DE102015213046A1 - Surface-modified carbon as an oxygen catalyst - Google Patents

Surface-modified carbon as an oxygen catalyst Download PDF

Info

Publication number
DE102015213046A1
DE102015213046A1 DE102015213046.0A DE102015213046A DE102015213046A1 DE 102015213046 A1 DE102015213046 A1 DE 102015213046A1 DE 102015213046 A DE102015213046 A DE 102015213046A DE 102015213046 A1 DE102015213046 A1 DE 102015213046A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
group
oxygen
cathode
carbon component
lithium
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102015213046.0A
Other languages
German (de)
Inventor
Bernd Schumann
Calin Iulius Wurm
Vikram Anil Godbole
Thomas Wöhrle
Felix Eberle
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102015213046.0A priority Critical patent/DE102015213046A1/en
Publication of DE102015213046A1 publication Critical patent/DE102015213046A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96—Carbon-based electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/08—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of a fuel-cell type and a half-cell of the secondary-cell type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/381—Alkaline or alkaline earth metals elements
    • H01M4/382—Lithium
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sauerstoff-Kathode (10) für eine Metall-Sauerstoff-Zelle (100), insbesondere für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle. Um Leistungsfähigkeit der Zelle zu verbessern, umfasst die Sauerstoff-Kathode (10) mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente, welche eine Oberflächenmodifizierung durch mindestens eine funktionelle Gruppe aufweist, wobei die Oberflächenmodifizierung frei von übergangsmetallhaltigen Katalysatoren ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren hierfür sowie eine entsprechende Zelle, Batterie und Verwendung.The present invention relates to an oxygen cathode (10) for a metal-oxygen cell (100), in particular for a lithium-oxygen cell. To improve cell performance, the oxygen cathode (10) comprises at least one surface modified carbon component having surface modification by at least one functional group, wherein the surface modification is free of transition metal containing catalysts. Moreover, the invention relates to a manufacturing method thereof and a corresponding cell, battery and use.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sauerstoff-Kathode für eine Metall-Sauerstoff-Zelle, ein Herstellungsverfahren sowie eine Zelle, Batterie und Verwendung.The present invention relates to an oxygen cathode for a metal-oxygen cell, a manufacturing method and a cell, battery and use.

Stand der TechnikState of the art

Lithium-Sauerstoff-Zellen und -Batterien sind prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen und können sich unter anderem, insbesondere aufgrund einer Konversionsreaktion von Sauerstoff, durch eine besonders hohe Energiedichte beziehungsweise spezifische Energie auszeichnen.Lithium-oxygen cells and batteries are predestined for a wide range of applications and can, among other things, especially due to a conversion reaction of oxygen, characterized by a particularly high energy density or specific energy.

Lithium-Sauerstoff-Zellen umfassen eine Kathode, welche auch als positive Elektrode beziehungsweise Sauerstoff-Kathode beziehungsweise Sauerstoffelektrode bezeichnet wird, zur Oxidation und Reduktion von Sauerstoff und eine Anode, welche auch als negative Elektrode bezeichnet wird, auf Basis von, insbesondere metallischem, Lithium.Lithium-oxygen cells comprise a cathode, which is also referred to as a positive electrode or oxygen cathode or oxygen electrode, for the oxidation and reduction of oxygen and an anode, which is also referred to as a negative electrode, based on, in particular metallic, lithium.

Beim Entladen einer Lithium-Sauerstoff-Zelle finden an der Anode und der Kathode die folgenden Reaktionen statt:

  • Anode: 2Li → 2Li+ + 2e–
  • Kathode: 2Li+ + 2e– + O2 → Li2O2
When discharging a lithium-oxygen cell, the following reactions take place at the anode and the cathode:
  • Anode: 2Li → 2Li + + 2e -
  • Cathode: 2Li + + 2e - + O 2 → Li 2 O 2

Beim Entladen einer Lithium-Sauerstoff-Zelle wird an der Anode Lithium zu Lithiumionen oxidiert, wobei die Lithiumionen in Richtung der Kathode und Elektronen in einen externen Stromkreis abgegeben werden, wobei an der Kathode gasförmiger Sauerstoff reduziert wird und mit Lithiumionen und Elektronen Lithiumperoxid bildet.When discharging a lithium-oxygen cell, lithium at the anode is oxidized to lithium ions, with the lithium ions being delivered to the cathode and electrons into an external circuit, reducing gaseous oxygen at the cathode and forming lithium peroxide with lithium ions and electrons.

Beim Laden einer Lithium-Sauerstoff-Zelle finden an der Anode und der Kathode die folgenden Reaktionen statt:

  • Anode: 2Li+ + 2e– → 2Li
  • Kathode: Li2O2 → 2Li+ + 2e– + O2
When charging a lithium-oxygen cell, the following reactions take place at the anode and the cathode:
  • Anode: 2Li + + 2e - → 2Li
  • Cathode: Li 2 O 2 → 2Li + + 2e - + O 2

Beim Laden einer Lithium-Sauerstoff-Zelle wird durch den externen Stromkreis an der Kathode eine Oxidation des Lithiumperoxids zu gasförmigem Sauerstoff sowie Lithiumionen und Elektronen bewirkt. Dabei werden an der Anode Lithiumionen und Elektronen zu metallischem Lithium kombiniert.When charging a lithium-oxygen cell is caused by the external circuit at the cathode oxidation of lithium peroxide to gaseous oxygen and lithium ions and electrons. Lithium ions and electrons are combined to form metallic lithium at the anode.

In der Druckschrift US 5,510,209 A wird von Abraham et al. eine Lithium-Luft-Zelle mit einer metallischen Lithium-Anode und einer Sauerstoff-Kathode beschrieben.In the publication US 5,510,209 A is by Abraham et al. a lithium-air cell with a metallic lithium anode and an oxygen cathode described.

Jake Christensen et al. haben in Journal of The Electrochemical Society (159 (2) R1–R30 (2012) ) einen Review zur Lithium-Luft-Technologie publiziert. Jake Christensen et al. have in Journal of The Electrochemical Society (159 (2) R1-R30 (2012) ) published a review on lithium-air technology.

Lithium-Luft-Zellen sind von der Firma Polyplus, Vereinigte Staaten von Amerika, Kalifornien, bekannt.Lithium-air cells are known from Polyplus, United States of America, California.

Von Bruce et. al. ( A Reversible and Higher-Rate Li-O2-Battery; Zhangquan Peng, Stefan A. Freunberger, Yuhui Chen, Peter G. Bruce; Science Express Reports; July 25th, 2012; Science DOI: 10.1126/science.1223985 ) werden nanoporöse Goldkathoden beschrieben.By Bruce et. al. ( A Reversible and Higher-Rate Li-O2 Battery; Zhangquan Peng, Stefan A. Freunberger, Yuhui Chen, Peter G. Bruce; Science Express Reports; July 25th, 2012; Science DOI: 10.1126 / science.1223985 ) describes nanoporous gold cathodes.

Die Druckschrift WO 2013/039602 A1 beschreibt eine katalytische Kathode für Lithium-Luft-Batterien.The publication WO 2013/039602 A1 describes a catalytic cathode for lithium-air batteries.

Die Druckschrift EP 0 978 890 A1 beschreibt Elektroden und damit ausgestattete elektrochemische Zellen.The publication EP 0 978 890 A1 describes electrodes and electrochemical cells equipped therewith.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gegenstand der Erfindung ist eine Sauerstoff-Kathode für eine Metall-Sauerstoff-Zelle. Insbesondere kann die Sauerstoff-Kathode für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle ausgelegt sein. Beispielsweise kann die Sauerstoff-Kathode für eine Metall-Luft-Zelle, zum Beispiel für eine Lithium-Luft-Zelle, ausgelegt sein.The invention relates to an oxygen cathode for a metal-oxygen cell. In particular, the oxygen cathode can be designed for a lithium-oxygen cell. For example, the oxygen cathode may be designed for a metal-air cell, for example for a lithium-air cell.

Unter einer Metall-Sauerstoff-Zelle kann insbesondere eine elektrochemische Zelle beziehungsweise ein galvanisches Element, beispielsweise eine Batteriezelle, zum Beispiel eine sekundäre oder primäre Batteriezelle, verstanden werden, an deren elektrochemischer Reaktion mindestens ein Metall und Sauerstoff beteiligt sind. Beispielsweise kann eine Metall-Sauerstoff-Zelle eine Metall-Luft-Zelle sein. Insbesondere eine kann die Metall-Sauerstoff-Zelle eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, beispielsweise eine Lithium-Luft-Zelle, sein.A metal-oxygen cell may, in particular, be understood as meaning an electrochemical cell or a galvanic element, for example a battery cell, for example a secondary or primary battery cell, whose electrochemical reaction involves at least one metal and oxygen. For example, a metal-oxygen cell may be a metal-air cell. In particular, the metal-oxygen cell may be a lithium-oxygen cell, for example a lithium-air cell.

Unter einer Lithium-Sauerstoff-Zelle kann insbesondere eine elektrochemische Zelle beziehungsweise ein galvanisches Element, beispielsweise eine Batteriezelle, zum Beispiel eine sekundäre oder primäre Batteriezelle, verstanden werden, an deren elektrochemischer Reaktion Lithium und Sauerstoff beteiligt sind.A lithium-oxygen cell may, in particular, be understood as meaning an electrochemical cell or a galvanic element, for example a battery cell, for example a secondary or primary battery cell, to whose electrochemical reaction lithium and oxygen are involved.

Insbesondere umfasst die Sauerstoff-Kathode mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente. Dabei kann die oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente insbesondere durch mindestens eine funktionelle Gruppe oberflächenmodifiziert sein beziehungsweise eine Oberflächenmodifizierung durch mindestens eine funktionelle Gruppe aufweisen.In particular, the oxygen cathode comprises at least one surface-modified carbon component. In this case, the surface-modified carbon component may in particular be surface-modified by at least one functional group or have a surface modification by at least one functional group.

Es hat sich herausgestellt, dass durch die Oberflächenmodifizierung des Kohlenstoffs durch die mindestens eine funktionelle Gruppe bereits Reaktionsstellen zur Reduktion von Sauerstoff bereitgestellt werden. Somit können vorteilhafterweise bereits die funktionellen Gruppe als solche beziehungsweise die damit oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente als solche als Katalysator dienen. Dies wiederum ermöglicht es vorteilhafterweise auf die zusätzliche Applikation eines übergangsmetallhaltigen Katalysators auf den Kohlenstoff beziehungsweise sogar auf die Verwendung eines übergangsmetallhaltigen Katalysators in der Sauerstoff-Kathode zu verzichten.It has been found that by the surface modification of the carbon by the At least one functional group already provided reaction sites for the reduction of oxygen. Thus, the functional group as such or the surface-modified carbon component can advantageously serve as catalyst as such. This in turn advantageously makes it possible to dispense with the additional application of a transition metal-containing catalyst to the carbon or even to the use of a transition metal-containing catalyst in the oxygen cathode.

Beispielsweise kann daher die Oberflächenmodifizierung frei von übergangsmetallhaltigen Katalysatoren sein. Gegebenenfalls kann auch die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente, insbesondere als solche, frei von übergangsmetallhaltigen Katalysatoren sein. So können vorteilhafterweise Materialkosten, Produktionskosten und Gewicht reduziert sowie die Entsorgung beziehungsweise das Recycling vereinfacht werden.For example, therefore, the surface modification may be free of transition metal-containing catalysts. Optionally, the at least one surface-modified carbon component, in particular as such, may be free of transition metal-containing catalysts. Thus, advantageously, material costs, production costs and weight can be reduced and disposal or recycling can be simplified.

Als Übergangsmetalle können insbesondere die chemischen Elemente mit den Ordnungszahlen von 21 bis 30, 39 bis 48, 57 bis 80 und 89 bis 112, insbesondere des Periodensystems, verstanden werden.As transition metals, in particular the chemical elements with the atomic numbers of 21 to 30, 39 to 48, 57 to 80 and 89 to 112, in particular the periodic table, can be understood.

Unter frei von übergangsmetallhaltigen Katalysatoren kann insbesondere verstanden werden, dass keine, insbesondere katalytisch, effektiven Mengen an Übergangsmetallen, zum Beispiel von mehr als 1000 ppm, insbesondere je Element, enthalten sind. Dabei können jedoch gegebenenfalls Verunreinigungen durch Übergangsmetalle, zum Beispiel welche – insbesondere von Natur aus beziehungsweise herstellungsbedingt – im Kohlenstoff der Kohlenstoff-Komponente enthalten sein können, beispielsweise von ≤ 100 ppm je Element, enthalten sein.By free of transition metal-containing catalysts can be understood in particular that no, in particular catalytic, effective amounts of transition metals, for example more than 1000 ppm, in particular per element, are included. In this case, however, impurities may possibly be contained by transition metals, for example which may be present in the carbon of the carbon component, in particular by nature or as a result of the preparation, for example of ≦ 100 ppm per element.

Durch die Oberflächenmodifizierung des Kohlenstoffs durch die funktionellen Gruppe kann vorteilhafterweise die Oberfläche des Kohlenstoffs aktiviert und dessen für die Reduktionsreaktion aktive Oberfläche (ASA), welche in der Regel deutlich kleiner als dessen mittels BET-Messung ermittelbare Oberfläche ist, vergrößert werden.By surface modification of the carbon through the functional group, the surface of the carbon can be advantageously activated and its reduction reaction active surface area (ASA), which is generally much smaller than its BET surface area, increased.

Dabei kann vorteilhafterweise durch die Oberflächenmodifizierung des Kohlenstoffs durch die funktionellen Gruppe eine sehr hohe Anzahl von gleichmäßig auf der Oberfläche verteilten Reaktionsstellen für Sauerstoff erzielt werden, was es ermöglicht, dass beim Entladevorgang beziehungsweise bei der Reduktionsreaktion von Sauerstoff zu elektrisch isolierendem Lithiumperoxid (Li2O2) die Keimbildung von vielen Lithiumperoxidpartikeln gleichzeitig an einer Vielzahl von Reaktionsstellen eintreten und eine große Anzahl von vergleichsweise kleinen Lithiumperoxidkristallen gebildet werden kann, was zur Ausbildung einer homogenen, dünne Lithiumperoxidschicht führt.In this case, the surface modification of the carbon by the functional group can advantageously achieve a very high number of oxygen reaction sites uniformly distributed on the surface, which makes it possible, during the discharge process or during the reduction reaction of oxygen to electrically insulating lithium peroxide (Li 2 O 2 ) the nucleation of many lithium peroxide particles can occur simultaneously at a plurality of reaction sites and a large number of relatively small lithium peroxide crystals can be formed, resulting in the formation of a homogeneous, thin lithium peroxide layer.

Diese homogene, dünne Lithiumperoxidschicht (Li2O2) kann vorteilhafterweise – im Gegensatz zu einer im Fall von wenigen Reaktionsstellen auftretenden Bildung einer geringen Anzahl von großen Lithiumperoxidkristallen, welche üblicherweise während des Ladevorgangs nur unvollständig reagieren und in der Kathode zurück bleiben und dadurch die aktive Oberfläche blockieren und die Leistungsfähigkeit der Zelle beziehungsweise Batterie reduzieren – während des Ladevorgangs reversibel zurück reagieren.This homogeneous, thin lithium peroxide layer (Li 2 O 2 ) can advantageously - in contrast to occurring in the case of a few reaction sites forming a small number of large lithium peroxide crystals, which usually react only incompletely during the charging process and remain in the cathode and thus the active Block the surface and reduce the efficiency of the cell or battery - reacting reversibly during the charging process.

So kann vorteilhafterweise die Leistungsfähigkeit der Zelle beziehungsweise Batterie verbessert werden.Thus, advantageously, the performance of the cell or battery can be improved.

Im Rahmen einer Ausführungsform beträgt der Gewichtsanteil an der mindestens einen funktionellen Gruppe, bezogen auf das Gesamtgewicht der damit oberflächenmodifizierten Kohlenstoff-Komponente, ≥ 0,05 Gew.-% bis ≤ 10 Gew.-%. In one embodiment, the weight fraction of the at least one functional group, based on the total weight of the surface-modified carbon component, is ≥ 0.05% by weight to ≦ 10% by weight.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist die mindestens eine funktionelle Gruppe eine Amin-Gruppe und/oder eine Carboxy-Gruppe und/oder eine Anhydrid-Gruppe und/oder eine Phenyl-Gruppe und/oder eine Hydroxy-Gruppe und/oder eine Halogenid-Gruppe (beziehungsweise ein Halogenatom) und/oder eine Carbonyl-Gruppe und/oder eine Aldehyd-Gruppe und/oder eine Carbonsäurehalogenid-Gruppe und/oder eine Alkoxy-Gruppe und/oder eine Peroxy-Gruppe und/oder eine Carbonsäureamid-Gruppe und/oder eine Imin-Gruppe und/oder eine Imid-Gruppe und/oder eine Azid-Gruppe und/oder eine Azo-Gruppe und/oder eine Cyanat-Gruppe und/oder eine Isocyanat-Gruppe und/oder eine Nitrat-Gruppe und/oder eine Nitril-Gruppe und/oder eine Nitro-Gruppe und/oder eine Nitrit-Gruppe (beziehungsweise Nitrosooxy-Gruppe) und/oder eine Pyridyl-Gruppe und/oder eine Thiol-Gruppe und/oder eine Sulfid-Gruppe und/oder eine Disulfid-Gruppe und/oder eine Sulfinyl-Gruppe (beziehungsweise Sulfoxid-Gruppe) und/oder eine Sulfonyl-Gruppe und/oder eine Thiocyanat-Gruppe und/oder eine Isothiocyanat-Gruppe und/oder eine Thioxo-Gruppe ist. Durch diese Gruppen kann vorteilhafterweise die O=O-Bindung von Sauerstoff geschwächt und dadurch die Reduktionsreaktion katalysiert werden.In a further embodiment, the at least one functional group comprises or is an amine group and / or a carboxy group and / or an anhydride group and / or a phenyl group and / or a hydroxy group and / or a halide Group (or a halogen atom) and / or a carbonyl group and / or an aldehyde group and / or or a carboxylic acid halide group and / or an alkoxy group and / or a peroxy group and / or a carboxamide group and / or an imine group and / or an imide group and / or an azide group and / or an azo group and / or a cyanate group and / or an isocyanate group and / or a nitrate group and / or a nitrile group and / or a nitro group and / or a nitrite group (or nitrosooxy group) Group) and / or a pyridyl group and / or a thiol group and / or a sulfide group and / or a disulfide group and / or a sulfinyl group (or sulfoxide group) and / or a sulfonyl group and / or a thiocyanate group and / or an isothiocyanate group and / or a thioxo group. These groups can advantageously weaken the O = O bond of oxygen and thereby catalyze the reduction reaction.

Beispielsweise kann die mindestens eine funktionelle Gruppe eine Amin-Gruppe und/oder eine Anhydrid-Gruppe und/oder eine Phenyl-Gruppe und/oder eine Halogenid-Gruppe (beziehungsweise ein Halogenatom) und/oder eine Aldehyd-Gruppe und/oder eine Carbonsäurehalogenid-Gruppe und/oder eine Peroxy-Gruppe und/oder eine Imin-Gruppe und/oder eine Imid-Gruppe und/oder eine Azid-Gruppe und/oder eine Azo-Gruppe und/oder eine Cyanat-Gruppe und/oder eine Isocyanat-Gruppe und/oder eine Nitrat-Gruppe und/oder eine Nitril-Gruppe und/oder eine Nitro-Gruppe und/oder eine Nitrit-Gruppe und/oder eine Pyridyl-Gruppe und/oder eine Thiol-Gruppe und/oder eine Sulfid-Gruppe und/oder eine Disulfid-Gruppe und/oder eine Sulfinyl-Gruppe und/oder eine Sulfonyl-Gruppe und/oder eine Thiocyanat-Gruppe und/oder eine Isothiocyanat-Gruppe und/oder eine Thioxo-Gruppe umfassen oder sein. Zum Beispiel kann die mindestens eine funktionelle Gruppe eine Amin-Gruppe und/oder eine Anhydrid-Gruppe und/oder eine Phenyl-Gruppe und/oder eine Halogenid-Gruppe (beziehungsweise ein Halogenatom) und/oder eine Aldehyd-Gruppe und/oder eine Carbonsäurehalogenid-Gruppe und/oder eine Imin-Gruppe und/oder eine Imid-Gruppe und/oder eine Azid-Gruppe und/oder eine Azo-Gruppe und/oder eine Cyanat-Gruppe und/oder eine Isocyanat-Gruppe und/oder eine Nitrat-Gruppe und/oder eine Nitril-Gruppe und/oder eine Nitro-Gruppe und/oder eine Nitrit-Gruppe und/oder eine Pyridyl-Gruppe und/oder eine Thiol-Gruppe und/oder eine Sulfid-Gruppe und/oder eine Disulfid-Gruppe und/oder eine Sulfinyl-Gruppe und/oder eine Sulfonyl-Gruppe und/oder eine Thiocyanat-Gruppe und/oder eine Isothiocyanat-Gruppe und/oder eine Thioxo-Gruppe umfassen oder sein.For example, the at least one functional group may be an amine group and / or an anhydride group and / or a phenyl group and / or a halide group (or a halogen atom) and / or an aldehyde group and / or a carboxylic acid halide Group and / or a peroxy group and / or an imine group and / or an imide group and / or an azide group and / or an azo group and / or a cyanate group and / or an isocyanate group and / or a nitrate group and / or a nitrile group and / or a nitro group and / or a nitrite group and / or a pyridyl group and / or a thiol group and / or a sulfide group and or include a disulfide group and / or a sulfinyl group and / or a sulfonyl group and / or a thiocyanate group and / or an isothiocyanate group and / or a thioxo group. For example, the at least one functional group may be an amine group and / or an anhydride group and / or a phenyl group and / or a halide group (or a halogen atom) and / or an aldehyde group and / or a carboxylic acid halide Group and / or an imine group and / or an imide group and / or an azide group and / or an azo group and / or a cyanate group and / or an isocyanate group and / or a nitrate group Group and / or a nitrile group and / or a nitro group and / or a nitrite group and / or a pyridyl group and / or a thiol group and / or a sulfide group and / or a disulfide group and / or a sulfinyl group and / or a sulfonyl group and / or a thiocyanate group and / or an isothiocyanate group and / or a thioxo group or include.

Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform umfasst oder ist die mindestens eine funktionelle Gruppe eine Amin-Gruppe. Eine Amin-Gruppe hat sich zur Katalyse der Reduktionsreaktion von Sauerstoff als besonders vorteilhaft erwiesen.In the context of one embodiment of this embodiment, the at least one functional group comprises or is an amine group. An amine group has been found to catalyze the reduction reaction of oxygen to be particularly advantageous.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kathode weiterhin mindestens einen Binder.In a further embodiment, the cathode further comprises at least one binder.

Die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente kann beispielsweise Ruß und/oder Graphit umfassen beziehungsweise daraus ausgebildet sein.The at least one surface-modified carbon component may comprise, for example, carbon black and / or graphite or be formed therefrom.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente in Form eines Vlieses und/oder Filzes und/oder Papiers und/oder Schaums und/oder Pulvers und/oder Granulats ausgebildet. Beispielsweise kann die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente ein Kohlenstoffpulver und/oder ein Kohlenstoffgranulat und/oder ein Kohlenstoffvlies und/oder ein Kohlenstofffilz (Englisch: Carbon Felt, Graphite Felt) und/oder ein Kohlenstoffpapier (Englisch: Carbon Paper, Graphite Paper) und/oder ein Kohlenstoffschaum sein.In the context of a further embodiment, the at least one surface-modified carbon component is in the form of a fleece and / or felt and / or paper and / or foam and / or powder and / or granules. For example, the at least one surface-modified carbon component can be a carbon powder and / or a carbon granulate and / or a carbon felt and / or a carbon felt (Graphite Felt) and / or a carbon paper (Graphite Paper) and / or be a carbon foam.

Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente in Form eines Vlieses und/oder Filzes und/oder Papiers und/oder Schaums ausgebildet. So kann die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente nicht nur als Katalysator beziehungsweise Reaktionsoberfläche für die Reduktion von Sauerstoff, sondern vorteilhafterweise auch als Kathodenstromableiter und/oder Träger dienen. Durch derartige offene Strukturen kann dabei vorteilhafterweise ermöglicht werden, dass Sauerstoff zu möglichst allen Bereichen der Sauerstoff-Kathode gelangen und eine besonders große Reaktionsoberfläche bereitgestellt werden kann. Gegebenenfalls kann bei der Verwendung derartiger Strukturen auch Binder eingespart oder sogar darauf verzichtet werden, was sich vorteilhaft auf die spezifische Energiedichte auswirken kann. Beispielsweise kann dabei die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente ein, insbesondere oberflächenmodifiziertes, Kohlenstoffvlies und/oder ein, insbesondere oberflächenmodifizierter, Kohlenstofffilz und/oder ein, insbesondere oberflächenmodifiziertes, Kohlenstoffpapier und/oder ein, insbesondere oberflächenmodifizierter, Kohlenstoffschaum sein.In the context of one embodiment of this embodiment, the at least one surface-modified carbon component is in the form of a fleece and / or felt and / or paper and / or foam. Thus, the at least one surface-modified carbon component can serve not only as a catalyst or reaction surface for the reduction of oxygen, but advantageously also as a cathode current collector and / or carrier. By means of such open structures, it is advantageously possible to allow oxygen to reach as far as possible all regions of the oxygen cathode and to provide a particularly large reaction surface. If appropriate, binders can be saved or even dispensed with in the use of such structures, which can have an advantageous effect on the specific energy density. By way of example, the at least one surface-modified carbon component may be a carbon-fiber, in particular surface-modified, carbon felt and / or a surface-modified carbon felt and / or a carbon-paper, in particular surface-modified, carbon foam and / or a surface-modified carbon foam.

Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung hiervon umfasst die Kathode weiterhin mindestens eine weitere Kohlenstoff-Komponente in Form eines Pulvers und/oder Granulats. Beispielsweise kann dabei die mindestens eine, insbesondere als Kathodenstromableiter und/oder Träger dienende, oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente in Form eines Vlieses und/oder Filzes und/oder Papiers und/oder Schaums mit der mindestens einen weiteren Kohlenstoff-Komponente in Form eines Pulvers und/oder Granulats beschichtet sein. So kann durch die mindestens eine weitere Kohlenstoff-Komponente vorteilhafterweise die Oberfläche vergrößert werden. Die mindestens eine weitere Kohlenstoff-Komponente kann dabei insbesondere ebenfalls durch mindestens eine funktionelle Gruppe oberflächenmodifiziert oder gegebenenfalls auch unmodifiziert sein. Dadurch, dass auch die mindestens eine weitere Kohlenstoff-Komponente oberflächenmodifiziert ist, kann durch die mindestens eine weitere Kohlenstoff-Komponente vorteilhafterweise nicht nur die Oberfläche vergrößert, sondern insbesondere auch die katalytisch aktive Oberfläche beziehungsweise Reaktionsoberfläche für die Reduktion von Sauerstoff vergrößert werden. Dabei kann die mindestens eine weitere, oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente durch die gleiche mindestens eine funktionelle Gruppe oder durch mindestens eine unterschiedliche funktionelle Gruppe als die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente oberflächenmodifiziert sein. Die mindestens eine funktionelle Gruppe der mindestens einen weiteren oberflächenmodifizierten Kohlenstoff-Komponente kann dabei beispielsweise wie im Zusammenhang mit der mindestens einen funktionellen Gruppe der mindestens einen oberflächenmodifizierten Kohlenstoff-Komponente erläutert ausgestaltet sein. Beispielsweise kann auch die Oberflächenmodifizierung der mindestens einen weiteren oberflächenmodifizierten Kohlenstoff-Komponente frei von übergangsmetallhaltigen Katalysatoren sein.Within the scope of a specific embodiment thereof, the cathode further comprises at least one further carbon component in the form of a powder and / or granules. By way of example, the surface-modified carbon component in the form of a nonwoven and / or felt and / or paper and / or foam, which serves in particular as a cathode current collector and / or carrier, may be provided with the at least one further carbon component in the form of a powder and / or or granules coated. Thus, the surface can advantageously be increased by the at least one further carbon component. The at least one further carbon component may in particular also be surface-modified by at least one functional group or optionally also be unmodified. Due to the fact that the at least one further carbon component is also surface-modified, the at least one further carbon component advantageously not only increases the surface area but in particular also enlarges the catalytically active surface or reaction surface for the reduction of oxygen. In this case, the at least one further, surface-modified carbon component may be surface-modified by the same at least one functional group or by at least one different functional group as the at least one surface-modified carbon component. The at least one functional group of the at least one further surface-modified carbon Component can be configured, for example, as explained in connection with the at least one functional group of the at least one surface-modified carbon component. For example, the surface modification of the at least one further surface-modified carbon component may be free of transition metal-containing catalysts.

Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente in Form Pulvers und/oder Granulats ausgebildet. Dabei kann die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente insbesondere als Katalysator beziehungsweise Reaktionsoberfläche für die Reduktion von Sauerstoff dienen. Beispielsweise kann die Kathode hierbei weiterhin mindestens einen Binder umfassen. Beispielsweise kann dabei die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente ein, insbesondere oberflächenmodifiziertes, Kohlenstoffpulver und/oder ein, insbesondere oberflächenmodifiziertes, Kohlenstoffgranulat sein.In the context of another embodiment of this embodiment, the at least one surface-modified carbon component is in the form of powder and / or granules. In this case, the at least one surface-modified carbon component can serve in particular as a catalyst or reaction surface for the reduction of oxygen. For example, the cathode may further comprise at least one binder. For example, the at least one surface-modified carbon component may be a carbon powder, in particular surface-modified, and / or a carbon granulate, in particular a surface-modified one.

Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung hiervon umfasst die Kathode weiterhin einen, insbesondere porösen, Kathodenstromableiter und/oder Träger. Der Kathodenstromableiter und/oder Träger kann dabei beispielsweise ebenfalls aus Kohlenstoff, zum Beispiel in Form eines Kohlenstoffvlieses und/oder Kohlenstofffilzes und/oder Kohlenstoffpapiers und/oder Kohlenstoffschaums, oder aus mindestens einem Metall, beispielsweise Nickel, zum Beispiel in Form eines Metallgewebes, beispielsweise eines Nickelgewebes, und/oder Metallvlieses und/oder Metallschaums, ausgebildet ist. Insbesondere kann der Kathodenstromableiter und/oder Träger aus Kohlenstoff ausgebildet sein. So kann vorteilhafterweise Gewicht reduziert und die spezifische Energiedichte verbessert werden. Beispielsweise kann der Kathodenstromableiter und/oder Träger mit der mindestens einen oberflächenmodifizierten Kohlenstoff-Komponente in Form eines Pulvers und/oder Granulats beschichtet sein. Der Kathodenstromableiter und/oder Träger kann dabei ebenfalls durch mindestens eine funktionelle Gruppe oberflächenmodifiziert oder gegebenenfalls auch unmodifiziert sein. Dadurch, dass auch der Kathodenstromableiter und/oder Träger oberflächenmodifiziert ist, kann dieser vorteilhafterweise nicht nur als Kathodenstromableiter und/oder Träger, sondern vorteilhafterweise auch als katalytisch aktive Oberfläche beziehungsweise Reaktionsoberfläche für die Reduktion von Sauerstoff dienen und diese weiter vergrößern. Dabei kann der Kathodenstromableiter und/oder Träger durch die gleiche mindestens eine funktionelle Gruppe oder durch mindestens eine unterschiedliche funktionelle Gruppe als die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente oberflächenmodifiziert sein. Die mindestens eine funktionelle Gruppe des Kathodenstromableiters und/oder Trägers kann dabei beispielsweise wie im Zusammenhang mit der mindestens einen funktionellen Gruppe der mindestens einen oberflächenmodifizierten Kohlenstoff-Komponente erläutert ausgestaltet sein. Beispielsweise kann auch die Oberflächenmodifizierung des Kathodenstromableiters und/oder Trägers frei von übergangsmetallhaltigen Katalysatoren sein.In the context of a special embodiment thereof, the cathode further comprises a, in particular porous, cathode current collector and / or carrier. The Kathodenstromableiter and / or carrier may for example also made of carbon, for example in the form of a carbon mat and / or carbon felt and / or carbon paper and / or carbon foam, or of at least one metal, for example nickel, for example in the form of a metal fabric, for example one Nickel fabric, and / or metal fleece and / or metal foam is formed. In particular, the cathode current collector and / or carrier can be made of carbon. Thus, advantageously, weight can be reduced and the specific energy density can be improved. For example, the cathode current collector and / or carrier may be coated with the at least one surface-modified carbon component in the form of a powder and / or granules. The cathode current collector and / or carrier can likewise be surface-modified by at least one functional group or optionally also unmodified. Because the cathode current collector and / or carrier is also surface-modified, it can advantageously serve not only as a cathode current collector and / or carrier but also advantageously as a catalytically active surface or reaction surface for the reduction of oxygen and further increase it. In this case, the cathode current collector and / or carrier can be surface-modified by the same at least one functional group or by at least one different functional group than the at least one surface-modified carbon component. The at least one functional group of the cathode current collector and / or carrier can be designed, for example, as explained in connection with the at least one functional group of the at least one surface-modified carbon component. For example, the surface modification of the cathode current collector and / or carrier may be free of transition metal-containing catalysts.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Kathode frei von übergangsmetallhaltigen Katalysatoren. So können vorteilhafterweise die Materialkosten, die Produktionskosten und das Gewicht weiter reduziert sowie die Entsorgung beziehungsweise das Recycling weiter vereinfacht werden.In a further embodiment, the cathode is free of transition metal-containing catalysts. Thus, advantageously, the material costs, production costs and weight can be further reduced and disposal or recycling can be further simplified.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Kathode durch ein im Folgenden erläutertes erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt.In the context of a further embodiment, the cathode is produced by an inventive method explained below.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Kathode wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Zelle, der erfindungsgemäßen Batterie und der erfindungsgemäßen Verwendung sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the cathode according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention, the cell according to the invention, the battery according to the invention and the use according to the invention as well as the figures and the description of the figures.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Sauerstoff-Kathode für eine Metall-Sauerstoff-Zelle. Dabei kann das Verfahren insbesondere zur Herstellung einer Sauerstoff-Kathode für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle ausgelegt sein. Beispielsweise kann das Verfahren zur Herstellung einer Sauerstoff-Kathode für eine Metall-Luft-Zelle, zum Beispiel für eine Lithium-Luft-Zelle, ausgelegt sein.Another object of the invention is a method for producing an oxygen cathode for a metal-oxygen cell. In this case, the method can be designed in particular for producing an oxygen cathode for a lithium-oxygen cell. For example, the method may be designed to produce an oxygen cathode for a metal-air cell, for example, a lithium-air cell.

In dem Verfahren wird insbesondere eine Kohlenstoff-Komponente durch mindestens eine funktionelle Gruppe oberflächenmodifiziert.In the process, in particular, a carbon component is surface-modified by at least one functional group.

Aus der, durch die mindestens eine funktionelle Gruppe oberflächenmodifizierten Kohlenstoff-Komponente kann dann beispielsweise direkt, insbesondere ohne Behandlung mit einem Präkursor zur Ausbildung eines übergangsmetallhaltigen Katalysators und/oder ohne Zugabe eines übergangsmetallhaltigen Katalysators, eine Sauerstoff-Kathode ausgebildet werden.From the, by the at least one functional group surface-modified carbon component can then, for example, directly, in particular without treatment with a precursor to form a transition metal-containing catalyst and / or without addition of a transition metal-containing catalyst, an oxygen cathode can be formed.

Im Rahmen einer Ausführungsform wird die, durch die mindestens eine funktionelle Gruppe oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente nicht mit einem Präkursor zur Ausbildung eines übergangsmetallhaltigen Katalysators behandelt und/oder ist frei von übergangsmetallhaltigen Katalysatoren.In one embodiment, the carbon component surface-modified by the at least one functional group is not treated with a precursor to form a transition metal-containing catalyst and / or is free of transition metal-containing catalysts.

Die Einführung der mindestens einen funktionellen Gruppe kann elektrochemisch und/oder chemisch und/oder durch Gasphasenreaktion erfolgen. Beispielsweise kann die mindestens eine Kohlenstoff-Komponente durch chemische und/oder elektrochemische Oxidation des Kohlenstoffs, und/oder durch chemische und/oder elektrochemische Reduktion des Kohlenstoffs und/oder durch Modifizierung durch eine Gasphase mit der mindestens einen funktionellen Gruppe oberflächenmodifiziert werden. Gegebenenfalls kann nach einer chemischen Oxidation des Kohlenstoffs eine Reaktion mit einer Säure durchgeführt werden. Nach einer chemischen Reduktion des Kohlenstoffs kann gegebenenfalls eine Reaktion mit anderen Chemikalien durchgeführt werden. The introduction of the at least one functional group can be carried out electrochemically and / or chemically and / or by gas phase reaction. For example, the at least one carbon component can be surface-modified by chemical and / or electrochemical oxidation of the carbon, and / or by chemical and / or electrochemical reduction of the carbon and / or by modification by a gas phase with the at least one functional group. Optionally, after a chemical oxidation of the carbon, a reaction with an acid may be carried out. After a chemical reduction of the carbon, a reaction with other chemicals may optionally be carried out.

Die mindestens eine funktionelle Gruppe kann beispielsweise wie im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Sauerstoff-Kathode erläutert ausgestaltet sein. Zum Beispiel kann die mindestens eine funktionelle Gruppe eine Amin-Gruppe und/oder eine Anhydrid-Gruppe und/oder eine Phenyl-Gruppe und/oder eine Halogenid-Gruppe (beziehungsweise ein Halogenatom) und/oder eine Aldehyd-Gruppe und/oder eine Carbonsäurehalogenid-Gruppe und/oder eine Peroxy-Gruppe und/oder eine Imin-Gruppe und/oder eine Imid-Gruppe und/oder eine Azid-Gruppe und/oder eine Azo-Gruppe und/oder eine Cyanat-Gruppe und/oder eine Isocyanat-Gruppe und/oder eine Nitrat-Gruppe und/oder eine Nitril-Gruppe und/oder eine Nitro-Gruppe und/oder eine Nitrit-Gruppe und/oder eine Pyridyl-Gruppe und/oder eine Thiol-Gruppe und/oder eine Sulfid-Gruppe und/oder eine Disulfid-Gruppe und/oder eine Sulfinyl-Gruppe und/oder eine Sulfonyl-Gruppe und/oder eine Thiocyanat-Gruppe und/oder eine Isothiocyanat-Gruppe und/oder eine Thioxo-Gruppe umfassen oder sein.The at least one functional group can be configured, for example, as explained in connection with the oxygen cathode according to the invention. For example, the at least one functional group may be an amine group and / or an anhydride group and / or a phenyl group and / or a halide group (or a halogen atom) and / or an aldehyde group and / or a carboxylic acid halide Group and / or a peroxy group and / or an imine group and / or an imide group and / or an azide group and / or an azo group and / or a cyanate group and / or an isocyanate group Group and / or a nitrate group and / or a nitrile group and / or a nitro group and / or a nitrite group and / or a pyridyl group and / or a thiol group and / or a sulfide group and / or a disulfide group and / or a sulfinyl group and / or a sulfonyl group and / or a thiocyanate group and / or an isothiocyanate group and / or a thioxo group.

Die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente kann beispielsweise in Form eines Vlieses und/oder Filzes und/oder Papiers und/oder Schaums und/oder Pulvers und/oder Granulats, beispielsweise in Form eines Vlieses und/oder Filzes und/oder Papiers und/oder Schaums, ausgebildet sein.The at least one surface-modified carbon component can be in the form of a nonwoven and / or felt and / or paper and / or foam and / or powder and / or granules, for example in the form of a nonwoven and / or felt and / or paper and / or Foam, be formed.

Zum Beispiel kann die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente ein, insbesondere oberflächenmodifiziertes, Kohlenstoffvlies und/oder ein, insbesondere oberflächenmodifizierter, Kohlenstofffilz und/oder ein, insbesondere oberflächenmodifiziertes, Kohlenstoffpapier und/oder ein, insbesondere oberflächenmodifizierter, Kohlenstoffschaum sein.For example, the at least one surface-modified carbon component may be a, in particular surface-modified, carbon mat and / or a, in particular surface-modified, carbon felt and / or a, in particular surface-modified, carbon paper and / or a, in particular surface-modified, carbon foam.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kathode, der erfindungsgemäßen Zelle, der erfindungsgemäßen Batterie und der erfindungsgemäßen Verwendung sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the method according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the cathode according to the invention, the cell according to the invention, the battery according to the invention and the use according to the invention as well as the figures and the description of the figures.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Metall-Sauerstoff-Zelle, welche eine erfindungsgemäße Sauerstoff-Kathode und/oder eine erfindungsgemäß hergestellte Sauerstoff-Kathode umfasst. Die Zelle kann insbesondere eine Lithium-Sauerstoff-Zelle sein. Beispielsweise kann die Zelle eine Metall-Luft-Zelle, zum Beispiel Lithium-Luft-Zelle, sein.Moreover, the invention relates to a metal-oxygen cell which comprises an oxygen cathode according to the invention and / or an oxygen cathode produced according to the invention. In particular, the cell may be a lithium-oxygen cell. For example, the cell may be a metal-air cell, for example lithium-air cell.

Weiterhin kann die Zelle insbesondere eine Anode, beispielsweise eine metallische Anode, umfassen. Zum Beispiel kann die Anode metallisches Lithium und/oder eine Lithiumlegierung und/oder ein Lithium-Interkalationsmaterial und/oder ein Lithium-Insertionsmaterial und/oder ein Lithium-Konversionsmaterial umfassen.Furthermore, the cell may in particular comprise an anode, for example a metallic anode. For example, the anode may comprise metallic lithium and / or a lithium alloy and / or a lithium intercalating material and / or a lithium insertion material and / or a lithium conversion material.

Weiterhin kann die Zelle einen, insbesondere lithiumionenleitenden, Festkörperelektrolytseparator umfassen. Der Festkörperelektrolytseparator kann insbesondere zwischen der Kathode und der Anode angeordnet sein. Der Festkörperelektrolytseparator kann insbesondere gasdicht ausgestaltet sein. So können durch den Festkörperelektrolytseparator vorteilhafterweise Sauerstoff (O2), Feuchte (H2O) und andere unerwünschte Gase, wie Kohlendioxid (CO2), daran gehindert werden von der Kathode zur Anode zu gelangen.Furthermore, the cell may comprise a, in particular lithium ion-conducting, solid electrolyte separator. The solid electrolyte separator may in particular be arranged between the cathode and the anode. The solid-state electrolyte separator can be designed in particular gas-tight. Thus, by the solid electrolyte separator advantageously oxygen (O 2 ), moisture (H 2 O) and other undesirable gases, such as carbon dioxide (CO 2 ), are prevented from getting from the cathode to the anode.

Die Lithium-Sauerstoff-Zelle kann weiterhin mindestens einen lithiumionenleitenden Flüssigelektrolyten umfassen. Beispielsweise kann die Lithium-Sauerstoff-Zelle eine ersten und einen zweiten lithiumionenleitenden Flüssigelektrolyten umfassen.The lithium-oxygen cell may further comprise at least one lithium ion-conducting liquid electrolyte. For example, the lithium-oxygen cell may comprise a first and a second lithium ion-conducting liquid electrolyte.

Weiterhin kann die Lithium-Sauerstoff-Zelle einen Polymerseparator umfassen. Der Polymerseparator kann beispielsweise mit dem mindestens einen lithiumionenleitenden Flüssigelektrolyten getränkt sein. Zum Beispiel kann der Polymerseparator mit einem, insbesondere ersten, lithiumionenleitenden Flüssigelektrolyten getränkt sein. Gegebenfalls kann dabei die Kathode mit einem anderen, insbesondere zweiten, lithiumionenleitenden Flüssigelektrolyten getränkt sein.Furthermore, the lithium-oxygen cell may comprise a polymer separator. The polymer separator may, for example, be impregnated with the at least one lithium ion-conducting liquid electrolyte. For example, the polymer separator may be impregnated with a, in particular first, lithium ion-conducting liquid electrolyte. Optionally, the cathode may be impregnated with another, in particular second, lithium ion-conducting liquid electrolyte.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kathode, dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Batterie und der erfindungsgemäßen Verwendung sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the cell according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the cathode according to the invention, the method according to the invention, the battery according to the invention and the use according to the invention as well as the figures and the description of the figures.

Weiterhin betriff die Erfindung eine Metall-Sauerstoff-Batterie, welche erfindungsgemäße Zellen umfasst. Insbesondere kann die Batterie eine Lithium-Sauerstoff-Batterie sein. Beispielsweise kann die Batterie eine Metall-Luft-Batterie, zum Beispiel eine Lithium-Luft-Batterie, sein. Furthermore, the invention relates to a metal-oxygen battery comprising cells according to the invention. In particular, the battery may be a lithium-oxygen battery. For example, the battery may be a metal-air battery, for example a lithium-air battery.

Insbesondere kann die Batterie mindestens zwei Zellen umfassen. Beispielsweise kann die Batterie eine Vielzahl von Zellen umfassen. Zum Beispiel kann die Batterie mindestens ein Batteriemodul aus verschalteten Zellen umfassen. Dabei können die Zellen beispielsweise parallel und/oder seriell verschalteten sein. Zum Beispiel kann die Batterie ein so genanntes Batteriepack sein, welches mindestens ein Batteriemodul umfasst. Beispielsweise kann das Batteriepack mehrere, verschaltete Batteriemodule umfassen.In particular, the battery may comprise at least two cells. For example, the battery may include a plurality of cells. For example, the battery may include at least one battery module of interconnected cells. The cells may, for example, be connected in parallel and / or in series. For example, the battery may be a so-called battery pack that includes at least one battery module. For example, the battery pack may comprise a plurality of interconnected battery modules.

Weiterhin kann die Batterie beziehungsweise die Zelle einen Gasverteiler (Englisch: Flow-field), insbesondere zur Zuführung und/oder Abführung von Sauerstoff, umfassen. Der Gasverteiler kann insbesondere auf der Sauerstoff-Kathode der Zelle vorgesehen sein. Gegebenenfalls kann der Gasverteiler zur Zuführung und/oder Abführung von Sauerstoff zu beziehungsweise von mehreren Sauerstoff-Kathoden, beispielsweise von mehreren Zellen, ausgelegt sein. So kann vorteilhafterweise eine gleichmäßige Verteilung von Sauerstoff zu der beziehungsweise zu den Sauerstoff-Kathoden gewährleistet werden.Furthermore, the battery or the cell may include a gas distributor (English: Flow-field), in particular for the supply and / or discharge of oxygen. The gas distributor may be provided in particular on the oxygen cathode of the cell. If appropriate, the gas distributor can be designed to supply and / or discharge oxygen to or from a plurality of oxygen cathodes, for example from a plurality of cells. Thus, advantageously, a uniform distribution of oxygen to or to the oxygen cathodes can be ensured.

Die Batterie kann beispielsweise in ein stationäres System, zum Beispiel in eine Stromspeicheranlage und/oder in eine Windkraftanlage, beispielsweise in eine Windturbine, und/oder in eine Photovoltaikanlage, und/oder in ein mobiles System, zum Beispiel in ein Fahrzeug, wie ein Hybridfahrzeug und/oder Elektrofahrzeug, und/oder in eine Consumer-Anwendung, zum Beispiel in einen Laptop und/oder Mobiltelefon, integriert sein. Daher betrifft die Erfindung auch ein stationäres System, zum Beispiel eine Stromspeicheranlage und/oder eine Windkraftanlage, beispielsweise eine Windturbine, und/oder eine Photovoltaikanlage, und/oder ein mobiles System, zum Beispiel ein Fahrzeug, wie ein Hybridfahrzeug und/oder Elektrofahrzeug, und/oder ein Elektronikgerät, beispielsweise eine Consumer-Anwendung, zum Beispiel einen Laptop und/oder ein Mobiltelefon, welches eine erfindungsgemäße Batterie und/oder Zelle umfasst.The battery may be, for example, in a stationary system, for example in a power storage system and / or in a wind turbine, for example in a wind turbine, and / or in a photovoltaic system, and / or in a mobile system, for example in a vehicle, such as a hybrid vehicle and / or electric vehicle, and / or integrated into a consumer application, for example in a laptop and / or mobile phone. Therefore, the invention also relates to a stationary system, for example a power storage system and / or a wind turbine, for example a wind turbine, and / or a photovoltaic system, and / or a mobile system, for example a vehicle, such as a hybrid vehicle and / or electric vehicle, and / or an electronic device, for example a consumer application, for example a laptop and / or a mobile telephone, which comprises a battery and / or cell according to the invention.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Batterie wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kathode, dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Zelle und der erfindungsgemäßen Verwendung sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the battery according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the cathode according to the invention, the method according to the invention, the cell according to the invention and the use according to the invention as well as the figures and the description of the figures.

Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer, durch mindestens eine funktionelle Gruppe oberflächenmodifizierten Kohlenstoff-Komponente als Katalysator zur Katalyse einer Reduktion von elementarem Sauerstoff zu Sauerstoffionen in einer Sauerstoff-Kathode einer Metall-Sauerstoff-Zelle, beispielsweise Metall-Luft-Zelle, insbesondere Lithium-Sauerstoff-Zelle, zum Beispiel Lithium-Luft-Zelle.Furthermore, the invention relates to the use of a surface-modified by at least one functional group carbon component as a catalyst for catalyzing a reduction of elemental oxygen to oxygen ions in an oxygen cathode of a metal-oxygen cell, for example metal-air cell, in particular lithium Oxygen cell, for example, lithium-air cell.

Im Rahmen einer Ausführungsform ist die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente in Form eines Vlieses und/oder Filzes und/oder Papiers und/oder Schaums und/oder Pulvers und/oder Granulats ausgebildet. Insbesondere kann die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente in Form eines Vlieses und/oder Filzes und/oder Papiers und/oder Schaums ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente ein, insbesondere oberflächenmodifiziertes, Kohlenstoffvlies und/oder ein, insbesondere oberflächenmodifizierter, Kohlenstofffilz und/oder ein, insbesondere oberflächenmodifiziertes, Kohlenstoffpapier und/oder ein, insbesondere oberflächenmodifizierter, Kohlenstoffschaum sein.In one embodiment, the at least one surface-modified carbon component is in the form of a fleece and / or felt and / or paper and / or foam and / or powder and / or granules. In particular, the at least one surface-modified carbon component may be in the form of a nonwoven and / or felt and / or paper and / or foam. For example, the at least one surface-modified carbon component may be a, in particular surface-modified, carbon mat and / or a, in particular surface-modified, carbon felt and / or a, in particular surface-modified, carbon paper and / or a, in particular surface-modified, carbon foam.

Die mindestens eine funktionelle Gruppe kann beispielsweise wie im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Sauerstoff-Kathode erläutert ausgestaltet sein.The at least one functional group can be configured, for example, as explained in connection with the oxygen cathode according to the invention.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist die mindestens eine funktionelle Gruppe eine Amin-Gruppe und/oder eine Anhydrid-Gruppe und/oder eine Phenyl-Gruppe und/oder eine Halogenid-Gruppe (beziehungsweise ein Halogenatom) und/oder eine Aldehyd-Gruppe und/oder eine Carbonsäurehalogenid-Gruppe und/oder eine Peroxy-Gruppe und/oder eine Imin-Gruppe und/oder eine Imid-Gruppe und/oder eine Azid-Gruppe und/oder eine Azo-Gruppe und/oder eine Cyanat-Gruppe und/oder eine Isocyanat-Gruppe und/oder eine Nitrat-Gruppe und/oder eine Nitril-Gruppe und/oder eine Nitro-Gruppe und/oder eine Nitrit-Gruppe und/oder eine Pyridyl-Gruppe und/oder eine Thiol-Gruppe und/oder eine Sulfid-Gruppe und/oder eine Disulfid-Gruppe und/oder eine Sulfinyl-Gruppe und/oder eine Sulfonyl-Gruppe und/oder eine Thiocyanat-Gruppe und/oder eine Isothiocyanat-Gruppe und/oder eine Thioxo-Gruppe. Insbesondere kann die mindestens eine funktionelle Gruppe eine Amin-Gruppe umfassen oder sein.In a further embodiment, the at least one functional group comprises or is an amine group and / or an anhydride group and / or a phenyl group and / or a halide group (or a halogen atom) and / or an aldehyde group and / or a carboxylic acid halide group and / or a peroxy group and / or an imine group and / or an imide group and / or an azide group and / or an azo group and / or a cyanate group and or an isocyanate group and / or a nitrate group and / or a nitrile group and / or a nitro group and / or a nitrite group and / or a pyridyl group and / or a thiol group and / or or a sulfide group and / or a disulfide group and / or a sulfinyl group and / or a sulfonyl group and / or a thiocyanate group and / or an isothiocyanate group and / or a thioxo group. In particular, the at least one functional group may comprise or be an amine group.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Oberflächenmodifizierung frei von übergangsmetallhaltigen Katalysatoren. Insbesondere kann die oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente frei von übergangsmetallhaltigen Katalysatoren sein.In a further embodiment, the surface modification is free of transition metal-containing catalysts. In particular, the surface-modified carbon component may be free of transition metal-containing catalysts.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kathode, dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Zelle und der erfindungsgemäßen Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen. With regard to further technical features and advantages of the use according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the cathode according to the invention, the method according to the invention, the cell according to the invention and the battery according to the invention as well as the figures and the description of the figures.

Zeichnungendrawings

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigenFurther advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way. Show it

1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Metall-Sauerstoff-Zelle; und 1 a schematic cross section through an embodiment of a metal-oxygen cell according to the invention; and

2 ein Reaktionsschema zur Veranschaulichung einer Reaktion einer Ausführungsform einer oberflächenmodifizierten Kohlenstoff-Komponente in einer Sauerstoff-Kathode einer Lithium-Sauerstoff-Zelle oder -Batterie. 2 a reaction scheme illustrating a reaction of an embodiment of a surface-modified carbon component in an oxygen cathode of a lithium-oxygen cell or battery.

1 zeigt eine Ausführungsform einer Metall-Sauerstoff-Zelle 100 und veranschaulicht, dass die Zelle 100 eine Sauerstoff-Kathode 10 und eine Anode 20 umfasst. 1 shows an embodiment of a metal-oxygen cell 100 and illustrates that the cell 100 an oxygen cathode 10 and an anode 20 includes.

Die Sauerstoff-Kathode 10 umfasst dabei mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente, welche eine Oberflächenmodifizierung durch mindestens eine funktionelle Gruppe, zum Beispiel eine Amin-Gruppe, aufweist. Die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente kann dabei beispielsweise in Form eines Vlieses und/oder Filzes und/oder Papiers und/oder Schaums und/oder Pulvers und/oder Granulats ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente ein Kohlenstoffvlies und/oder ein Kohlenstofffilz und/oder ein Kohlenstoffpapier und/oder ein Kohlenstoffschaum sein. Es hat sich herausgestellt, dass die Oberflächenmodifizierung durch die mindestens eine funktionelle Gruppe selbst bei der Reduktionsreaktion von Sauerstoff katalytisch aktiv sein kann, was es ermöglicht auf die Zugabe eines übergangsmetallhaltigen Katalysators hierfür zu verzichten. Die Oberflächenmodifizierung und gegebenenfalls auch die Kohlenstoff-Komponente und die Kathode als solche können daher vorteilhafterweise frei von übergangsmetallhaltigen Katalysatoren ausgestaltet werden.The oxygen cathode 10 comprises at least one surface-modified carbon component which has a surface modification by at least one functional group, for example an amine group. The at least one surface-modified carbon component may be formed, for example, in the form of a nonwoven and / or felt and / or paper and / or foam and / or powder and / or granules. For example, the at least one surface modified carbon component may be a carbon nonwoven and / or a carbon felt and / or a carbon paper and / or a carbon foam. It has been found that the surface modification by the at least one functional group can be catalytically active even in the reduction reaction of oxygen, which makes it possible to dispense with the addition of a transition metal-containing catalyst for this purpose. The surface modification and optionally also the carbon component and the cathode as such can therefore advantageously be configured free of transition metal-containing catalysts.

1 veranschaulicht, dass die Anode 20 mit einem Anodenstromableiter 21 ausgestattet ist. Die Anode 20 kann beispielsweise metallisches Lithium oder ein anderes Anodenmaterial, zum Beispiel einer Legierung, umfassen beziehungsweise daraus ausgebildet sein kann. Dabei kann die Anode 20 beispielsweise auf den Anodenstromableiter 21 beschichtet, aufgelegt oder plattiert sein. 1 illustrates that the anode 20 with an anode current collector 21 Is provided. The anode 20 For example, it may comprise or be formed from metallic lithium or another anode material, for example an alloy. In this case, the anode 20 for example, on the anode current collector 21 coated, laid on or clad.

1 zeigt, dass zwischen der Kathode 10 und der Anode 20 ein lithiumionenleitender Festkörperelektrolytseparator 30 angeordnet ist. 1 shows that between the cathode 10 and the anode 20 a lithium ion conducting solid electrolyte separator 30 is arranged.

1 deutet zudem an, dass gegebenenfalls weiterhin ein mit einem, insbesondere ersten, Elektrolyten getränkter Polymerseparator 31 zwischen der Anode 20 und dem Festkörperelektrolytseparator 30 vorgesehen sein kann. Gegebenfalls kann die Kathode 10 mit einem anderen, insbesondere zweiten, Elektrolyten getränkt sein. 1 also indicates that, if appropriate, a polymer separator impregnated with a, in particular first, electrolyte remains 31 between the anode 20 and the solid electrolyte separator 30 can be provided. Optionally, the cathode 10 be impregnated with another, in particular second, electrolyte.

2 zeigt ein Reaktionsschema und veranschaulicht eine mögliche Reaktion einer Ausführungsform einer oberflächenmodifizierten Kohlenstoff-Komponente in einer Sauerstoff-Kathode einer Lithium-Sauerstoff-Zelle oder -Batterie. 2 Figure 4 shows a reaction scheme and illustrates a possible reaction of one embodiment of a surface-modified carbon component in an oxygen cathode of a lithium-oxygen cell or battery.

Im Rahmen der in 2 gezeigten Ausführungsform umfasst die Sauerstoff-Kathode eine Kohlenstoff-Komponente 11, die eine Oberflächenmodifizierung in Form einer Amin-Gruppen 12 aufweist.As part of the in 2 In the embodiment shown, the oxygen cathode comprises a carbon component 11 containing a surface modification in the form of an amine groups 12 having.

2 veranschaulicht, dass das freie Elektronenpaar der Amin-Gruppe 12 die O=O-Doppelbindung von elementarem Sauerstoff schwächen und dadurch die Reduktionsreaktion von Sauerstoff zu Lithiumperoxid (Li2O2) katalysieren kann. 2 illustriert, dass die Katalyse gegebenenfalls über einen Übergangszustand ablaufen könnte, in dem eines der beiden Sauerstoffatome eine, insbesondere kovalente, Bindung mit dem Stickstoff der Amingruppe 12 und das andere der beiden Sauerstoffatome eine, insbesondere ionische, Bindung mit einem Lithiumion (Li+) eingeht. Unter Abgabe von zwei Elektronen (2e–) kann dann Lithiumperoxid (Li2O2) gebildet werden, wobei die Amin-Gruppe 12 wieder zur Katalyse einer Reduktionsreaktion von weiterem Sauerstoff eingesetzt werden kann. 2 illustrates that the lone pair of electrons of the amine group 12 weaken the O = O double bond of elemental oxygen and thereby catalyze the reduction reaction of oxygen to lithium peroxide (Li 2 O 2 ). 2 illustrates that the catalysis could possibly proceed via a transition state in which one of the two oxygen atoms has an, in particular covalent, bond with the nitrogen of the amine group 12 and the other of the two oxygen atoms undergoes one, in particular ionic, binding with a lithium ion (Li + ). With delivery of two electrons (2e - ) can then be formed lithium peroxide (Li 2 O 2 ), wherein the amine group 12 can be used again to catalyze a reduction reaction of further oxygen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 5510209 A [0008] US 5510209 A [0008]
  • WO 2013/039602 A1 [0012] WO 2013/039602 A1 [0012]
  • EP 0978890 A1 [0013] EP 0978890 A1 [0013]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Jake Christensen et al. haben in Journal of The Electrochemical Society (159 (2) R1–R30 (2012) [0009] Jake Christensen et al. in Journal of The Electrochemical Society (159 (2) R1-R30 (2012) [0009]
  • A Reversible and Higher-Rate Li-O2-Battery; Zhangquan Peng, Stefan A. Freunberger, Yuhui Chen, Peter G. Bruce; Science Express Reports; July 25th, 2012; Science DOI: 10.1126/science.1223985 [0011] A Reversible and Higher-Rate Li-O2 Battery; Zhangquan Peng, Stefan A. Freunberger, Yuhui Chen, Peter G. Bruce; Science Express Reports; July 25th, 2012; Science DOI: 10.1126 / science.1223985 [0011]

Claims (15)

Sauerstoff-Kathode (10) für eine Metall-Sauerstoff-Zelle (100), insbesondere Lithium-Sauerstoff-Zelle, umfassend mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente (11), welche eine Oberflächenmodifizierung durch mindestens eine funktionelle Gruppe (12) aufweist, wobei die Oberflächenmodifizierung frei von übergangsmetallhaltigen Katalysatoren ist.Oxygen cathode ( 10 ) for a metal-oxygen cell ( 100 ), in particular a lithium-oxygen cell, comprising at least one surface-modified carbon component ( 11 ), which surface modification by at least one functional group ( 12 ), wherein the surface modification is free of transition metal-containing catalysts. Kathode (10) nach Anspruch 1, wobei der Gewichtsanteil der mindestens einen funktionellen Gruppe (12), bezogen auf das Gesamtgewicht der damit oberflächenmodifizierten Kohlenstoff-Komponente (11), ≥ 0,05 Gew.-% bis ≤ 10 Gew.-% beträgt.Cathode ( 10 ) according to claim 1, wherein the proportion by weight of the at least one functional group ( 12 ), based on the total weight of the surface-modified carbon component ( 11 ), ≥ 0.05 wt% to ≤ 10 wt%. Kathode (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine funktionelle Gruppe (12) eine Amin-Gruppe und/oder eine Carboxy-Gruppe und/oder eine Anhydrid-Gruppe und/oder eine Phenyl-Gruppe und/oder eine Hydroxy-Gruppe und/oder eine Halogenid-Gruppe und/oder eine Carbonyl-Gruppe und/oder eine Aldehyd-Gruppe und/oder eine Carbonsäurehalogenid-Gruppe und/oder eine Alkoxy-Gruppe und/oder eine Peroxy-Gruppe und/oder eine Carbonsäureamid-Gruppe und/oder eine Imin-Gruppe und/oder eine Imid-Gruppe und/oder eine Azid-Gruppe und/oder eine Azo-Gruppe und/oder eine Cyanat-Gruppe und/oder eine Isocyanat-Gruppe und/oder eine Nitrat-Gruppe und/oder eine Nitril-Gruppe und/oder eine Nitro-Gruppe und/oder eine Nitrit-Gruppe und/oder eine Pyridyl-Gruppe und/oder eine Thiol-Gruppe und/oder eine Sulfid-Gruppe und/oder eine Disulfid-Gruppe und/oder eine Sulfinyl-Gruppe und/oder eine Sulfonyl-Gruppe und/oder eine Thiocyanat-Gruppe und/oder eine Isothiocyanat-Gruppe und/oder eine Thioxo-Gruppe umfasst. Cathode ( 10 ) according to claim 1 or 2, wherein the at least one functional group ( 12 ) an amine group and / or a carboxy group and / or an anhydride group and / or a phenyl group and / or a hydroxy group and / or a halide group and / or a carbonyl group and / or an aldehyde group and / or a carboxylic acid halide group and / or an alkoxy group and / or a peroxy group and / or a carboxylic acid amide group and / or an imine group and / or an imide group and / or a Azide group and / or an azo group and / or a cyanate group and / or an isocyanate group and / or a nitrate group and / or a nitrile group and / or a nitro group and / or a nitrite Group and / or a pyridyl group and / or a thiol group and / or a sulfide group and / or a disulfide group and / or a sulfinyl group and / or a sulfonyl group and / or a thiocyanate group Group and / or an isothiocyanate group and / or a thioxo group. Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mindestens eine funktionelle Gruppe (12) eine Amin-Gruppe umfasst.Cathode ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the at least one functional group ( 12 ) comprises an amine group. Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente (11) in Form eines Vlieses und/oder Filzes und/oder Papiers und/oder Schaums und/oder Pulvers und/oder Granulats ausgebildet ist.Cathode ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, wherein the at least one surface-modified carbon component ( 11 ) in the form of a nonwoven and / or felt and / or paper and / or foam and / or powder and / or granules is formed. Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente (11) ein Kohlenstoffvlies und/oder ein Kohlenstofffilz und/oder ein Kohlenstoffpapier und/oder ein Kohlenstoffschaum ist.Cathode ( 10 ) according to one of claims 1 to 5, wherein the at least one surface-modified carbon component ( 11 ) is a carbon mat and / or a carbon felt and / or a carbon paper and / or a carbon foam. Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kathode (10) weiterhin mindestens einen Binder umfasst.Cathode ( 10 ) according to one of claims 1 to 6, wherein the cathode ( 10 ) further comprises at least one binder. Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kathode (10) frei von übergangsmetallhaltigen Katalysatoren ist.Cathode ( 10 ) according to one of claims 1 to 7, wherein the cathode ( 10 ) is free of transition metal-containing catalysts. Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Kathode (10) durch ein Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 hergestellt ist.Cathode ( 10 ) according to one of claims 1 to 8, wherein the cathode ( 10 ) is produced by a method according to claim 10 or 11. Verfahren zur Herstellung einer Sauerstoff-Kathode (10) für eine Metall-Sauerstoff-Zelle (100), insbesondere für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, in dem – eine Kohlenstoff-Komponente (11) durch mindestens eine funktionelle Gruppe (12) oberflächenmodifiziert wird, wobei die mindestens eine funktionelle Gruppe (12) eine Amin-Gruppe und/oder eine Anhydrid-Gruppe und/oder eine Phenyl-Gruppe und/oder eine Halogenid-Gruppe und/oder eine Aldehyd-Gruppe und/oder eine Carbonsäurehalogenid-Gruppe und/oder eine Peroxy-Gruppe und/oder eine Imin-Gruppe und/oder eine Imid-Gruppe und/oder eine Azid-Gruppe und/oder eine Azo-Gruppe und/oder eine Cyanat-Gruppe und/oder eine Isocyanat-Gruppe und/oder eine Nitrat-Gruppe und/oder eine Nitril-Gruppe und/oder eine Nitro-Gruppe und/oder eine Nitrit-Gruppe und/oder eine Pyridyl-Gruppe und/oder eine Thiol-Gruppe und/oder eine Sulfid-Gruppe und/oder eine Disulfid-Gruppe und/oder eine Sulfinyl-Gruppe und/oder eine Sulfonyl-Gruppe und/oder eine Thiocyanat-Gruppe und/oder eine Isothiocyanat-Gruppe und/oder eine Thioxo-Gruppe ist; und – direkt aus der, durch die mindestens eine funktionelle Gruppe (12) oberflächenmodifizierten Kohlenstoff-Komponente (11) eine Sauerstoff-Kathode (10) ausgebildet wird.Method for producing an oxygen cathode ( 10 ) for a metal-oxygen cell ( 100 ), in particular for a lithium-oxygen cell in which - a carbon component ( 11 ) by at least one functional group ( 12 ) is surface-modified, wherein the at least one functional group ( 12 ) an amine group and / or an anhydride group and / or a phenyl group and / or a halide group and / or an aldehyde group and / or a carboxylic acid halide group and / or a peroxy group and / or an imine group and / or an imide group and / or an azide group and / or an azo group and / or a cyanate group and / or an isocyanate group and / or a nitrate group and / or a Nitrile group and / or a nitro group and / or a nitrite group and / or a pyridyl group and / or a thiol group and / or a sulfide group and / or a disulfide group and / or a sulfinyl Group and / or a sulfonyl group and / or a thiocyanate group and / or an isothiocyanate group and / or a thioxo group; and - directly from, through which at least one functional group ( 12 ) surface-modified carbon component ( 11 ) an oxygen cathode ( 10 ) is formed. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die, durch die mindestens eine funktionelle Gruppe (12) oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente (11) nicht mit einem Präkursor zur Ausbildung eines übergangsmetallhaltigen Katalysators behandelt wird und/oder frei von übergangsmetallhaltigen Katalysatoren ist.The method of claim 10, wherein, by which at least one functional group ( 12 ) surface-modified carbon component ( 11 ) is not treated with a precursor to form a transition metal-containing catalyst and / or is free of transition metal-containing catalysts. Metall-Sauerstoff-Zelle (100), insbesondere Lithium-Sauerstoff-Zelle, umfassend eine Sauerstoff-Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder eine Sauerstoff-Kathode (10) hergestellt durch ein Verfahren nach Anspruch 10 oder 11.Metal-oxygen cell ( 100 ), in particular a lithium-oxygen cell, comprising an oxygen cathode ( 10 ) according to one of claims 1 to 9 and / or an oxygen cathode ( 10 ) produced by a method according to claim 10 or 11. Metall-Sauerstoff-Batterie, insbesondere Lithium-Sauerstoff-Batterie, umfassend Zellen (100) nach Anspruch 12.Metal-oxygen battery, in particular lithium-oxygen battery, comprising cells ( 100 ) according to claim 12. Verwendung einer, durch mindestens eine funktionelle Gruppe (12) oberflächenmodifizierten Kohlenstoff-Komponente (11) als Katalysator zur Katalyse einer Reduktion von elementarem Sauerstoff zu Sauerstoffionen in einer Sauerstoff-Kathode (10) einer Metall-Sauerstoff-Zelle (100).Using one, by at least one functional group ( 12 ) surface-modified carbon component ( 11 ) as a catalyst for catalyzing a reduction of elemental oxygen to oxygen ions in an oxygen cathode ( 10 ) a metal-oxygen cell ( 100 ). Verwendung nach Anspruch 14, wobei die mindestens eine oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente (11) in Form eines Vlieses und/oder Filzes und/oder Papiers und/oder Schaums und/oder Pulvers und/oder Granulats, insbesondere in Form eines Vlieses und/oder Filzes und/oder Papiers und/oder Schaums, ausgebildet ist, und/oder wobei die mindestens eine funktionelle Gruppe (12) eine Amin-Gruppe und/oder eine Anhydrid-Gruppe und/oder eine Phenyl-Gruppe und/oder eine Halogenid-Gruppe und/oder eine Aldehyd-Gruppe und/oder eine Carbonsäurehalogenid-Gruppe und/oder eine Peroxy-Gruppe und/oder eine Imin-Gruppe und/oder eine Imid-Gruppe und/oder eine Azid-Gruppe und/oder eine Azo-Gruppe und/oder eine Cyanat-Gruppe und/oder eine Isocyanat-Gruppe und/oder eine Nitrat-Gruppe und/oder eine Nitril-Gruppe und/oder eine Nitro-Gruppe und/oder eine Nitrit-Gruppe und/oder eine Pyridyl-Gruppe und/oder eine Thiol-Gruppe und/oder eine Sulfid-Gruppe und/oder eine Disulfid-Gruppe und/oder eine Sulfinyl-Gruppe und/oder eine Sulfonyl-Gruppe und/oder eine Thiocyanat-Gruppe und/oder eine Isothiocyanat-Gruppe und/oder eine Thioxo-Gruppe, insbesondere eine Amin-Gruppe, umfasst, und/oder wobei die Oberflächenmodifizierung, insbesondere die oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Komponente (11), frei von übergangsmetallhaltigen Katalysatoren ist. Use according to claim 14, wherein the at least one surface-modified carbon component ( 11 ) in the form of a nonwoven and / or felt and / or paper and / or foam and / or powder and / or granules, in particular in the form of a nonwoven and / or felt and / or paper and / or foam is formed, and / or where the at least one functional group ( 12 ) an amine group and / or an anhydride group and / or a phenyl group and / or a halide group and / or an aldehyde group and / or a carboxylic acid halide group and / or a peroxy group and / or an imine group and / or an imide group and / or an azide group and / or an azo group and / or a cyanate group and / or an isocyanate group and / or a nitrate group and / or a Nitrile group and / or a nitro group and / or a nitrite group and / or a pyridyl group and / or a thiol group and / or a sulfide group and / or a disulfide group and / or a sulfinyl Group and / or a sulfonyl group and / or a thiocyanate group and / or an isothiocyanate group and / or a thioxo group, in particular an amine group, and / or wherein the surface modification, in particular the surface-modified carbon Component ( 11 ), free of transition metal-containing catalysts.
DE102015213046.0A 2015-07-13 2015-07-13 Surface-modified carbon as an oxygen catalyst Withdrawn DE102015213046A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015213046.0A DE102015213046A1 (en) 2015-07-13 2015-07-13 Surface-modified carbon as an oxygen catalyst

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015213046.0A DE102015213046A1 (en) 2015-07-13 2015-07-13 Surface-modified carbon as an oxygen catalyst

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102015213046A1 true DE102015213046A1 (en) 2017-01-19

Family

ID=57629969

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102015213046.0A Withdrawn DE102015213046A1 (en) 2015-07-13 2015-07-13 Surface-modified carbon as an oxygen catalyst

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102015213046A1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4835074A (en) * 1987-09-25 1989-05-30 The Electrosynthesis Company, Inc. Modified carbons and electrochemical cells containing the same
US5510209A (en) 1995-01-05 1996-04-23 Eic Laboratories, Inc. Solid polymer electrolyte-based oxygen batteries
EP0978890A1 (en) 1998-08-03 2000-02-09 Rayovac Corporation Electrodes and electrochemical cells made with such electrodes
US6280871B1 (en) * 1999-10-12 2001-08-28 Cabot Corporation Gas diffusion electrodes containing modified carbon products
US20110159372A1 (en) * 2009-12-24 2011-06-30 Aruna Zhamu Conductive graphene polymer binder for electrochemical cell electrodes
WO2013039602A1 (en) 2011-09-16 2013-03-21 Uchicago Argonne, Llc Catalytic cathode for lithium-air batteries

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4835074A (en) * 1987-09-25 1989-05-30 The Electrosynthesis Company, Inc. Modified carbons and electrochemical cells containing the same
US5510209A (en) 1995-01-05 1996-04-23 Eic Laboratories, Inc. Solid polymer electrolyte-based oxygen batteries
EP0978890A1 (en) 1998-08-03 2000-02-09 Rayovac Corporation Electrodes and electrochemical cells made with such electrodes
US6280871B1 (en) * 1999-10-12 2001-08-28 Cabot Corporation Gas diffusion electrodes containing modified carbon products
US20110159372A1 (en) * 2009-12-24 2011-06-30 Aruna Zhamu Conductive graphene polymer binder for electrochemical cell electrodes
WO2013039602A1 (en) 2011-09-16 2013-03-21 Uchicago Argonne, Llc Catalytic cathode for lithium-air batteries

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A Reversible and Higher-Rate Li-O2-Battery; Zhangquan Peng, Stefan A. Freunberger, Yuhui Chen, Peter G. Bruce; Science Express Reports; July 25th, 2012; Science DOI: 10.1126/science.1223985

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60133806T2 (en) FINE-PART METAL CATALYST AND PRODUCTION METHOD THEREFOR
EP2534719B1 (en) Rechargeable electrochemical cell
EP2812114B1 (en) Use of mesoporous graphite particles for electrochemical applications
EP2852994B1 (en) Process for producing an electrode for an electrochemical energy storage means and electrode
EP2573845B1 (en) Structural active material for battery electrodes
DE10242911A1 (en) Electrode catalyst for fuel cell and method for its production
DE102011086763A1 (en) Lithium-sulfur battery with a polysulfide barrier
DE102013226011A1 (en) Electrode material for a lithium cell
WO2016202536A1 (en) Na-doped and nb-, w- and/or mo-doped he-ncm
DE2452064A1 (en) GAS-TIGHT SEALED ALKALINE ACCUMULATOR
DE102012215929B4 (en) Metal-oxygen battery
DE102015207552A1 (en) Oxygen cathode with a sponge-like carbon skeleton structure
WO2018046446A1 (en) Gas diffusion electrode and fuel cell comprising such a gas diffusion electrode
WO2015049128A1 (en) Noble metal-free catalyst system for a fuel cell
EP3331073B1 (en) Secondary cell, battery comprising one or more secondary cells and a method for loading and discharging
DE102015209981A1 (en) Solid electrolyte separator for lithium conversion cell
DE102013206740A1 (en) Alkali-oxygen cell with titanate anode
DE3390339T1 (en) Sealed nickel / zinc cell
DE102015213046A1 (en) Surface-modified carbon as an oxygen catalyst
DE112022002372T5 (en) BIPOLAR ELECTRODE FOR METAL HYDRIDE BATTERY, METAL HYDRIDE BATTERY EQUIPPED WITH BIPOLAR ELECTRODE, METHOD FOR PRODUCING A BIPOLAR ELECTRODE FOR METAL HYDRIDE BATTERY AND METHOD FOR PRODUCING A METAL HYDRIDE BATTERY
WO2014206600A1 (en) Electrode for an electrochemical energy storage means
DE102019211857B3 (en) LITHIUM SECONDARY BATTERY, USE OF A LITHIUM SECONDARY BATTERY, AND METHOD OF MANUFACTURING A LITHIUM SECONDARY BATTERY
DE1496291B2 (en) Rechargeable gas-tight, closed galvanic element with an auxiliary electrode that is electrically connected to the positive electrode and catalyzes hydrogen ions
WO2017025557A1 (en) Membrane electrode assembly for a fuel cell, and fuel cell
DE102015210749A1 (en) Lithium-sulfur cell cathodic additives for quasi-constant voltage step

Legal Events

Date Code Title Description
R083 Amendment of/additions to inventor(s)
R163 Identified publications notified
R005 Application deemed withdrawn due to failure to request examination