DE102010006440A1 - Electrode material for rechargeable electrochemical cell, has cathode material containing lithium, sodium, magnesium, calcium, beryllium, aluminum and/or manganese, and iron, manganese, nickel, cobalt and/or their mixture - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft wiederaufladbare (Sekundär)-Batterien auf Lithiumbasis. Konkret bezieht sich die Erfindung auf Materialien, die als Elektroden in einer Lithium-Ionen-Batterie eingesetzt werden können. Die Erfindung beinhaltet chemische Verbindungen aus der Gruppe der Amido und Imidoverbindungen, die eine Formulierung nach
Stand der TechnikState of the art
Wiederaufladbare Lithiumbatterien (Synonym: Lithium-Sekundärbatterien) gemäß dem Stand der Technik verwenden ein festes Reduktionsmittel als Anode und ein festes Oxidationsmittel als Kathode. Sowohl die chemischen bzw. elektrochemischen Prozesse an der Anode als auch an der Kathode müssen, zur Ermöglichung der Wiederaufladbarkeit, reversibel gestaltet sein.Rechargeable lithium batteries (synonym: lithium secondary batteries) according to the prior art use a solid reducing agent as the anode and a solid oxidizing agent as the cathode. Both the chemical and electrochemical processes at the anode and at the cathode must be reversibly designed to allow for rechargeability.
Bei der Entladung treten aus der Anode Lithium-Ionen aus und in den Elektrolyt über. Gleichzeitig werden aus der Anode Elektronen in den äußeren -elektrischen-Verbraucherkreis (Synonym: Äußerer Leiterkreis) abgegeben.During the discharge, lithium ions leak out of the anode and into the electrolyte. At the same time, electrons are released from the anode into the outer-electrical consumer circuit (synonym: outer conductor circuit).
Die Kathode besteht üblicherweise aus einem elektrisch leitenden Akzeptor, der die Li+ Ionen während des Entladevorgangs reversibel aus dem Elektrolyten aufnimmt und durch Rekombination mit Elektronen aus dem äußeren Leiterkreis elektrisch ladungsneutralisiert.The cathode usually consists of an electrically conductive acceptor, which reversibly receives the Li + ions during the discharge process from the electrolyte and is electrically charge-neutralized by recombination with electrons from the outer conductor circuit.
Beim Entladeprozess fließen also Elektronen aus der Anode in den äußeren Leiterkreis, verrichten dort ggf. Arbeit an einem Verbraucher, beispielsweise einem Elektromotor, und fließen dann in die Kathode zurück, wo sie mit Li+ Ionen aus dem Elektrolyten elektrisch rekombinieren.During the discharge process, therefore, electrons flow from the anode into the outer conductor circuit, where they perform work on a consumer, for example an electric motor, and then flow back into the cathode, where they electrically recombine with Li + ions from the electrolyte.
Während des Ladevorgangs werden der Kathode Elektronen durch ein äußeres Feld entzogen. Die dabei entstehenden Li+ Ionen treten aus der Kathode in den Elektrolyten über bzw. aus dem Elektrolyten auf die Anode, wo eine erneute Rekombination mit Elektronen aus dem äußeren Leiterkreis zur Ladungsneutralisierung stattfindet. Dadurch wird die ursprüngliche Materialstruktur, die vor dem Entladen bestanden hat, wieder hergestellt.During charging, the cathode is deprived of electrons by an external field. The resulting Li + ions pass from the cathode into the electrolyte via or from the electrolyte to the anode, where a renewed recombination with electrons from the outer conductor circuit takes place for charge neutralization. This restores the original material structure that existed before unloading.
Wiederaufladbare Lithium Ionen-Batterien entsprechend des Stands der Technik verwenden auf der Anodenseite Kohlenstoff, in dem das Lithium reversibel gebunden ist, sowie eine Lithiumverbindung auf der Kathodenseite, beispielsweise LiCoO2, LiNiO2, LiFePO4 oder Verbindungen auf Basis von Mangan wie z. B. LiMn2O4, wobei das -Mn2O4 eine günstige Spinellstruktur aufweist, die eine reversible Beladung mit Lithium in den Gitterzwischenräumen gestattet.Prior art rechargeable lithium ion batteries use on the anode side carbon in which the lithium is reversibly bound and a lithium compound on the cathode side, for example LiCoO 2, LiNiO 2, LiFePO 4 or manganese based compounds such as e.g. B. LiMn2O4, wherein the -Mn2O4 has a favorable spinel structure, which allows a reversible loading of lithium in the lattice interstices.
In diesem Falle beschränkt allerdings die geringe Größe des Sauerstoff-Ions das freie, für die Einlagerung von Li+ Ionen verfügbare Volumen. Dadurch wird die darstellbare Energiedichte der Elektroden und auch die Leitfähigkeit der Struktur für Li-Ionen-Transport, die vor allem auch für die maximal mögliche Entladegeschwindigkeit maßgeblich ist, signifikant eingeschränkt.In this case, however, the small size of the oxygen ion limits the free volume available for the incorporation of Li + ions. As a result, the representable energy density of the electrodes and also the conductivity of the structure for Li-ion transport, which is primarily relevant for the maximum possible discharge speed, significantly limited.
Eine Verbesserung kann durch Ersatz des Sauerstoff-Ions durch ein größeres Schwefel-Ion, wodurch das freie Volumen deutlich vergrößert werden kann, erzielt werden. Allerdings sinkt dadurch die Ausgangsspannung der Elementarzelle deutlich.An improvement can be achieved by replacing the oxygen ion with a larger sulfur ion, which can significantly increase the free volume. However, this reduces the output voltage of the unit cell significantly.
Eine weitere Verbesserung ergibt sich durch Verwendung von LiFePO4 als Kathodenmaterial. Durch den Einsatz dieses Materials ergeben sich durch ein weiter vergrößertes verfügbares Volumen für die Einlagerung von Li-Ionen im Zwischengitter weitere Vorteile bezüglich Speicherkapazität und Ionentransporteschwindigkeit. [
LiFePO4 hat weitere große Vorteile im Vergleich zu den anderen genannten Materialien: es ist preiswert, umwelttechnisch unbedenklich und thermisch stabil im geladenen Zustand. Die thermische Stabilität ist aufgrund der Struktur besonders hervorzuheben: die Sauerstoffatome bilden eine hexagonal dichte Struktur (hdp). Die Eisenatome sind dabei in sogenannten ”zizag Ketten” als Octahedrons in alternierenden basalen Ebenen angeordnet; die Lithiumionen besetzen die Oktaederlücken. Die starken kovalenten Bindungen zwischen den Sauerstoffatomen und dem Phosphor zu Phosphationen (PO4)3– bewirken eine stärkere Stabilisierung der Struktur als im Vergleich zu den Schichtstrukturen von LiCoO2; LiNiO2 und LiMn2O4, in denen die Sauerstoffschichten schwächer gebunden sind. Die ausgeprägte Kovalenz stabilisiert dabei den Antibindungszustand des Fe3+/Fe2+ Zustandes durch Fe-O-P induktive Effekte.LiFePO4 has other major advantages over the other materials mentioned: it is inexpensive, environmentally safe and thermally stable in the charged state. The thermal stability is particularly noteworthy due to the structure: the oxygen atoms form a hexagonal dense structure (hdp). The iron atoms are arranged in so-called "zizag chains" as octahedrons in alternating basal planes; the lithium ions occupy the octahedral holes. The strong covalent bonds between the oxygen atoms and the phosphorus to phosphate ions (PO 4 ) 3- cause a stronger stabilization of the structure compared to the layer structures of LiCoO 2; LiNiO2 and LiMn2O4, in which the oxygen layers are weaker bound. The pronounced covalency stabilizes the state of bondage of the Fe 3+ / Fe 2+ state by Fe-OP inductive effects.
LiFePO4 weist eine spezifische Kapazität von 170 mAh/g auf mit guter Rezyklisierbarkeit und einer flachen Entladepotentialkurve bei 3,2 bis 3,4 V – je nach Entladebedingung.LiFePO4 has a specific capacity of 170 mAh / g with good recyclability and a flat discharge potential curve at 3.2 to 3.4 V depending on the discharge condition.
Allerdings weisen die Olivinstrukturen den Nachteil äußerst geringer elektrischer Leitfähigkeit und geringer Lithiumdiffusität auf.However, the olivine structures have the disadvantage of extremely low electrical conductivity and low lithium diffusivity.
Prinzipielle elektrochemische Überlegungen und ZusammenhängeBasic electrochemical considerations and relationships
Übersicht der verwendeten Abkürzunen und Formelzeichen
Die Leistungsabgabe P einer Batterie ist das Produkt aus der elektrischen Spannung U an den Polen der Batterie und dem von der Batterie gelieferten elektrischen Strom I.
Die elektrische Spannung unter Last reduziert sich gegenüber der Leerlaufspannung UOCV (Synonym: Open Circuit Voltage – OCV) um eine Überspannung, die aus dem Innenwiderstand der Batterie resultiert:
Die Leerlaufspannung ergibt sich aus The open circuit voltage results
Mit der Anzahl elektrischer Ladungen n, die pro Ion transportiert werden, sowie der Faradaykonstante F. Die Größenordnung der OCV wird bestimmt durch die erreichbare Differenz im elektrochemischen Potential zwischen Anode und Kathode bzw. der Energielücke (Energy Gap) zwischen dem obersten Valenzband und dem untersten Leitungsband eines Festelektrolyten.With the number of electrical charges n transported per ion and the Faraday constant F. The magnitude of the OCV is determined by the achievable difference in the electrochemical potential between anode and cathode or the energy gap between the uppermost valence band and the lowest one Conduction band of a solid electrolyte.
Das chemische Potential der Anode μA, das der Fermienergie εF einer metallisch-reduzierenden Anode oder der HOMO eines flüssigen oder gasförmigen Reduktionsmittels entspricht, muss zwischen der LUMO eines flüssigen Elektrolyten bzw. dem Leitungsband eines Festelektrolyten liegen, damit der Elektrolyt thermodynamisch stabil bezüglich der Reduktion durch das Reduktionsmittel ist.The chemical potential of the anode μ A , which corresponds to the Fermi energy ε F of a metal-reducing anode or the HOMO of a liquid or gaseous reducing agent, must lie between the LUMO of a liquid electrolyte or the conduction band of a solid electrolyte, so that the electrolyte thermodynamically stable with respect to Reduction by the reducing agent is.
Analog dazu muß das chemische Potential der Kathode μC, das der LUMO eines flüssigen oder gasförmigen Oxidators oder der Fermienergie einer metallisch-oxidierenden Kathode entspricht, über der HOMO eines flüssigen Elektrolyten oder dem Valenzband eines Festelektrolyten liegen, damit der Elektrolyt thermodynamisch stabil gegen Oxidation durch das Oxidationsmittel ist.Analogously, the chemical potential of the cathode μ C , which corresponds to the LUMO of a liquid or gaseous oxidizer or the Fermi energy of a metal-oxidizing cathode must be above the HOMO of a liquid electrolyte or the valence band of a solid electrolyte, so that the electrolyte thermodynamically stable against oxidation by the oxidizing agent is.
Thermodynamische Stabilität liegt somit vor, wenn gilt:
Der Elektrolytwiderstand Rel des Ionenstroms ist proportional zum Verhältnis der effektiven Dicke L zur geometrischen Fläche A des Zwischenraums zwischen den Elektroden, der durch einen Elektrolyten mit der ionischen Leitfähigkeit σi gefüllt ist: The electrolyte resistance R el of the ionic current is proportional to the ratio of the effective thickness L to the geometric area A of the space between the electrodes, which is filled by an electrolyte having the ionic conductivity σ i :
Da sich die Ionen durch Diffusion bewegen, steigt die ionische Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur an. As the ions move by diffusion, the ionic conductivity increases with increasing temperature.
Typische Leitfähigkeiten von in der Praxis unter 0.1 S/cm bei Betriebstemperatur von z. B. 25°C führen daher zwingend zur Verwendung einer Separatormembran zwischen den Elektroden mit großer geometrischer Fläche A und geringer Dicke L.Typical conductivities of in practice under 0.1 S / cm at operating temperature of z. B. 25 ° C therefore necessarily lead to the use of a separator membrane between the electrodes with a large geometric area A and small thickness L.
Der Transportwiderstand eines Ions durch den Übergang Elektrode-Elektrolyt ist proportional zum Verhältnis der geometrischen Fläche zur Kontaktfläche an jeder Elektrode. The transport resistance of an ion through the electrode-electrolyte interface is proportional to the ratio of geometric area to contact area at each electrode.
Da der elektrochemische Prozess in der Zelle einen ionischen Transport über diese Grenzfläche erfordert, sind poröse Elektroden mit kleiner Partikelgröße besonders vorteilhaft. Die Darstellung einer hohen Elektrodenkapazität, das heißt die Nutzung eines möglichst hohen Anteils des vorhandenen Elektrodenmaterials für den elektrochemischen Prozess, erfordert darüber hinaus einen guten elektronischen Kontakt – im Sinne von Elektronenleitung – zwischen den Elektrodenpartikeln und eine große Kontaktfläche zwischen den Partikeln und dem Elektrolyten für eine gute Ionenleitung und dies über viele Lade- und Entladezyklen hinweg.Since the electrochemical process in the cell requires ionic transport across this interface, small particle size porous electrodes are particularly advantageous. The representation of a high electrode capacity, that is, the use of the highest possible proportion of the existing electrode material for the electrochemical process, also requires a good electronic contact - in the sense of electron conduction - between the electrode particles and a large contact area between the particles and the electrolyte for a good ion conduction over many charging and discharging cycles.
Wenn die reversible Zellreaktion beim Laden bzw. Entladen mit einem Phasenwechsel erster Ordnung verbunden ist, können die Partikel beim wiederholten Laden- und Entladen der Batterie, dem sogenannten Zyklieren, brechen oder den gegenseitigen elektronischen Kontakt – im Sinne von Elektronenleitung – verlieren. Der Verlust des direkten elektronischen Kontakts zwischen den Partikeln verhindert die elektrochemische Reaktion und führt zu einem unwiederbringlichen Verlust an Speicherkapazität. If the reversible cell reaction during charging or discharging is associated with a first-order phase change, the particles may break during repeated charging and discharging of the battery, the so-called cyclization, or lose the mutual electronic contact - in the sense of electron conduction. The loss of direct electronic contact between the particles prevents the electrochemical reaction and results in an irretrievable loss of storage capacity.
Ein weiterer, allerdings reversibler, Kapazitätsverlust kann bei zunehmenden Entladeströmen beobachtet werden. Je nach Geometrie der Elektrode kann es dann passieren, dass der diffusive Transportprozess der Lithiumionen nicht schnell genug stattfinden kann, um den geforderten Strom zu bringen. Das bedeutet in der Praxis, dass bei zunehmender Stromhöhe zunehmend weniger der vorhandenen Partikel aktiv genutzt werden können. Der gleiche Effekt tritt bei abnehmender ionischer Leitfähigkeit σi, beispielsweise durch sinkende Arbeitstemperaturen, auf.Another, but reversible, capacity loss can be observed with increasing discharge currents. Depending on the geometry of the electrode, it may then happen that the diffusive transport process of the lithium ions can not take place fast enough to bring the required current. This means in practice that with increasing current level increasingly less of the existing particles can be actively used. The same effect occurs with decreasing ionic conductivity σi, for example due to decreasing working temperatures.
Der Zusammenhang zwischen der praktischen Batteriespannung und dem Laststrom I wird in der sogenannten Polarisationskurve dargestellt. Analog dazu bezeichnet man die Batteriespannung in Abhängigkeit des Ladezustandes als Entladungskennlinie. Die entstehende Überspannung Uη in Abhängigkeit der Stromhöhe hängt dabei vom Batterieinnenwiderstand ab. The relationship between the practical battery voltage and the load current I is shown in the so-called polarization curve. Analogously, the battery voltage is referred to as the discharge characteristic as a function of the state of charge. The resulting overvoltage U η as a function of the current level depends on the internal battery resistance.
Beim Laden der Batterie ergibt sich die Überspannung aus der Differenz zwischen der erforderlichen Ladespannung und der OCV.When charging the battery, the overvoltage results from the difference between the required charging voltage and the OCV.
Die Kontaktüberspannung Uη stabilisiert sich der zu einem konstanten Wert. Daher ergibt sich die Steigung der Polarisationskurve in diesem Bereich der Kurve zu
Die Polarisationskurve wird durch die endliche Diffusionsrate bestimmt. Bei diesen Strömen ist der Transport von Ionen von/zu den Elektrode/Elektrolyt-Phasengrenzen nicht schnell genug, um ein Reaktionsgleichgewicht zu erzielen.The polarization curve is determined by the finite diffusion rate. At these currents, the transport of ions from / to the electrode / electrolyte phase boundaries is not fast enough to achieve a reaction equilibrium.
Kathodenmaterialiencathode materials
Das erfindungsgemäße Kathodenmaterial zur Verwendung in einer wiederaufladbaren (Sekundär-)Batterie besteht aus einer Struktur, in die Lithium reversibel eingelagert werden kann.The cathode material according to the invention for use in a rechargeable (secondary) battery consists of a structure in which lithium can be stored reversibly.
Die maximale Leistungsabgabe einer Zelle bei einem vorgegebenen Maximalstrom hängt von der OCV und der zu diesem Strom gehörigen Überspannung Uη(I) ab:
Eine leistungsfähige Elektrode verfügt demzufolge über ein hohes OCV und eine hohe elektronische Leitfähigkeit. Um die Überspannung Uη möglichst klein zu halten, müssen die Elektroden außerdem über eine hohe ionische Leitfähigkeit verfügen und einen geringen Übergangswiderstand für den Massentransfer an der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche aufweisen. Zur Darstellung hoher Maximalströme ist daher auch eine möglichst große spezifische Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche erforderlich.A powerful electrode therefore has a high OCV and a high electronic conductivity. In order to keep the overvoltage U η as small as possible, the electrodes must also have a high ionic conductivity and have a low contact resistance for the mass transfer at the electrode / electrolyte interface. For the representation of high maximum currents, therefore, the largest possible specific electrode / electrolyte interface is required.
In Bereichen, bei denen am Elektrodenpartikel eine Zweiphasengrenze auftritt, beispielsweise an der Grenze (Fest)-Elektrode/(Flüssig)-Elektrolyt, muss der, in der Regel diffusionsgesteuerte, Massentransfer über diese Grenzfläche hinweg schnell genug stattfinden können, um den gewünschten Strom liefern bzw. aufrechterhalten zu können. Dieser Mechanismus verringert demzufolge die Lithiumspeicherfähigkeit der Elektrode bezüglich praktisch nutzbaren Lithiums mit zunehmender Stromdichte.In areas where a two-phase boundary occurs at the electrode particle, for example, at the boundary (solid) electrode / (liquid) electrolyte, the, usually diffusion-controlled, mass transfer must be able to proceed fast enough across this interface to provide the desired current or to be able to maintain. This mechanism therefore reduces the lithium storage capability of the electrode with respect to practically usable lithium with increasing current density.
In der Praxis werden oxidische Speicherstrukturen mit enggepackten Sauerstoffuntergitter in Schichten hergestellt, wie beispielsweise Li1-xCoO2 [
Die Interkalation von Li in ein van der Waals Lücke zwischen stark verbundenen Schichten kann zu einem schnellen Transportmechanismus führen, birgt aber die Gefahr der Teilnahme unerwünschter Spezies aus dem Flüssigelektrolyten am Prozess. The intercalation of Li into a van der Waals gap between strongly connected layers can lead to a fast transport mechanism but involves the risk of the participation of unwanted species from the liquid electrolyte in the process.
Ebenso ist auch die Speicherung in einem enggepackten Sauerstoffuntergitter als dreidimensionaler Struktur, wie z. B. einem [Mn2]O4 Spinell, nicht unproblematisch, da das freie Volumen für die eingelagerten Li+ Ionen zu klein ist, um bei Raumtemperatur eine hohe Ionenmobilität zu ermöglichen, wodurch der maximal erzielbare Strom sinkt. Zwar bringt die genannte Spinellstruktur infolge der Größe des freien Volumens im Gitterzwischenraum eine Selektivität für die Einlagerung von Li-Ionen mit; allerdings wird gleichzeitig die Li-Ionen-Beweglichkeit und damit die Li+-Ionenleitfähigkeit σLi eingeschränkt.Likewise, the storage in a closely packed oxygen substructure as a three-dimensional structure, such. As a [Mn2] O4 spinel, not unproblematic, since the free volume for the embedded Li + ions is too small to allow at room temperature, a high ion mobility, whereby the maximum achievable current decreases. Although the said spinel structure brings due to the size of the free volume in the lattice space with a selectivity for the incorporation of Li ions; however, at the same time the Li-ion mobility and thus the Li + ion conductivity σ Li is limited.
Demzufolge weisen die Oxospinelle eine ausreichend hohe Li+ Ionenleitfähigkeit für den Einsatz in kommerziellen Low-Power-Zellen auf [
Durch den Einsatz von LiFePO4 [
LiFePO4 weist eine spezifische Kapazität von 170 mAh/g auf mit guter Rezyklisierbarkeit und einer flachen Entladepotentialkurve bei 3,2 bis 3,4 V je nach Entladebedingung. Dennoch weisen die Olivinstrukturen den Nachteil äußerst geringer elektrischer Leitfähigkeit und geringer Lithiumdiffusivität auf.LiFePO4 has a specific capacity of 170 mAh / g with good recyclability and a flat discharge potential curve at 3.2 to 3.4 V depending on the discharge condition. Nevertheless, the olivine structures have the disadvantage of extremely low electrical conductivity and low lithium diffusivity.
Beschreibung der vorliegenden Erfindung:Description of the present invention:
Die vorliegende Erfindung soll die den Olivin- bzw. Nascionstrukturen zugrundeliegenden Nachteile der geringen elektrischen Leitfähigkeiten und geringen Lithiumdiffusivitäten beheben. Das geschieht dadurch, dass in der (PO4)y–-Struktur der Sauerstoff teilweise substituiert wird. In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung geschieht dies durch Stickstoff. In weiteren bevorzugten Ausführungen erfolgt die Substitution durch andere metalloide Elemente wie beispielsweise Kohlenstoff, Bor oder Fluor etc. Bei der vorliegenden Erfindung wurden erstaunliche Ergebnisse durch die teilweise Substitution von Stickstoff erzielt. Hierbei handelt es sich um Verbindungen, die beispielsweise bei der Ableitung aus den Oxosäuren der Phosphors eine P-N Verknüpfung enthalten und formal die Amido- oder Imidoverbindungen der entsprechenden Oxosäuren darstellen.The present invention is intended to eliminate the disadvantages underlying the olivine or Nascion structures of low electrical conductivities and low lithium diffusivities. This happens because in the (PO 4 ) y structure the oxygen is partially substituted. In a particularly preferred embodiment of the invention, this is done by nitrogen. In other preferred embodiments, substitution is by other metalloid elements such as carbon, boron, or fluorine, etc. In the present invention, astonishing results have been achieved by the partial substitution of nitrogen. These are compounds which, for example, contain a PN bond in the derivation from the oxo acids of the phosphors and formally represent the amido or imido compounds of the corresponding oxo acids.
In den entsprechenden Salzen werden die Sauerstoffatome dabei durch isoelektronische Gruppen ersetzt, wie beispielsweise
Es gibt eine sehr große Zahl möglicher, erfindungsgemäßer Verbindungen, die sich analog aus den Strukturen ableiten lassen. Wie bei den Polyanionen der Oxosäuren lassen sich mit den Substituenten die entsprechenden Polyanionen im Salz formulieren: There are a very large number of possible, inventive compounds that can be derived analogously from the structures. As with the polyanions of the oxo acids, the substituents can be used to formulate the corresponding polyanions in the salt:
Mit der Einführung des isoelektronischen Substituenten in die Oxosäuren ergeben sich für die erfindungsgemäße Anwendung als Kathodenmaterial in einer Lithiumbatterie zwei wichtige Vorteile:
Durch das Element mit der schwächeren Elektronegativität wird im Vergleich zu Sauerstoff die starke Elektronenlokalisierung geschwächt und die lokale Gitterstörung erhöht. Dabei steigt die Fehlstellenkonzentration und damit die Lithiumdiffusivität. Die hiermit hervorgerufenen Gitterverzerrungen führen zu strukturellen Defekten wie zum Beispiel zweidimensionale Gitterfehler in Form von Stufen- oder Schraubenversetzungen. Diese entwickeln sich in der Regel senkrecht zur Richtung der größten Verzerrungen im Gitter.With the introduction of the isoelectronic substituent into the oxo acids, two important advantages result for the application according to the invention as cathode material in a lithium battery:
The element with the weaker electronegativity weakens the strong electron localization compared to oxygen and increases the local lattice perturbation. This increases the vacancy concentration and thus the lithium diffusivity. The resulting lattice distortions lead to structural defects such as two-dimensional lattice defects in the form of step or screw dislocations. These usually develop perpendicular to the direction of the largest distortions in the lattice.
Diese Verzerrungen treten besonders bei der Bildung von FePO4 in der ac-Ebene des LiFePO4 auf. Die hiermit verbundenen lokalen Gitterdehnungen erhöhen die Lithiumbeweglichkeit signifikant und können auch die elektronische Leitfähigkeit erhöhen. Durch die gezielte Substitution des Sauerstoffs durch Stickstoff auf Sauerstoffplätzen wird ein Akzeptorniveau in das Gitter eingebaut. Abhängig von der Konzentration des Stickstoffs lässt sich hiermit die elektronische Leitfähigkeit beeinflussen.These distortions occur especially in the formation of FePO 4 in the ac plane of LiFePO 4 . The associated local lattice strains significantly increase the lithium mobility and can also increase the electronic conductivity. By the targeted substitution of oxygen by nitrogen on oxygen sites, an acceptor level is incorporated into the lattice. Depending on the concentration of nitrogen, this can influence the electronic conductivity.
Erfindungsgemäß ergibt sich mit der Einführung des Stickstoffs in das Sauerstoffuntergitter ein weiterer wichtiger Vorteil: Die P-O-Verbindungen können nacheinander durch die isoelektronischen Gruppen -NH2, -NHR, -NR2 etc. oder durch =NH, =NR ersetzt werden. R steht hierbei für Kohlenwasserstoffverbindungen, die mit konjugierten Doppelbindungen zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen.According to the invention, with the introduction of the nitrogen into the oxygen sublattice, another important advantage results: the PO compounds can be replaced successively by the isoelectronic groups -NH 2 , -NHR, -NR 2 etc. or by = NH, = NR. R here stands for hydrocarbon compounds which contribute to the electrical conductivity with conjugated double bonds.
Dabei hat sich gezeigt, daß, LiFePO4-x(NH)x-Pulver hochleitfähig gemacht werden kann, wenn nachträglich in einem Mikrowellenplasma das Pulver zunächst mit Stickstoff auf den außenliegenden Gruppen der Kristallite behandelt wird und dann in einem folgenden Schritt in einem Äthenplasma behandelt wird. Der offensichtliche Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass der Kohlenstoff direkt an der Oberfläche chemisch gebunden wird und damit der Elektronentransfer zwischen dem Amido bzw. Imidophosphat und der leitfähigen Oberflächenschicht barrierefrei erfolgen kann.It has been shown that, LiFePO 4-x (NH) x powder can be made highly conductive, if subsequently in a microwave plasma, the powder is first treated with nitrogen on the outer groups of the crystallites and then treated in a subsequent step in an ethene plasma becomes. The obvious advantage arises from the fact that the carbon is chemically bonded directly to the surface and thus the electron transfer between the amido or imidophosphate and the conductive surface layer can be barrier-free.
Ein weiterer Vorteil dieser Vorgehensweise ist die hohe Variabilität, mit der sowohl das FePO4-x (Y=NH, NR, ...) als auch weitere leitfähige Oberflächenverbindungen eingestellt werden können, wie z. B. auch hochleitfähige (CN)x-Ketten, durch Abscheidung aus einem stickstoffhaltigen Kohlebwasserstoffplasma erzeugt werden können. Es ist hervorzuheben, dass an dieser Stelle nur ein kleines Fenster der sich aus dem Konzept ergebenden Möglichkeiten dargestellt wird. Die Darstellung weiterer Systeme ergibt sich für den Fachmann analog. Natürlich ist es auch denkbar mit siliciumhaltigen oder borhaltigen oder metallenthaltenen Precursorgasen zu arbeiten, wie mit Titanalkoholaten oder Edelmatallchloriden etc.Another advantage of this approach is the high variability with which both the FePO 4-x (Y = NH, NR, ...) and other conductive surface compounds can be adjusted, such. B. highly conductive (CN) x chains can be generated by deposition from a nitrogen-containing Kohlenhydrogen plasma. It should be emphasized that only a small window of the possibilities resulting from the concept is presented here. The presentation of further systems results analogously for the person skilled in the art. Of course, it is also conceivable to work with silicon-containing or boron-containing or metal-containing precursor gases, such as with titanium alcoholates or noble metal chlorides, etc.
Es werden zur Verdeutlichung hier noch einmal die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung zusammengestellt:
- – Basis ist die Chemische Formulierung LiqMeIrMeIIsZO4-xYx
- – Es liegt nahe, dass der Sauerstoff jeglichen oxidbasierten Kathoden- oder Anodenmaterial in ähnlicherweise durch stickstoff oder andere Metalloide teilsubstituiert werden kann wie z. B. in LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2 , Li4Ti5O12 und andere
- – Z besteht aus zumindest einem der Elemente: Phosphor; Silizium, Schwefel und Bor
- – Y steht für die Verbindung ARn, wobei A aus mindestens einem der Metalloide: Stickstoff, Kohlenstoff, Bor besteht.
- – MeI besteht aus zumindest einem der Metalle: Mg, Ca, Be, Al, Mn
- – MeII besteht aus zumindest einem der Metalle: Metalle der ersten und zweiten Hauptgruppe sowie aus den Nebengruppen, insbesondere Fe, Mn, Ni, Co
- – Das entsprechende Material bzw. Materialgemisch ist zumindest eine Komponente für zumindest eine Elektrode einer wiederaufladbaren Lithiumbatterie.
- – In der ZO4 δ– werden die Sauerstoffatome zumindest teilweise durch Amido- oder durch Imidogruppen ersetzt; die Konzentration liegt im Bereich der Dotierungskonzentration, insbesondere 10^–20, bis hin zur stöchiometrischen Konzentration gemäß -(ZO4-xYx)3– mit x = 10^–20 oder größer, besonders bevorzugt 10^–20 <= x <= 2
- – Anstelle des Wasserstoffs können Kohlenwasserstoffketten, insbesondere langkettige Kohlenwasserstoffketten treten, zum Beispiel zur Erhöhung der elektronischen Leitfähigkeit.
- – In einer besonderen Ausführung lassen sich die unsubstituierten wie teilsubstituierten Phosphate (Sauerstoffsubstitution durch Amido bzw. Imidogruppe), beispielsweise in einem Stickstoffplasma, derart behandeln, dass lediglich Oberflächenatome oder oberflächennahe Atome entsprechend substituiert werden
- – Hieraus ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass in situ aus einem kohlenstoffhaltigen Plasma leitfähige Kohlenstoffketten an die Oberfläche angekoppelt werden. Durch die direkte chemische Verbindung zum Lithiumeisenphosphat bzw. Lithiumeisen-Amido(bzw. Imido)-phosphat kann der Elektronentransfer zwischen den Substanzen nahezu barrierefrei erfolgen
- - Based on the chemical formulation Liq Me Ir Me IIs ZO 4-x Y x
- It is obvious that the oxygen of any oxide-based cathode or anode material can similarly be partially substituted by nitrogen or other metalloids such as e.g. In LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li 4 Ti 5 O 12 and others
- - Z consists of at least one of the elements: phosphorus; Silicon, sulfur and boron
- Y is the compound AR n , where A consists of at least one of the metalloids: nitrogen, carbon, boron.
- - Me I consists of at least one of the metals: Mg, Ca, Be, Al, Mn
- Me II consists of at least one of the metals: metals of the first and second main groups and of the subgroups, in particular Fe, Mn, Ni, Co
- - The corresponding material or material mixture is at least one component for at least one electrode of a rechargeable lithium battery.
- - In the ZO 4 δ- the oxygen atoms are at least partially replaced by amido or imido groups; the concentration is in the range of the doping concentration, in particular 10 ^ -20, up to the stoichiometric concentration according to - (ZO 4-x Y x ) 3- with x = 10 ^ -20 or greater, particularly preferably 10 ^ -20 <= x <= 2
- Instead of the hydrogen, hydrocarbon chains, in particular long-chain hydrocarbon chains, can be used, for example to increase the electronic conductivity.
- In a particular embodiment, the unsubstituted and partially substituted phosphates (oxygen substitution by amido or imido group), for example in a nitrogen plasma, can be treated such that only surface atoms or near-surface atoms are correspondingly substituted
- This results in the additional advantage that conductive carbon chains are coupled to the surface in situ from a carbon-containing plasma. The direct chemical connection to the lithium iron phosphate or lithium iron amido (or imido) phosphate, the electron transfer between the substances can be almost barrier-free
Ausführungsbeispieleembodiments
- 1. Die Herstellung der obengenannten erfindungsgemäßen Verbindungen kann auf sehr unterschiedliche Methoden erfolgen. In der folgenden Darstellung werden zwei besonders bevorzugte Methoden anhand eines praktischen Beispiels beschrieben:1. The preparation of the abovementioned compounds according to the invention can be carried out in very different ways. In the following presentation two particularly preferred methods are described by means of a practical example:
- 1.1 mechanochemische Methode: Ca. 10 g über Sol-Gelverfahren hergestelltes Eisen-III-phosphat wird mit 12wt% Ammoniumnitrat und der stöchiometrischen Menge an Lithiumcarbonat gemischt und mit einer Zirkon-Kugelmühle 10 Stunden gemahlen. Das Pulvergemisch wird bei 700°C über 120 Minuten unter Stickstoffatmosphäre gesintert. Die Zusammensetzung der Pulver werden mit SNMS-Analyse bestimmt bzw. kontrolliert. Der Gesamtstickstoff der Probe entspricht einer Zusammensetzung LiFePO3,5(NH)0,5; Die ermittelte Leitfähigkeit der Verbindung liegt bei Raumtemperatur bei λ ≈ 10–4 bis 10–3 Scm–1.1.1 Mechanochemical Method: Approx. 10 g of sol-gelated iron-III-phosphate is mixed with 12wt% ammonium nitrate and the stoichiometric amount of lithium carbonate and ground with a zirconium ball mill for 10 hours. The powder mixture is sintered at 700 ° C for 120 minutes under a nitrogen atmosphere. The composition of the powders are determined by SNMS analysis. The total nitrogen of the sample corresponds to a composition LiFePO 3.5 (NH) 0.5 ; The determined conductivity of the compound is at room temperature at λ ≈ 10 -4 to 10 -3 Scm -1 .
- 1.2 plasmachemische Methode: Zunächst wird das Pulver aus Eisenoxalat, Ammoniumdihydrogenphosphat und Lithiumcarbonat unter Zusatz von Polyethylengylcol (Mw = 2000) präpariert; Das Gemisch wird 12 h in der Kugelmühle gemahlen. Das Gel wird bei 120°C unter Stickstoffatmosphäre getrocknet und in einem Temperaturgradientenprogramm schließlich bei 710°C gesintert. Die Reinheit des Pulvers wird mittels SIMS und SNMS überprüft. Das fertige, stickstofffreie Pulver wird in einer Vakuumanlage in einem Mikrowellen Stickstoffplasma bei p = 100 Pa für 15 Min behandelt. Vor der „Aufstickung” wird das Pulver zunächst in einem Argonplasma für 1 Minute aktiviert. In einem anschließenden sequentiellen Behandlungsschritt wird in dem Mikrowellenplasma an der Oberfläche eine 20 nm dicke Kohlenstoffschicht aus einer Ethenatmosphäre bei 200–250 Pa abgeschieden. Dem hauptsächlich aus bestehende Plasma sind 10% Stickstoff beigemengt, um so eine hochleitfähige Kohlenstoffschicht abzuscheiden. Andere Herstellmethoden, die die direkte Umsetzung von Phophorylchloriden (POCl3) mit Metallamiden (MeNH; Me=Na, K, ...) benutzen, wurden im Rahmen der erfindungsgemäßen Umsetzung erprobt, führten jedoch nicht zu den gleichen überraschend guten Ergebnissen wie beiden oben beschriebenen Verfahren. Beide erstgenannten Verfahren zeichnen sich durch ihre Einfachheit aus und ermöglichen den gezielten Einbau der Substituenten in die Phophatgruppe. Aus dem mechanochemisch präparierten Pulver wurde eine Kathode hergestellt, indem das Pulver anschließend wie oben beschrieben mittels Plasmabehandlung in einem stickstoffhaltigen Ethenplasma behandelt wurde. Das so gewonnene Pulver wurde in einer Kugelmühle anschließend mit 3% Binder (PVDF, Dupont) gemischt und zu einer ca. 1,5 cm2 großen Tablette verpresst und in einer Dreielektrodenzelle vermessen. Als Gegenelektrode dient eine Lithiumfolie, der Elektrolyt wird als DC/EC 1:1 mit 1 M Lithiumhexafluorophosphat und einem PP-Separator (Celgrade 2400) dargestellt. Die Zyklisiertests wurden in einem Potentialfenster von 2,2 V bis 4,1 V mit Lade-/Entladeraten von jeweils 1C durchgeführt. Im Weiteren wurden die Zellen mit 3C belastet. An dieser Stelle soll ein weiterer Vorteil der plasmachemischen Behandlung zusätzlich hervorgehoben werden, nämlich dass die Hydrophobierung des Pulvers direkt aus dem Plasma erfolgen kann, wie durch die Anwendung fluoridhaltigen Gase wie -(CF2)n- oder durch die direkte Fluorierung der Kohlenstoffhaltigen Schichten auf den Pulvern.1.2 Plasmachemic method: First, the powder of iron oxalate, ammonium dihydrogen phosphate and lithium carbonate with the addition of polyethylene glycol (Mw = 2000) is prepared; The mixture is ball milled for 12 hours. The gel is dried at 120 ° C. under a nitrogen atmosphere and finally sintered in a temperature gradient program at 710 ° C. The purity of the powder is checked by means of SIMS and SNMS. The finished, nitrogen-free powder is treated in a vacuum system in a microwave nitrogen plasma at p = 100 Pa for 15 min. Before the "nitrification", the powder is first activated in an argon plasma for 1 minute. In a subsequent sequential treatment step, in the microwave plasma at the surface, a 20 nm thick carbon layer is deposited from an ethene atmosphere at 200-250 Pa. The mainly existing plasma 10% nitrogen are added, so as to deposit a highly conductive carbon layer. Other preparation methods which use the direct reaction of phosphoryl chlorides (POCl 3 ) with metal amides (MeNH, Me = Na, K,...) Were tested in the course of the reaction according to the invention, but did not lead to the same surprisingly good results as above described method. Both of these first methods are characterized by their simplicity and allow the targeted incorporation of the substituents in the phosphate group. From the mechanochemically prepared powder, a cathode was prepared by subsequently treating the powder as described above by plasma treatment in a nitrogen-containing ethene plasma. The powder thus obtained was then mixed in a ball mill with 3% binder (PVDF, Dupont) and compressed to form a tablet of approximately 1.5 cm 2 and measured in a three-electrode cell. A lithium foil serves as counterelectrode, the electrolyte is represented as DC / EC 1: 1 with 1 M lithium hexafluorophosphate and a PP separator (Celgrade 2400). The cyclization tests were carried out in a potential window of 2.2 V to 4.1 V with charge / discharge rates of 1C each. Furthermore, the cells were loaded with 3C. At this point, a further advantage of the plasma-chemical treatment should be additionally emphasized, namely that the hydrophobization of the powder can be done directly from the plasma, as by the application of fluoride-containing gases such as - (CF 2 ) n - or by the direct fluorination of the carbon-containing layers the powders.
Literaturliterature
Nishi, Y., H. Azuma and A. Omaru,
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Legal Events
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| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: ECC REPENNING GMBH, DE Free format text: FORMER OWNERS: O.M.T. GMBH, 23569 LUEBECK, DE; REPENNING, CORNELIA, 30163 HANNOVER, DE Effective date: 20120614 Owner name: ECC REPENNING GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: O.M.T. GMBH,CORNELIA REPENNING, , DE Effective date: 20120614 |
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| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: ECC REPENNING GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: ECC REPENNING GMBH, 23569 LUEBECK, DE Effective date: 20130916 |
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| R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
| R003 | Refusal decision now final |
