiter getrocknet werden ohne eine weitere Erhöhung des Fluoridwertes, aufgrund der thermischen Instabilität des BF ₄ -Anions in Gegenwart von Wasserspuren, zu akzeptieren. Die Verbindung wurde bis zu einem Karl-Fischer-Wert von 414 ppm getrocknet und enthält dann 1067 ppm freies Fluorid. Dieses stellt einen technisch machbaren Kompromiss dar. Alle anderen 6 Verbindungen enthalten neben Resten an freiem Amin nicht mehr als max. 50 ppm an kumulierten Nebenkomponenten wie Wasser und Gesamthalogenid, einschließlich Fluorid.

Tabelle 2: Reinheiten der untersuchten ILs

Ein "-" in Tabelle 2 kennzeichnet einen Wert unterhalb der Nachweisgrenze von 5 ppm.

In der Literatur werden die Reinheiten oft nicht eindeutig ausgewiesen, obwohl Verunreinigungen eine Ursache für verminderte elektrochemische Stabilitäten, veränderten Leitfähigkeiten, etc. sein können. Anders als bei vielen literaturbekannten Werten sind vorliegend die gemessenen und angegebenen physiko-chemischen Daten mit den entsprechenden Reinheiten korreliert.

3. Physiko-chemische Werte der ILs

Die in Abbildung 2 und 3 gezeigten Cyclovoltamnnogrannnne zeigen die elektrochemische Stabilität. Diese wurden mit einem Potentiostat der Firma METROHM mit der Elektrodenkonfiguration Pt gegen AI mit der Referenzelektrode Ag/AgCI gemessen. Aus der Literatur war bekannt, dass das Pyrrolidinium-Kation mit zu den elektrochemisch stabilsten zählt. N,N-Butyl-methylpyrrolidinium bis(thfluormethansulfonyl)imid ([Py14][TFSI]) und N,N-Butyl-methylpyrrolidinium trifluormethansulfonat ([Py14][OTf]) weisen mit 6,0 V die größten elektrochemischen Fenster der untersuchten ILs auf. Der geringe Unterschied der elektrochemischen Fenster der beiden Pyrrolidinium-Verbindungen ist auf das Anodenpotential der jeweiligen Anionen zurückzuführen. Gegenüber den bereits sehr gut charakterisierten EMIM-Kationen zeigt das in C-2-Position geschützte EDiMIM eine weitaus höhere Stabilität im kathodischen Bereich. Das Fenster beträgt insgesamt 4,9 V gegenüber 4,8 V des [EMIM][TFSI]. Durch Verlängern der Alkylkette am Imidazol kann auch eine leicht höhere Stabilität erreicht werden. Nachteil des Einbringens von weiteren Substituenten bzw. längeren Substituenten ist die Erhöhung der Viskosität und damit auch die Erniedrigung der Leitfähigkeit. Das Thethylsulfonium bis(thfluormethansulfonyl)imid ([ET3S][TFSI] weist ein elektrochemisches Fenster von 5,0 V auf und ist daher stabiler als die zweifach substituierten Imidazole, erreicht aber nicht die Stabilitäten der Ammoniumverbindungen.

Abbildung 2 zeigt die Cyclovoltamogramme von [Py14][TFSI], [Py14][OTf] und [EMIM][BF ₄ ].

Abbildung 3 zeigt die Cyclovoltamogramme von [EMIM][TFSI], [Et3S][TFSI] und [EDiMIM][TFSI].

Die kleinsten elektrochemischen Fenster besitzen die zweifach substituierten Imidazolium-Kationen. Aufgrund der recht hohen Wasserwerte fällt [EMIM][BF ₄ ] gegenüber [EMIM][TFSI] im kathodischen Bereich ab und ist in der Qualität nicht als

Elektrolytmaterial geeignet. Daher wird im folgenden nicht weiter auf diese IL eingegangen. Das literaturbekannte und mit am besten für Li-Ionen-Battehen untersuchte [EMIM][TFSI] besitzt ein Fenster von 4,8 V. Legt man nur die elektrochemische Stabilität als Entscheidungskriterium zu Grunde, so sollten Elektrolyte bevorzugt aus zyklischen Ammoniumverbindungen bestehen. Für einen optimalen Elektrolyten ist aber neben der Stabilität eine möglichst hohe Leitfähigkeit von Bedeutung.

Der Vergleich der gemessenen Viskositäten ist in den Abbildungen 4 und 5 aufgetragen. Durch den Zusatz von niedrig-viskosen Lösungsmitteln kann die

Leitfähigkeit unter Umständen erhöht werden. Vom Trend her ist zu erkennen, dass die elektrochemisch stabileren Systeme Pyrrolidinium und dreifach substituierte

Imidazolium-Kationen die niedrigsten Leitfähigkeiten und entsprechend höchsten

Viskositäten aufweisen.

Abbildung 4 zeigt den Vergleich der Viskositäten im Temperaturbereich von -10 bis

80 ⁰ C. Siehe auch "Tabelle zu Abbildung 4" im Anhang.

Abbildung 5 zeigt den Vergleich der Viskosität im Temperaturbereich von -10 bis 80 ⁰ C. Siehe auch "Tabelle zu Abbildung 5" im Anhang.

Die IL [ET3S][TFSI] besitzt eine niedrige Viskosität und eine hohe Leitfähigkeit von 6.02 mS/cm, welches aus den ausgewählten Systemen die dritthöchste darstellt und dabei mit zu den elektrochemisch stabilsten zählt. Daher wird [ET3S][TFSI] neben [Pyi ₄ ][TFSI] im folgenden in den Elektrolytformulierungen bevorzugt betrachtet.

Die höchsten Leitfähigkeiten können mit den disubstituierten Imidazoliumkationen bei vergleichbarer Viskosität wie die Sulfoniumverbindungen von 8.17 mS/cm bzw. 9.28 mS/cm erreicht werden. Diese erreichen aber nicht wie vorhergehend ausgeführt die notwendigen elektrochemischen Fenster. In Tabelle 3 sind die physiko-chemischen Werte der ausgewählten reinen ILs zusammenfassend wiedergegeben.

Aus dieser wird deutlich, dass es von Interesse wäre, die Viskosität der elektrochemisch stabilen Pyrrolidinium- bzw. der dreifach substituierten Imidazoliumverbindungen durch synthetische Modifikation am Kation zu neuartigen ILs zu erniedrigen und somit das Eigenschaftsprofil weiter entscheidend zu verbessern.

Tabelle 3: Untersuchte ILs

4. Neuartige ionische Kationenstrukturen

Basierend auf den umfassenden Untersuchungen wird deutlich, dass hinsichtlich der elektrochemischen Stabilität des Kations Ammonium, Sulfonium, Phosphonium gegenüber den aromatischen Imidazolium und Pyridinium zu bevorzugen ist. Unter

Berücksichtigung der physiko-chemischen Eigenschaften, insbesondere der Viskosität und der direkt voneinander abhängigen Leitfähigkeit, scheiden Phosphonium- Verbindungen aus. Daher bauen die modifizierten Strukturen auf Pyrrolidinium, Imidazolium und Sulfonium auf.

Durch das Einbringen von Alkoxyalkyl-Substituenten am Kation kann eine viskositätserniedrigende Wirkung und damit eine Leitfähigkeitserhöhung beobachtet werden. So weist die Verbindung [Diethylmethyl-(2-methoxyethyl)ammonium][TFSI] Werte von ca. 140 mPa s, 4 mS/cm und ein elektrochemisches Fenster von 5,9 V auf. Modifiziert man die entsprechenden zyklischen aromatischen bzw. aliphatischen N- Verbindungen, so werden die in unten abgebildeten entsprechenden Alkoxy- substituierten IL-Kationen erhalten:

5. Synthese der Alkoxysubstituierten ILs

Durch Alkylierung der entsprechenden Aminverbindung mit 2-Methoxyethylchlorid können die entsprechend substituierten Immidazoliumverbindungen bzw.

Pyrrolidiniumverbindungen in moderaten bis sehr guten Ausbeuten erhalten werden. In der folgenden Abbildung sind die Ausbeuten wiedergegeben:

Ausbeute 40,6% Ausbeute 32,8% OMe

N— Cl - vOMe \ Cl Ausbeute 74,9%

Durch Anionentausch (siehe folgende Abbildung) können verschiedene ILs dargestellt werden. Um eine hochreine Verbindung für elektrochemsiche Anwendungen herzustellen, ist es unabdingbar, dass die erhaltene ionische Flüssigkeit mit Wasser zwei Phasen bildet, damit die sich bildende Salzfracht durch Extraktion auch im technischen Maßstab entfernt werden kann.

Neben den bereits beschriebenen elektrochemisch sehr interessanten Anionen Triflat (OTf) und TFSI wurde auch Nonafluorbutansulfonat (Nonaflat) eingeführt. Aus den drei unterschiedlichen Chloriden sollten somit neun neue ILs für weitere Charakterisierungen gebildet werden. Der Einfluß der Methoxygruppe bewirkte jedoch eine starke Hydrophilierung der Produkte, so dass die Triflate nur zum Teil in sehr

schlechten Ausbeuten von 10% zugänglich waren. Die Nonaflat-Verbindungen wurden mit 50% Verlust, bedingt durch die hohe Querlöslichkeit in die Wasserphase erhalten. Das hydrophobste Anion, TFSI, konnte mit guter Ausbeute von größer 73% in allen Fällen eingeführt werden. Alle erreichten Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengefasst.

Betrachtet man die Gesamtausbeute über die zweistufige Synthese, so wird deutlich, daß insbesondere die Synthese von [(MeOE)MePyyr][TFSI] derzeit technisch sinnvoll möglich ist. Es ist jedoch zu bedenken, dass die einzelnen Reaktionsschritte nicht optimiert wurden und durch geschickte Reaktionsführung bessere Ergebnisse erzielt werden können. Daher wurden alle in ausreichender Menge -bis auf die Triflate- erhaltenen Substanzen physiko-chemisch charakterisiert.

Tabelle 4: Ausbeute der Synthese der Alkoxysubstituierten ILs

[(MeOE)MIM][Nonaflat] Q 47,2 19,2

C ₄ F ₉ SO ₃

/=\

Me

[(MeOE)MIM][TFSI] 76,5 31 ,1 f=\ TFSI

Me ^s/ ^ ^' OMe

[(MeOE)DiMIM][OTf] O 2,5 0,8 f=\ OTf

Me

[(MeOE)DiMIM][Nonaflat] θ 71 ,8 23,6

C ₄ F ₉ SO ₃

/=\

Me ^s/ ^ ^' OMe

[(MeOE)DiMIM][TFSI] TFSI 73,4 24,1

Me

6. Physiko-chemische Werte der Alkoxysubstituierten ILs

Die Alkoxy-substituierten ILs aus Abschnitt 5 wurden auf ihre Viskosität, Leitfähigkeit und elektrochemische Stabilität hin untersucht. Auf die Messung der Triflate wurde aufgrund der zu geringen Ausbeuten verzichtet. Ebenso wurden [(MeOE)MePyrr][Nonaflat] und [(MeOE)MIM][Nonaflat] nicht untersucht, da diese bei Raumtemperatur fest vorlagen und entsprechend hohe Viskositäten und niedrige Leitfähigkeiten zu erwarten sind, so dass diese für die Anwendung als Elektrolyt nicht geeignet sind.

In Abbildung 6 sind die gemessenen Viskositäten von Alkoxysubstituierten ILs und Py14TFSI im Temperaturbereich -10 ⁰ C bis 80 ⁰ C dargestellt. Siehe auch "Tabelle zu Abbildung 6" im Anhang.

Durch das Einführen der Methoxyeinheit können erstaunlich niedrige Viskositäten für die jeweilige Grundstruktur erreicht werden. So besitzen [(MeOE)MPyTr][TFSI] und [(MeOE)MIM][TFSI] eine Viskosität von 58,3 rnPa-s bzw. 48,2 mPa s, welche für reine ionische Flüssigkeiten bereits sehr niedrige Viskositäten sind. Einer der bekanntesten niedrig-viskosen ILs ist [EMIM][TFSI] welches mit 44,9 rnPa-s im selben Bereich liegt. Im Vergleich zum Butylsubstituenten konnten die Viskositäten halbiert bzw. um ein Viertel erniedrigt werden.

Neben der niedrigen Viskosität und damit verbundenen hohen intrinsischen Leitfähigkeit ist die elektrochemische Stabilität für die Anwendung bedeutsam. Die in Abbildung 7 dargestellen Cyclovoltammogramme verdeutlichen, dass die Methoxyethyl- substituierten Pyrrolidinium-Verbindungen in Analogie zu den Alkyl-substituierten die elektrochemisch stabilsten sind.

Abbildung 7 zeigt Cyclovoltamogramme der Alkoxy-substituierten ILs.

So weist [(MeOE)MPyrr][TFSI] ein Fenster von 5,9 V auf. Die aus der Messung suggerierte erhöhte Stabilität von [(MeOE)MPyrr][Nonaflat] könnte durch Verzögerungen bedingt durch die erhöhte Viskosität erklärt werden. Etwas geringe Stabilitäten weisen wiederum die 1 ,2,3-Thalkyl-limidazolium-Kationen auf, diese sind aber etwas stabiler als die in C-2-Position nicht geschützten Imidazolium-Kationen. Von der elektrochemischen Stabilität sind die Alkoxy-substituierten ILs vergleichbar mit den alkylsubstituierten Analogen.

Daher sind die zyklischen Ammoniumsysteme, die Pyrrolidiniumverbindungen, insbesondere die Alkoxypyrrolidiniumverbinungen, unter Berücksichtigung der niedrigen Viskositäten, welches hohe Leitfähigkeiten bedingt, im besonderen Maße für die Anwendung als Elektrolytmaterial geeignet.

7. Ionische Flüssigkeit versetzt mit Leitsalz

Ausgehend von [Pyi ₄ ][TFSI], das in elektrochemischen Reinheiten von größer 99% verfügbar ist, wurde dieses mit LiPF ₆ , LiTFSI, LiBF ₄ , LiOTf und LiBOB versetzt. Als zweites System wurde die bislang wenig charakterisierte Verbindung [Et3S][TFSI] ausgewählt. Es wurde eine Konzentration von 0,75 Mol/l bezogen auf die ionische Flüssigkeit eingestellt und die Leitfähigkeit der Lösung mittels der Leitfähigkeitselektrode Glas-Platin, der Firma METTLER-TOLEDO (Typ 980- K197120/1 m/2x-27.4) gemessen. Es zeigte sich, daß die Leitsalze in der Konzentration von 0,75 Mol/l alle schlecht löslich in [Pyi ₄ ][TFSI] waren, so dass nur für das bestlösliche Leitsalz LiTFSI in dieser Konzentration Formulierungen angesetzt und vermessen wurden.

Für alle Leitsalze wurde daraufhin mit der Konzentration von 0,5 Mol/l gearbeitet. In [Pyi ₄ ][TFSI] löst sich selbst über 24h in gerührtem System LiBOB gar nicht und setzt sich vollständig als Bodensatz ab. LiBF ₄ ist ebenso wie LiPF ₆ schwerlöslich. Neben dem gut löslichen LiTFSI konnte LiOTf als Suspension eingesetzt werden, das ab einem Zusatz von 6 Gew.-% Dimethoxyethan bzw. 14 Gew.-% gamma-Butyrolacton als klare Formulierung vorliegt.

Der Vergleich der für die Formulierung [Pyi ₄ ][TFSI]/LiTFSI angesetzten Konzentration von 0,75 und 0,5 Mol/l zeigt, das der Unterschied der Leitfähigkeit beobachtbar ist, aber nicht signifikant ausfällt. Es zeigt sich, dass mit Mischungen der reinen ionischen Flüssigkeit versetzt mit gamma-Butyrolacton bzw. DMSO höhere Leitfähigkeiten erreicht werden, als die mit Leitsalz angesetzten Formulierungen bedingt durch den Viskositätserhöhenden Effekt. Der Vergleich der analogen Formulierung mit 0,5 gegenüber 0,75 Mol/l LiTFSI zeigt, dass die 0,5 molare Leitsalzformulierung im Trend 0,3 bis 0,4 mS/cm gegenüber der 0,75 molaren Formulierung leitfähiger ist. So weist das System [Py ₁₄ ]|TFSI]/0.5 molar LiTFSI gegenüber [Pyi ₄ ][TFSI]/0.75 molar LiTFSI bei Zugabe von 8 ml gamma-Butyrolacton Leitfähigkeiten von 12,54 bzw. 12,16 mS/cm auf.

Abbildung 8 zeigt den Vergleich der Leitsalzkonzentration 0.5 zu 0.75 Molar. Siehe auch "Tabelle zu Abbildung 8" im Anhang.

Daher wurden für die anderen ausgewählten ILs Mischungsreihen mit 0,5 M Lösungen der Li-Leitsalze angefertigt und überprüft, welche Leitsalze für die jeweilige IL am besten geeignet sind. In Abbildung 8 sind die Gemische abgebildet. Im einzelnen werden die im weiteren Verlauf neben dem [Pyi ₄ ][TFSI] verwendeten Systeme diskutiert, die weiteren Systeme sind der Vollständigkeit halber mit aufgeführt.

In [Et ₃ S][TFSI] löst sich LiTFSI vollständig hingegen LiBF ₄ , LiOTf und LiPF ₆ nur teilweise, LiBOB bildet einen schwerlöslichen Bodensatz.

Entgegen dem [Pyi ₄ ][TFSI] lösen sich in [Pyi ₄ ][OTf] nur durch den Austausch des Anions überraschend viele Leitsalze. Es ist die einzige IL in dieser Untersuchungsreihe in der sich LiBOB vollständig löst. LiTFSI, LiBOB und LiOTf bilden in 0,5 M

Konzentration klare Lösungen und LiPF ₆ sowie LiBF ₄ liegen teilweise gelöst vor. Aufgrund der hervorragenden Lösungseigenschaften des [Pyi ₄ ][OTf] ist diese Verbindung als reine Elektrolytlösung oder als Lösungsvermittler für die Leitsalze in anderen Elektrolyten von großem Interesse.

In [(MeOE)MPyrr][TFSI] löst sich neben LiTFSI nur LiBF ₄ vollständig. LiPF ₆ und LiOTf sind teilweise gelöst und LiBOB fällt wiederum als Feststoff an. Leider war [(MeOE)M Pyrr] [OTf] nicht in ausreichender Menge zugänglich, um den Anioneneffekt im Vergleich zu den Alkylpyrrolidiniumverbindungen in gleicherweise zu betrachten. Es ist jedoch offensichtlich das sich [(MeOE)M Pyrr] [TFS I] vergleichbar in seinen Lösungseigenschaften zu [Pyi ₄ ][TFSI] verhält.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die ionische Flüssigkeit daher [Pyi ₄ ][TFSI] oder [(MeOE)MPyrr][TFSI], und die Zubereitung enthält LiTFSI oder LiOTf als Leitsalz, wobei bevorzugt LiTFSI als Leitsalz in einer Konzentration von weniger als

0,75 mol/l, bevorzugt weniger als 0,7 mol/l, besonders bevorzugt weniger als 0,6 mol/l, bezogen auf die ionische Flüssigkeit enthalten ist.

8. Elektrolyte auf Basis von [Py _u ][TFSI]

Es wurde reines [Pyi ₄ ][TFSI] sowie mit 0,5 molar LiTFSI und LiOTf angesetzt und mit unterschiedlichen Gehalten an polaren Lösungsmitteln, von 0 bis 13,5 ml Zugabe, versetzt. Als polare Lösungsmittel wurden gamma-Butyrolacton (GBL), DMSO, Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC), Dimethoxyethan (DME) und Diethylenglycoldiethylether (E(EG)2E) eingesetzt. Diese Lösungen wurden auf ihre Leitfähigkeit hin überprüft. Die erhaltenen Ergebnisse der reinen ILs versetzt mit Lösemitteln sind in der Abbildung 9 wiedergegeben.

Abbildung 9 zeigt die Leitfähigkeiten von [Pyi ₄ ][TFSI]-Formulierungen. Siehe auch "Tabelle zu Abbildung 9" im Anhang.

Die Verwendung von Diethylenglycoldiethylether (dies ist vor allem als niedrigviskoses und nicht-giftiges Lösemittel mit hohem Flammpunkt interessant) führt zur signifikant schlechteren Leitfähigkeit bereits der reinen IL, so dass der Einsatz in weiteren Formulierungen als nicht sinnvoll erachtet werden kann. Reines DMC weist eine starke Leitfähigkeitserhöhung auf. So wird bei einem equivalenten Volumenverhältnis bereits die maximale Leitfähigkeit von 13,5 mS/cm erreicht. Das erreichte Maximum fällt gegenüber den anderen Lösungsmitteln jedoch rasch ab, so dass schnell der Verdünnungbereich erreicht wird, bevor alle lonenpakete aufgebrochen sind. Ursache könnte eine zu geringe Polarität des Lösungsmittels sein, so dass der Viskositätseffekt überwiegt. Der überwiegende Teil der untersuchten polaren Lösungsmittel erreicht ab einem Volumenverhältnis von 1 zu 1 ,2 bis 1 zu 1 ,6 den Plateauwert der Leitfähigkeit. Dieser bleibt bis zu einem Verhältnis von 1 zu 2 konstant, bevor durch den Verdünnungseffekt die Leitfähigkeit abnimmt.

Je nach Polarität des eingesetzten Lösungsmittels werden die lonenpakete unterschiedlich stark aufgebrochen, so dass die Leitfähigkeitserhöhung stärker ausgeprägt sein kann. In Abbildung 10 sind die leitfähigsten Kombinationen mit LiTFSI- SaIz wiedergegeben.

Abbildung 10 zeigt die Leitfähigkeiten von [Pyi ₄ ][TFSI]/LiTFSI-Formulierungen. Siehe auch "Tabelle zu Abbildung 10" im Anhang.

überraschenderweise zeigt die Kombination von [Pyi ₄ ][TFSI]/LiTFSI mit DME die höchste Leitfähigkeitserhöhung um den Faktor 13,5 auf 15,09 mS/cm obwohl die

Polarität von DME niedriger als die von allen anderen untersuchten Lösemitteln ist.

Auch der lang anhaltende Plateauwert bestätigt dies. Reines [Pyi ₄ ][TFSI] verhält sich mit DME analog. Nur aufgrund der niedrigeren Anfangsviskosität wird rascher der

Maximalwert von 15,66 mS/cm (Faktor 6,4) erreicht.

Mit der Kombination EC/DMC (70:30 v/v) können Leitfähigkeiten von 14,18 mS/cm erreicht werden. Gegenüber den beiden erstgenannten fallen gamma-Butyrolacton mit

12,54 mS/cm und DMSO mit 11 ,91 bereits deutlich ab.

Im Hinblick auf die mögliche Brennbarkeit des Elektrolyten, wäre es wünschenswert wenn dieser nicht mehr als 30 % organisches Lösemittel enthielte. Um maximale Leitfähigkeitswerte zu erreichen, enthalten aber alle untersuchten [Pyi ₄ ][TFSI]/LiTFSI- Formulierungen 50 bis 60 % Lösemittel. Nimmt man die 30%-Marke als Lösemittelgrenzwert und betrachtet dort die Leitfähigkeiten, so ist der Unterschied zwischen den Formulierungen nicht so signifikant. DME bzw. EC/DMC (70:30 v/v) weisen identische Werte von 7,33 mS/cm und GBL 6,8 mS/cm auf. Bei 30 % Lösemittelzusatz wirkt sich die Ausgangsleitfähigkeit stärker aus, d.h. je höher die Ausgangsleitfähigkeit bzw. je niedriger die Viskosität der Formulierung ohne Lösemittelzusatz ist, desto höhere Leitfähigkeiten können im nicht idealen Bereich durch höhere lonenbeweglichkeit erreicht werden.

Neben den LiTFSI-Salzen wurden auch Suspensionen mit LiOTf untersucht. In Abbildung 11 sind die Leitfähigkeiten der Formulierung mit 0,5 molaren LiOTf-Lösungen mit DME und EC/DMC (70:30 v/v) sowie GBL wiedergegeben.

Abbildung 11 zeigt die Leitfähigkeiten von [Pyi ₄ ][TFSI]/LiOTf-Formulierungen. Siehe auch "Tabelle zu Abbildung 11 " im Anhang.

In Analogie zu den erhaltenen Ergebnissen mit LiTFSI ergibt sich für die Formulierung [Py _M ][TFSI]/LiOTf mit DME die höchsten Leitfähigkeit von 14,25 mS/cm. Mit EC/DMC (70:30 v/v) können nur deutlich geringere maximale Leitfähigkeiten von 12,62 mS/cm erhalten werden. Für GBL ist der Kurvenverlauf flacher und die Maximalwerte liegen mit 12,07 mS/cm weit unter denen von DME.

9. Elektrolyte auf Basis von [Pyu][OTf]

Obwohl [Pyi ₄ ][OTf] eine recht hohe Viskosität von 111 ,8 mPa s (20 ⁰ C) aufweist, wurde diese IL weiter untersucht, da es zum einen auf Basis einer wirtschaftlich interessanten Kostenstruktur darstellbar ist und zum anderen als einzige der untersuchten ILs eine hervorragende Löslichkeit für LiBOB aufweist. Die hohe Viskosität zeigt sich auch in der gemessenen Leitfähigkeit von 1.7 mS/cm ohne Lösemittelzusatz. Jedoch können durch die Zugabe von EC/DMC (70:30 v/v) erstaunlicherweise sogar um 1 ,5 mS/cm höhere Leitfähigkeiten als im System [Pyi ₄ ][TFSI]/EC/DMC (70:30 v/v) erreicht werden. Allerdings müssen dazu bis zu zwei äquivalente an EC/DMC (70:30 v/v) zugesetzt werden.

Abbildung 12 zeigt Leitfähigkeiten von [Pyi ₄ ][OTf]-Formulierungen im Vergleich zu [Py14][TFSI]-Formulierungen. Siehe auch "Tabelle zu Abbildung 12" im Anhang.

Mit Zusatz an LiBOB als Leitsalz verstärkt sich der Viskositätseffekt, jedoch können trotz niedriger Anfangsleitfähigkeit die Werte von [Pyi ₄ ][TFSI]/LiTFSI erreicht und sogar bei hohem Lösemittelanteil überschritten werden.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die ionische Flüssigkeit daher [Pyi ₄ ][OTf], wobei die Zubereitung mindestens 25 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 45 Vol.-% EC/DMC, vorzugsweise im Verhältnis im Bereich von 60-100 zu 40-0, als Lösungsmittel enthält.

10. Elektrolyte auf Basis von [(MeOE)MPy][TFSI]

Die Ausgangsleitfähigkeit der reinen IL [(MeOE)MPy][TFSI] beträgt 3,39 mS/cm und ist gegenüber der Alkylvariante [Py14][TFSI] um 1 mS/cm erhöht. In Abbildung 13 ist der Leitfähigkeitsverlauf bei Zugabe von EC/DMC (70:30 v/v) mit und ohne Leitsalzzugabe wiedergegeben.

Abbildung 13 zeigt die Leitfähigkeiten von [(MeOE)MPy][TFSI]-Formulierungen. Siehe auch "Tabelle zu Abbildung 13" im Anhang.

Erstaunlicherweise ist die Leitfähigkeitserniedrigung bei Zugabe von LiTFSI-Leitsalz im Falle von [(MeOE)MPy][TFSI] um 0,5 mS/cm ausgeprägter als bei [Pyi ₄ ][TFSI], so dass der erreichte Effekt durch die Viskositätserniedrigung in der Zubereitung mit Leitsalz nicht wie erwartet ausfällt. Der Verlauf der Leitfähigkeit entspricht dem der bereits in Abbildung 10 für die [Pyi ₄ ][TFSI]-Verbindung diskutierten. Die erreichten Werte sind jedoch um 0,5 mS/cm erhöht. Der Maximalwert wird bei 13,36 mS/cm erreicht. Es zeigt also, dass durch weitere Funktionalisierung der Seitenketten die Leitfähigkeit erhöht werden kann.

Aufgrund der Ergebnisse der Kapitel 8 bis 10 ist in besonderen Ausführungsformen der Erfindung ist die ionische Flüssigkeit eine Pyrrolidinium-Verbindung, vorzugsweise [Py _i4 ][TFSI] oder [(MeOE)MePyrr][TFSI], wobei die Zubereitung DMC, DME oder EC/DMC, vorzugsweise im Verhältnis im Bereich von 60-100 zu 40-0, als Lösungsmittel enthält.

11. Elektrolyte auf Basis von [Et ₃ S][TFSI]

[Et3S][TFSI] ist eines der, wie in den vorherigen Kapitel gezeigt, niedrigst-viskosen nicht protischen ILs. Die Ausgangsleitfähigkeit dieser Verbindung bei Zugabe von 0.5 M LiTFSI-Leitsalz beträgt 3,34 mS/cm und ist dreimal so hoch wie die der [Py14][TFSI] Verbindungen. Abbildung 14 verdeutlicht die Bedeutung einer hohen Ausgangsleitfähigkeit.

Abbildung 14 zeigt die Leitfähigkeiten von [Et ₃ S][TFSI]-Formulierungen. Siehe auch "Tabelle zu Abbildung 14" im Anhang.

Im Gemisch mit 0,5 M LiTFSI wird bei Zugabe von 7,5 ml EC/DMC (70:30 v/v) die höchste Leitfähigkeit aller im Rahmen dieses Projektes untersuchten Elektrolytlösungen von 16,04 mS/cm erreicht. Bereits bei 30 % Lösemittelzugabe welches dem 3 ml Wert entspricht, wird eine Leitfähigkeit von 12,77 mS/cm erhalten. Dies ist im Hinblick auf einen möglichst hohen Flammpunkt, der einen niedrigen Lösemittelanteil ermöglicht, von großer Bedeutung. Um die hohe Leitfähigkeit noch weiter zu verbessern, wurde das Verhältnis von EC zu DMC optimiert. Für die Polarität des Gemisches ist ein möglichst hoher EC-Anteil notwendig. Zuerst wurde der EC-Anteil auf 75 %erhöht, d.h. der DC- Anteil betrug 25 %. Es zeigte sich, dass ab einer Restkonzentration von kleiner 25 % DMC erste Kristallbildung des Leitsalzes im Elektrolyten zu beobachten war, so dass die Konzentration an EC nicht weiter erhöht wurde. Aus Abbildung 15 wird deutlich, daß die Zunahme an EC eine Verringerung der maximalen Leitfähigkeit gegenüber dem bereits in Abbildung 14 gezeigten System bewirkt. Erhöht man den DMC-Anteil, so erhöht sich auch die maximale Leitfähigkeit. Vorteil eines höheren EC-Anteils ist jedoch eine verringerte Entflammbarkeit, da DMC einen niedrigeren Flammpunkt aufweist als EC.

Die Varianz des Lösemittels hat aber nur geringe Auswirkungen auf die Leitfähigkeit solange im Bereich bis 30 %-Lösemittelanteil im Elektrolyten gearbeitet wird. Der

Unterschied beträgt bei 3 ml Lösemittelzugabe lediglich 0,4 mS/cm im Maximum und ist somit zu vernachlässigen.

Abbildung 15 zeigt die Optimierung des [Et ₃ S][TFSI]-Elektrolyten. Siehe auch "Tabelle zu Abbildung 15" im Anhang.

Für [Et ₃ S][TFSI] kann zusammenfassend festgestellt werden, dass bei nur geringer Lösemittelzugabe von EC/DMC im Verhältnis von idealerweise, zumindest hinsichtlich der Leitfähigkeit, 66:33 rasch hohe Leitfähigkeiten selbst bei Zugaben von nur 30 % erreicht werden können. Mit diesem Elektrolyten sind die maximalen Leitfähigkeiten aller untersuchten Elektrolytformulierungen erreichbar.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die ionische Flüssigkeit daher eine Sulfonium-, vorzugsweise eine Thalkylsulfoniumverbindung, besonders bevorzugt [Et ₃ S][TFSI], [Et ₃ S][OTf] oder [Et ₃ S][ FSI], wobei die Zubereitung DMC, DME oder

EC/DMC, vorzugsweise im Verhältnis im Bereich von 60-100 zu 40-0, als Lösungsmittel enthält.

In dieser Ausführungsform der Erfindung ist besonders bevorzugt, wenn die ionische Flüssigkeit [Et ₃ S][TFSI] ist, die Zubereitung EC/DMC, vorzugsweise im Verhältnis im Bereich von 60-100 zu 40-0, als Lösungsmittel und LiTFSI als Leitsalz in einer Konzentration von weniger als 0,75 mol/l, bevorzugt weniger als 0,7 mol/l, besonders bevorzugt 0,4 bis 0,6 mol/l, bezogen auf die ionische Flüssigkeit enthält.

12. Flammpunkte von IL-basierten Zubereitungen

Um Aussagen über die Entflammbarkeit der Zubereitungen zu machen wurden von den in Tabelle 5 gezeigten Zubereitungen der Flammpunkt bestimmt (Bestimmung gemäß DIN ISO 2592):

Tabelle 5: Flammpunkte ausgesuchter Elektrolyt-Zubereitungen.

Flammpunkt

(MeOE)MPyr TFSI (reine IL) 358 ⁰ C (MeOE)MPyr TFSI/EC = 70 : 30 v/v 174 ⁰ C

(MeOE)M Pyr TFSI/DMC_EC = 70 : 30

62 ⁰ C v/v (DMC/EC = 30:70 v/v)

13. Zusammenfassung und Ausblick

Ausgehend von einer umfassenden Literaturrecherche der primären und sekundären Literatur wurden die in Tabelle 6 dargestellten ILs als Elektrolyte für die Li-Ionen- Batterie untersucht.

Tabelle 6: Untersuchte ILs

Viskosität ElektroLeitfähig¬

IL Struktur Reinheit [mPa s], chemisches keit 20 ⁰ C Fenster [V] [mS/cm]

N(SO ₂ CFs) ₂

[ET3S][TFSI] > 98% 46,1 5.0 6.02

Et' i: Et

N(SO ₂ CF ₃ I ₂

[Pyi ₄ ][TFSI] O > 98% 1 11 ,8 6.0 2.47

[Pyi ₄ ][OTf] > 98% 240,4 6.0 1.65

[CF ₃ SO ₃ ] ^"

[BMIM][OTf] N "@S/'N. > 99% 123,1 5.0 2.62

[EcIiMIM][TFSI] > 99% 102,3 4.9 3.40

Diese ILs wurden hinsichtlich ihrer Reinheit optimiert und deren physiko-chemischen Kenndaten aus dem hochreinen Material (Wassergehalt kleiner 20ppm; Halogenidgehalt kleiner 50ppm sowie Assay größer 99%) ermittelt, die ebenfalls in Tabelle 6 angeben sind.

Aus den Ergebissen und der Korrelation mit der Literatur kann die folgende Reihenfolge der Anionen in Bezug auf ihre elektrochemische Eignung aufgestellt werden:

FSI > TFSI > C(SO ₂ CFs) ₃ > CF ₃ SO ₃ > BF ₄ > CF ₃ COO > PF ₆

Für die Kationen ist vor allem die elektrochemische Stabilität in der hier wiedergegebenen Reihenfolge ausschlaggebend:

Durch geschicktes Design des Kations können die sehr stabilien nicht-aromatischen Ammoniumverbindungen auch niedrigviskos erhalten werden, so dass aus ihnen interessante Elektrolyt^ formuliert werden können. Dieser Weg wurde bei der Synthese neuartiger ionischer Flüssigkeiten als Elektrolytmaterial beschritten. Wie im Folgenden gezeigt, konnte die Verbindung [N-Methoxyethyl-N-methylpyrrolidinium][TFSI] in guter Ausbeute von 58 % über zwei Stufen erhalten werden:

OMe

N— vOMe θN

\ Cl

KC ₄ F ₉ SO ₃ XiTFSI

NaOTf

Deren Viskosität konnte gegenüber der Alkylpyrrolidiniumverbindung auf 58 mPa s halbiert werden, so dass der Bereich der Viskositäten von den niedrigstviskosen ILs erreicht werden konnte. Dabei werden aber die gleichen hervorragenden elektrochemischen Stabilitäten der Pyrrolidiniumverbindungen mit Fenstern von 6,0 V erzielt.

Neben den bisher beschriebenen Verbindungen wurde [N-Methoxyethyl-N- methylpyrrolidinium][TFSI] für die weiterführenden Formulierungsversuche ausgewählt. Die Untersuchung des Mischungsverhaltens der Leitsalze (verwendet wurden LiTFSI, LIBOB, LiOTf, LiBF ₄ , LiPF ₆ ) zeigte, dass in der ursprünglich geplanten Konzentration von 0,75 M diese Lithiumsalze zumeist unlöslich waren. Daraufhin wurden alle Versuche mit 0,5 M Leitsalz durchgeführt. Vergleichende Leitfähigkeitsmessungen mit beiden Konzentrationen in der Formulierung [Pyi ₄ ][TFSI]/0.5 M LiTFSI bzw. 0,75 M LiTFSI in DMSO zeigen Leitfähigkeitswerte die näherungsweise vergleichbar sind.

Tabelle 7: Mischbarkeit mit Li-Leitsalzen

In Tabelle 7 ist das Mischungsverhalten der untersuchten Elektrolyte wiedergegeben. Aufgrund ihres Mischungsverhaltens sowie der überragenden physiko-chemischen Kenndaten wurden [Pyi ₄ ][TFSI], [Et ₃ S][TFSI] und [(MeOE)MPyrr][TFSI] als IL ausgewählt. Abweichend wurde trotz seiner sehr hohen Viskosität [PyI ₄ ][OTf] ebenfalls betrachtet, da dies die einzige aller untersuchten ILs ist, die eine gute Löslichkeit für das Leitsalz LiBOB zeigte. Die meisten Leitsalze lösen sich in diesem Elektrolyten, so dass diese auch als Lösungsvermittler eingesetzt werden könnte. Darüber hinaus ist [Pyi ₄ ][OTf] zu wesentlich geringeren Herstellkosten verfügbar.

Neben Dimethoxyethan hat sich vor allem das Gemisch

Ethylencarbonat/Dimethylcarbonat im Verhältnis 70 zu 30 als ideales Lösemittel für auf ionischen Flüssigkeiten basierende Elektrolytformulierungen gezeigt.

Abbildung 16 zeigt die Leitfähigkeiten der Elektrolytformulierungen. Siehe auch "Tabelle zu Abbildung 16" im Anhang.

Im Gemisch mit 0,5 M LiTFSI werden mit [Et ₃ S][TFSI] bei Zugabe von 7,5 ml EC/DMC die höchsten Leitfähigkeiten aller in diesem Projekt untersuchten Elektrolytlösungen von

16,04 mS/cm erreicht. Bereits bei 30% Lösemittelzugabe welches dem 3 ml Wert entspricht, wird eine Leitfähigkeit von 12,77 mS/cm erhalten. Dies ist im Hinblick auf einen möglichst hohen Flammpunkt, der einen niedrigen Lösemittelanteil bedingt, von großer Bedeutung. Um die hohe Leitfähigkeit noch weiter zu verbessern, wurde das Verhältnis von EC zu DMC optimiert, als ideales Verhältnis stellte sich 66 zu 33 heraus. Mit diesem Elektrolyten sind die höchsten Leitfähigkeiten aller untersuchten Elektrolytformulierungen erreichbar. Da eine elektrochemische Stabilität von 5.0 V hinreichend ist, ist [Et ₃ S][TFSI] das Elektrolytmaterial der Wahl.

Ist eine noch höhere elektrochemische Stabilität gefordert, so sollten die untersuchten Pyrrolidiniumverbindungen eingesetzt werden. Insbesondere [Pyi ₄ ][TFSI] weist aufgrund seiner geringeren Viskosität und der damit korrelierenden höheren Basisleitfähigkeit höhere Leitfähigkeiten als das entsprechende [Pyi ₄ ][OTf] auf. Versuche, die Viskosität mit dem Additiv [(MeOE)MPyr][TFSI] zu reduzieren, waren erfolgreich, jedoch die Auswirkung auf die Leitfähigkeit nur marginal. Die Verwendung von [(MeOE)MPyr][TFSI] als reines Elektrolytmaterial führte zu Werten die um 0,5 mS/cm gegenüber [Pyi ₄ ][TFSI] erhöht sind.

[Pyi ₄ ][OTf] ist ein sehr stabiles und kostenattraktives Elektrolytmaterial, dass jedoch nicht die Leitfähigkeiten des [Et ₃ S][TFSI]-Materials erreicht. In dem meistens verwendeten Elektrolytengemisch, d.h. ca. 30% Lösemittelanteil z.B. an EC/DMC, ist jedoch der Unterschied zwischen [Pyi ₄ ][OTf] und [Pyi ₄ ][TFSI] nicht signifikant. Hier ist der Einsatz von [Pyi ₄ ][OTf] in Kombination mit dem Leitsalz LiBOB, das wesentlich preisgünstiger als LiTFSI ist, zu empfehlen.

Auf Basis der zur Zeit zur Verfügung stehenden ionischen Flüssigkeiten und der marktüblichen Lösemittel stellen die hier gefunden Elektrolytlösungen eine ideale Lösung dar.

Tabellenanhang:

Tabelle zu Abbildung 2:

Tabelle zu Abbildung 3:

Tabelle zu Abbildung 4: Mittlere Viskositäten bei Temperaturen von -10 ⁰ C bis 80 ⁰ C.

Tabelle zu Abbildung 5: Mittlere Viskositäten bei Temperaturen von -10 ⁰ C bis 80 ⁰ C.

Tabelle zu Abbildung 6: Mittlere Viskositäten bei Temperaturen von -10 ⁰ C bis 80 ⁰ C.

Tabelle zu Abbildung 7:

Tabelle zu Abbildung 8: Leitfähigkeiten verschiedener IL-haltiger Zusammensetzungen bei Zugabe der jeweils angegebenen Menge des angegebenen Lösungsmittels zu 5 ml Ausgangsprobe (IL plus Leitsalz wie angegeben).

Tabelle zu Abbildung 9: Leitfähigkeiten verschiedener IL-haltiger Zusammensetzungen bei Zugabe der jeweils angegebenen Menge des angegebenen Lösungsmittels zu 5 ml Ausgangsprobe (IL plus Leitsalz wie angegeben).

Tabelle zu Abbildung 10: Leitfähigkeiten verschiedener IL-haltiger Zusammensetzungen bei Zugabe der jeweils angegebenen Menge des angegebenen Lösungsmittels zu 5 ml Ausgangsprobe (IL plus Leitsalz wie angegeben).

Tabelle zu Abbildung 11 : Leitfähigkeiten verschiedener IL-haltiger Zusammensetzungen bei Zugabe der jeweils angegebenen Menge des angegebenen Lösungsmittels zu 5 ml Ausgangsprobe (IL plus Leitsalz wie angegeben).

Tabelle zu Abbildung 12: Leitfähigkeiten verschiedener IL-haltiger Zusammensetzungen bei Zugabe der jeweils angegebenen Menge des angegebenen Lösungsmittels zu 5 ml Ausgangsprobe (IL plus Leitsalz wie angegeben).

Tabelle zu Abbildung 13: Leitfähigkeiten verschiedener IL-haltiger Zusammensetzungen bei Zugabe der jeweils angegebenen Menge des angegebenen Lösungsmittels zu 5 ml Ausgangsprobe (IL plus Leitsalz wie angegeben).

Tabelle zu Abbildung 14: Leitfähigkeiten verschiedener IL-haltiger Zusammensetzungen bei Zugabe der jeweils angegebenen Menge des angegebenen Lösungsmittels zu 5 ml Ausgangsprobe (IL plus Leitsalz wie angegeben).

Tabelle zu Abbildung 15: Leitfähigkeiten verschiedener IL-haltiger Zusammensetzungen bei Zugabe der jeweils angegebenen Menge des angegebenen Lösungsmittels zu 5 ml Ausgangsprobe (IL plus Leitsalz wie angegeben).

Tabelle zu Abbildung 16: Leitfähigkeiten verschiedener IL-haltiger Zusammensetzungen bei Zugabe der jeweils angegebenen Menge des angegebenen Lösungsmittels zu 5 ml Ausgangsprobe (IL plus Leitsalz wie angegeben).