RU2467434C1 - Active cathode material providing improved efficiency and energy density of electrode - Google Patents
Active cathode material providing improved efficiency and energy density of electrode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2467434C1 RU2467434C1 RU2011115052/07A RU2011115052A RU2467434C1 RU 2467434 C1 RU2467434 C1 RU 2467434C1 RU 2011115052/07 A RU2011115052/07 A RU 2011115052/07A RU 2011115052 A RU2011115052 A RU 2011115052A RU 2467434 C1 RU2467434 C1 RU 2467434C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode material
- active cathode
- active
- material according
- cathode
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
Landscapes
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Настоящее изобретение относится к активному катодному материалу с улучшенной эффективностью и плотностью энергии электрода. Более конкретно, настоящее изобретение относится к активному катодному материалу, имеющему структуру фосфата лития-железа (LiFe(P1-xO4)), в котором мольная доля (1-x) фосфора (P) находится в интервале от 0,910 до 0,999.The present invention relates to an active cathode material with improved efficiency and energy density of the electrode. More specifically, the present invention relates to an active cathode material having a lithium iron phosphate (LiFe (P 1-x O 4 )) structure, in which the mole fraction of (1-x) phosphorus (P) is in the range of 0.910 to 0.999.
Этот активный катодный материал позволяет нивелировать эффективность его работы до более низкой эффективности работы активного анодного материала и демонстрирует повышенную плотность энергии. Кроме того, активный катодный материал, в котором мольная доля (1-x) фосфора (P) доведена до уровня ниже 1, содержит Fe2+ и Fe3+, таким образом исключая структурную деформацию, возникающую в результате дефицита фосфора (P), демонстрируя повышенную ионную проводимость, а значит, и превосходные токовые свойства, и препятствуя падению напряжения на активном сопротивлении при заряде/разряде, тем самым обеспечивая высокую плотность энергии.This active cathode material allows you to level the efficiency of its work to a lower efficiency of the active anode material and demonstrates an increased energy density. In addition, the cathode active material, in which the mole fraction of (1-x) phosphorus (P) is brought to a level below 1, contains Fe 2+ and Fe 3+ , thus eliminating structural deformation resulting from phosphorus (P) deficiency. demonstrating increased ionic conductivity, and hence excellent current properties, and preventing the voltage drop across the active resistance during charge / discharge, thereby providing a high energy density.
Предпосылки изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION
Технологическое развитие и повышенный спрос на мобильное оборудование привели к резкому увеличению спроса на вторичные (аккумуляторные) батареи в качестве источников энергии. Среди таких вторичных батарей имеются в продаже и широко применяются литиевые вторичные батареи, обладающие высокими плотностью энергии и напряжением, продолжительным сроком службы и низким саморазрядом.Technological development and increased demand for mobile equipment have led to a sharp increase in demand for secondary (rechargeable) batteries as energy sources. Among these secondary batteries, lithium secondary batteries are commercially available and widely used, having high energy density and voltage, long service life and low self-discharge.
В литиевых вторичных батареях в качестве активного анодного материала обычно используют углеродный материал. Также рассматривалось использование в качестве активного анодного материала металлического лития, соединений серы и т.п. При этом в качестве активного катодного материала в литиевых вторичных батареях используют сложный оксид лития-кобальта (LiCoO2). Кроме того, рассматривалось использование в качестве активного катодного материала сложных оксидов лития-марганца, таких как LiMnO2 со слоистой кристаллической структурой и LiMn2O4 с кристаллической структурой шпинели, а также сложного оксида лития-никеля (LiNiO2).In lithium secondary batteries, carbon material is usually used as the anode active material. The use of lithium metal, sulfur compounds, and the like was also considered. In this case, lithium-cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) is used as the cathode active material in lithium secondary batteries. In addition, the use of complex lithium-manganese oxides, such as LiMnO 2 with a layered crystalline structure and LiMn 2 O 4 with a spinel crystal structure, as well as complex lithium-nickel oxide (LiNiO 2 ), was considered as an active cathode material.
LiCoO2 используют в настоящее время благодаря превосходным физическим свойствам, таким как исключительный циклический ресурс, но он имеет такие недостатки, как низкая стабильность, высокая стоимость из-за использования кобальта, по которому ощущается недостаток из-за ограниченных природных ресурсов, и ограничения массового применения в качестве источника питания для электрических автомобилей. LiNiO2 является непригодным для практического применения в массовом производстве по разумной стоимости из-за некоторых особенностей, связанных с его получением. Недостатком оксидов лития-марганца, таких как LiMnO2 и LiMn2O4, является короткий циклический ресурс.LiCoO 2 is currently used due to its excellent physical properties, such as its exceptional cyclic resource, but it has disadvantages such as low stability, high cost due to the use of cobalt, which is disadvantageous due to limited natural resources, and limited mass application as a power source for electric cars. LiNiO 2 is unsuitable for practical use in mass production at a reasonable cost due to some features associated with its receipt. A disadvantage of lithium manganese oxides such as LiMnO 2 and LiMn 2 O 4 is their short cyclic life.
В последние годы были исследованы способы применения фосфата лития-переходного металла в качестве активного катодного материала. Фосфаты лития-переходного металла в принципе делятся на LixM2(PO4)3 со структурой NASICON (натриевый суперионный проводник) и LiMPO4 со структурой оливина и проявляют, как обнаружено, превосходную высокотемпературную стабильность по сравнению с традиционным LiCoO2. На сегодняшний день хорошо известен Li3V2(PO4)3 со структурой NASICON, а LiFePO4 и Li(Mn, Fe)PO4 являются наиболее широко известными соединениями со структурой оливина.In recent years, methods for using lithium transition metal phosphate as an active cathode material have been investigated. Phosphates of lithium transition metal are in principle divided into Li x M 2 (PO 4 ) 3 with the structure NASICON (sodium superionic conductor) and LiMPO 4 with the structure of olivine and exhibit, as it was found, excellent high-temperature stability compared to traditional LiCoO 2 . Today Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 with the NASICON structure is well known, and LiFePO 4 and Li (Mn, Fe) PO 4 are the most widely known compounds with the olivine structure.
Среди соединений со структурой оливина LiFePO4 имеет высокое выходное напряжение ~3,5 В и высокую теоретическую емкость 170 мА∙ч/г по сравнению с литием (Li) и демонстрирует превосходную высокотемпературную стабильность по сравнению с кобальтом (Co), а также использует дешевое Fe, таким образом являясь весьма пригодным для применения в качестве активного катодного материала для литиевых вторичных батарей. Однако такой LiFePO4 типа оливина имеет эффективность работы примерно 100%, создавая тем самым трудности управления эффективностью работы анода.Among compounds with olivine structure, LiFePO 4 has a high output voltage of ~ 3.5 V and a high theoretical capacity of 170 mA ∙ h / g compared to lithium (Li) and shows excellent high temperature stability compared to cobalt (Co), and also uses a cheap Fe, thus being very suitable for use as an active cathode material for lithium secondary batteries. However, such a LiFePO 4 type olivine has an efficiency of about 100%, thereby creating difficulties in controlling the efficiency of the anode.
В этом отношении, придавая эквивалентную эффективность работы катоду и аноду в батареях, можно минимизировать неэффективное расходование электродов. Например, в случае, когда для батареи используют анод с эффективностью примерно 100%, батарея может действовать со 100%-ой эффективностью, в то время как в случае, когда в батарее используют катод со 100%-ой эффективностью и анод с 90%-ой эффективностью, батарея может действовать только с 90%-ой эффективностью. В результате, бесполезно теряется 10% эффективности катода.In this regard, by giving equivalent efficiency to the cathode and anode in batteries, the inefficient use of electrodes can be minimized. For example, in the case where an anode with an efficiency of about 100% is used for a battery, the battery can operate with 100% efficiency, while in the case where a cathode with 100% efficiency and an anode with 90% are used in a battery With efficiency, a battery can only operate with 90% efficiency. As a result, 10% of the cathode efficiency is uselessly lost.
Например, в случае используемых обычно активных анодных материалов на основе углерода при первоначальном заряде/разряде, включая первый заряд, возникает примерно 10-20%-ая необратимая емкость, и его обратимая емкость составляет только примерно 80-90%. Следовательно, если в качестве активного катодного материала используют материал с эффективностью 100%, то этот электродный материал бесполезно тратится прямо пропорционально необратимой емкости в примерно 10-20%. Кроме того, если используют активный анодный материал с относительно низкой эффективностью, то количество активного анодного материала следует увеличить, в зависимости от более высокой эффективности катода, что невыгодно влечет за собой увеличение затрат на изготовление.For example, in the case of commonly used carbon-based active anode materials, an initial charge / discharge, including a first charge, produces about 10-20% irreversible capacity, and its reversible capacity is only about 80-90%. Therefore, if a material with an efficiency of 100% is used as an active cathode material, then this electrode material is uselessly wasted in direct proportion to an irreversible capacity of about 10-20%. In addition, if active anode material with relatively low efficiency is used, the amount of active anode material should be increased, depending on the higher efficiency of the cathode, which disadvantageously entails an increase in manufacturing costs.
С другой стороны, для того чтобы придать 100%-ую эффективность батарее, в которой используется катод со 100%-ой эффективностью, следует использовать анод с примерно 100%-ой эффективностью. В этом случае диапазон выбора активного анодного материала невыгодно сужается.On the other hand, in order to give 100% efficiency to a battery that uses a cathode with 100% efficiency, an anode with about 100% efficiency should be used. In this case, the selection range of the active anode material is unfavorably narrowed.
Однако на сегодняшний день не существует технологии, предлагающей способ управления эффективностью LiFePO4 в качестве активного катодного материала.However, to date, there is no technology that offers a way to control the effectiveness of LiFePO 4 as an active cathode material.
Помимо этого, существует возрастающая потребность в прорыве, который сможет значительно улучшить электропроводность LiFePO4 и решить проблемы диффузии в нем Li+ за счет улучшения первоначального падения напряжения на активном сопротивлении и свойств диффузии Li+.In addition, there is an increasing need for a breakthrough that can significantly improve the conductivity of LiFePO 4 and solve the problems of Li + diffusion in it by improving the initial voltage drop across the active resistance and the diffusion properties of Li + .
Более того, в случае, когда в качестве активного катодного материала используют LiFePO4, внутреннее сопротивление батарей невыгодно увеличивается из-за его низкой электропроводности и ограничения на достаточное увеличение плотности энергии из-за низкой плотности по сравнению с традиционными активными катодными материалами. Дополнительно кристаллические структуры оливина, в которых деинтеркалирован литий, являются весьма неустойчивыми, тем самым вызывая невыгодное запирание при прохождении той области, где литий на поверхности кристалла деинтеркалирован, и замедление скоростей интеркаляции/деинтеркаляции лития.Moreover, in the case where LiFePO 4 is used as the cathode active material, the internal resistance of the batteries unfavorably increases due to its low electrical conductivity and the limitation of a sufficient increase in energy density due to the low density compared to traditional active cathode materials. In addition, the olivine crystal structures in which lithium is deintercalated are very unstable, thereby causing unfavorable blocking when passing through the region where lithium is deintercalated on the crystal surface and slowing down the rates of intercalation / deintercalation of lithium.
В ответ на это было предложено уменьшение размера кристаллов оливина до нанометрового масштаба для того, чтобы сделать более коротким путь перемещения ионов лития и тем самым увеличить разрядную емкость (смотри публикации заявок на патенты Японии №№ 2002-15735 и 2004-259470).In response to this, it was proposed to reduce the size of olivine crystals to a nanometer scale in order to make the path of lithium ions shorter and thereby increase the discharge capacity (see Japanese Patent Application Publication Nos. 2002-15735 and 2004-259470).
Однако изготовление электродов с использованием оливиновой частицы с таким миниатюрным диаметром неизбежно влечет использование большого количества связующего, тем самым невыгодно удлиняя время перемешивания суспензии и ухудшая эффективность процесса.However, the manufacture of electrodes using olivine particles with such a miniature diameter inevitably entails the use of a large amount of binder, thereby disadvantageously lengthening the mixing time of the suspension and worsening the efficiency of the process.
Следовательно, существует возрастающая потребность в фосфате лития-железа, таком как LiFePO4, который демонстрирует превосходные электропроводность и плотность, а также эффективность процесса.Therefore, there is an increasing demand for lithium iron phosphate, such as LiFePO 4 , which exhibits excellent electrical conductivity and density, as well as process efficiency.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Техническая проблемаTechnical problem
Следовательно, настоящее изобретение было создано для того, чтобы решить вышеупомянутые проблемы и другие технические проблемы, которые до сих пор еще не были решены.Therefore, the present invention was created in order to solve the above problems and other technical problems that have not yet been resolved.
В результате разнообразных широких и интенсивных исследований и экспериментов по решению описанных выше проблем авторы данного изобретения обнаружили, что управление мольной долей (1-x) фосфора (P) в высокоэффективном фосфате лития-железа в интервале от 0,910 до 0,999 делает возможными нивелирование эффективности активного катодного материала до более низкой эффективности работы активного анодного материала, минимизацию бесполезной потери эффективности электрода и таким образом итоговую максимизацию эффективности и емкости электродов и батарей, и что управление валентностью Fe делает возможными улучшение падения напряжения на активном сопротивлении и токовых свойств, улучшение потенциала плато заряда/разряда и тем самым максимальное увеличение плотности энергии.As a result of various wide and intensive studies and experiments to solve the problems described above, the inventors of the present invention found that controlling the mole fraction of (1-x) phosphorus (P) in high-efficiency lithium iron phosphate in the range from 0.910 to 0.999 makes it possible to level the effectiveness of the active cathode material to a lower efficiency of the active anode material, minimizing the useless loss of electrode efficiency and thus the resulting maximization of the efficiency and capacity of the electrodes and batteries, and that controlling the valence of Fe makes it possible to improve the voltage drop across the active resistance and current properties, to improve the potential of the charge / discharge plateau and thereby maximize the energy density.
Дополнительно авторы настоящего изобретения обнаружили, что фосфат лития-железа, составленный из вторичных частиц с заданной пористостью, образованных агрегированием первичных частиц с маленьким диаметром, может удовлетворять превосходной электропроводности, устойчивой кристаллической структуре и высокой плотности, что является достоинствами более мелких первичных частиц, а также высокой эффективности процесса, что является достоинством вторичных частиц, тем самым максимизируя в итоге емкость и плотность энергии электродов и батарей.Additionally, the authors of the present invention found that lithium iron phosphate composed of secondary particles with a given porosity formed by aggregation of primary particles with a small diameter can satisfy excellent electrical conductivity, a stable crystalline structure and high density, which are the advantages of smaller primary particles, as well as high process efficiency, which is the advantage of secondary particles, thereby maximizing the total capacity and energy density of the electrodes and battery Ray.
На основе этих открытий и было создано настоящее изобретение.Based on these discoveries, the present invention was created.
Техническое решениеTechnical solution
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения вышеуказанные и другие задачи можно решить предоставлением активного катодного материала с составом, представленным следующей Формулой I,In accordance with one aspect of the present invention, the above and other objectives can be achieved by providing an active cathode material with the composition represented by the following Formula I,
LiFe(P(1-x)O4) (I)LiFe (P (1-x) O 4 ) (I)
где мольная доля (1-x) фосфора (P) находится в интервале от 0,910 до 0,999.where the molar fraction of (1-x) phosphorus (P) is in the range from 0.910 to 0.999.
Такой активный катодный материал с составом Формулы I позволяет нивелировать эффективность работы активного катодного материала до более низкой эффективности работы активного анодного материала и демонстрирует улучшенную плотность энергии за счет управления мольной долей (1-x) фосфора (P) в интервале от 0,910 до 0,999.Such an active cathode material with the composition of Formula I allows you to level the efficiency of the active cathode material to a lower efficiency of the active anode material and demonstrates improved energy density by controlling the molar fraction of (1-x) phosphorus (P) in the range from 0.910 to 0.999.
Как упоминалось выше, LiFePO4 обладает эффективностью работы примерно 100%. Следовательно, когда в качестве активного анодного материала используют активный анодный материал с относительно низкой эффективностью, требуется разнообразие электродных материалов для того, чтобы сделать активный анодный материал имеющим обратимую емкость, сопоставимую с активным катодным материалом, тем самым невыгодно вызывая повышение затрат на изготовление.As mentioned above, LiFePO 4 has an efficiency of approximately 100%. Therefore, when a relatively low efficiency active anode material is used as the active anode material, a variety of electrode materials is required in order to make the active anode material having a reversible capacity comparable to the active cathode material, thereby unprofitable causing an increase in manufacturing costs.
В этом отношении авторы настоящего изобретения обнаружили, что исходную эффективность работы можно относительно уменьшить за счет управления мольной долей (1-x) фосфора (P) в интервале от 0,910 до 0,999. В соответствии с этим открытием, несмотря на то что используют активный анодный материал с более низкой эффективностью работы, эффективность работы активного катодного материала может быть нивелирована до эффективности работы активного анодного материала.In this regard, the authors of the present invention have found that the initial operating efficiency can be relatively reduced by controlling the mole fraction of (1-x) phosphorus (P) in the range from 0.910 to 0.999. In accordance with this discovery, although an anode active material with lower work efficiency is used, the cathode active work efficiency can be leveled up to the work efficiency of the active anode material.
Следовательно, настоящее изобретение делает возможными минимизацию бесполезной траты электродного материала и тем самым значительное снижение затрат на изготовление и сохраняет желательные эффективность и емкость батарей, тем самым оставаясь весьма выгодным с точки зрения процессов изготовления. Помимо этого, преимущественно настоящее изобретение решает проблемы, связанные с необратимой емкостью активных анодных материалов, и расширяет диапазон тех активных анодных материалов, которые можно использовать, учитывая эффективность батареи.Therefore, the present invention makes it possible to minimize the waste of electrode material and thereby significantly reduce manufacturing costs and maintain the desired battery efficiency and capacity, thereby remaining highly beneficial from the point of view of manufacturing processes. In addition, mainly the present invention solves the problems associated with the irreversible capacity of the active anode materials, and expands the range of those active anode materials that can be used, given the efficiency of the battery.
Более того, обычный LiFePO4 содержит Fe только с валентностью 2+, в то время как LiFeP(1-x)O4, где мольная доля (1-x) фосфора (P) находится в интервале от 0,910 до 0,999 в соответствии с настоящим изобретением, имеет сниженную мольную долю фосфора (P), а значит, содержит и Fe2+ и Fe3+. Если металл, присутствующий в структуре активного материала, имеет смешанную валентность (например, Fe2+/Fe3+), то электропроводность и связанная с диффузией Li+ ионная проводимость повышаются и тем самым значительно улучшаются общие токовые свойства по сравнению со случаем, когда металл имеет единственную валентность (Fe2+).Moreover, ordinary LiFePO 4 contains Fe only with a valency of 2 + , while LiFeP (1-x) O 4 , where the mole fraction of (1-x) phosphorus (P) is in the range from 0.910 to 0.999 in accordance with this the invention, has a reduced molar fraction of phosphorus (P), and therefore contains both Fe 2+ and Fe 3+ . If the metal present in the structure of the active material has a mixed valency (for example, Fe 2+ / Fe 3+ ), then the electrical conductivity and diffusion-related Li + ion conductivity increase and thereby significantly improve the overall current properties compared with the case when the metal has a single valency (Fe 2+ ).
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что активный катодный материал по настоящему изобретению препятствует падению напряжения на активном сопротивлении при заряде/разряде и улучшает профили разряда, не вызывая каких-либо структурных изменений, и тем самым в итоге увеличивает плотность энергии батарей.The inventors of the present invention found that the cathode active material of the present invention prevents the voltage drop across the active resistance during charge / discharge and improves the discharge profiles without causing any structural changes, and thereby ultimately increases the battery energy density.
Использованное здесь выражение “активный анодный материал с относительно низкой эффективностью работы” относится к материалу, обладающему эффективностью работы более низкой, чем соединение Формулы (I) в качестве активного катодного материала, которое включает все активные анодные материалы с более низкой эффективностью и активные анодные материалы со сниженной эффективностью работы по сравнению с активными катодными материалами из-за необратимой емкости, возникающей в них при первоначальном заряде/разряде, включая первый заряд, несмотря на то что они обладают теоретической емкостью, сравнимой с активными катодными материалами.The phrase “active anode material with relatively low work efficiency” as used herein refers to a material having a work efficiency lower than the compound of Formula (I) as an active cathode material, which includes all active anode materials with lower efficiency and active anode materials with reduced efficiency compared to active cathode materials due to the irreversible capacity arising in them during the initial charge / discharge, including the first charge, not Motrya the fact that they have theoretical capacity comparable to cathode active materials.
Активный анодный материал обладает эффективностью работы, меньшую чем 100%, предпочтительно - от 90 до 98%, более предпочтительно - от 90 до 95%.The active anode material has a work efficiency of less than 100%, preferably 90 to 98%, more preferably 90 to 95%.
Например, таким активным анодным материалом предпочтительно является материал на основе углерода, способный проявить высокую разрядную емкость.For example, such an anode active material is preferably a carbon based material capable of exhibiting high discharge capacity.
Можно использовать любой материал на основе углерода без особых ограничений при условии, что он допускает обратимую интеркаляцию/деинтеркаляцию ионов лития. Материалом на основе углерода может быть кристаллический состав на основе углерода, аморфный состав на основе углерода или их сочетание. Типичным представителем кристаллического состава на основе углерода является графит. Кристаллические углероды (состав на основе графита) включают искусственный графит в форме картофелеподобных или мезоуглеродных микробусин (MCMB), натуральный графит с обработанной поверхностью для получения плоских кромок и т.п. Кроме этого, аморфным составом на основе углерода является материал, содержащий атомы углерода и имеющий аморфную кристаллическую структуру, и его примеры включают неграфитизируемый углерод (твердый углерод), получаемый при подвергании фенольных или фурановых смол пиролизу, и графитизируемый углерод (мягкий углерод), получаемый карбонизацией кокса, игольчатого кокса или пека.Any carbon-based material can be used without special restrictions, provided that it allows reversible intercalation / deintercalation of lithium ions. The carbon-based material may be a carbon-based crystalline composition, a carbon-based amorphous composition, or a combination thereof. A typical representative of the carbon-based crystalline composition is graphite. Crystalline carbons (graphite-based composition) include artificial graphite in the form of potato-like or mesocarbon microbeads (MCMB), natural surface-treated graphite to make flat edges, and the like. In addition, a carbon-based amorphous composition is a material containing carbon atoms and having an amorphous crystalline structure, and examples thereof include non-graphitizable carbon (solid carbon) obtained by subjecting phenolic or furan resins to pyrolysis, and graphitizable carbon (soft carbon) obtained by carbonization coke, needle coke or pitch.
В предпочтительном варианте воплощения углеродным материалом может быть натуральный или искусственный графит, который обладает высокой емкостью и высокой плотностью энергии благодаря превосходным плотности и проводимости и тем самым демонстрирует превосходные мощностные и токовые свойства. Более предпочтительно углеродным материалом могут быть мезоуглеродные микробусины (MCMB от англ. mesocarbon microbeads), которые являются оптически анизотропными сферическими частицами, полученными нагреванием кокса, пека или т.п. при примерно 400°C.In a preferred embodiment, the carbon material may be natural or artificial graphite, which has a high capacity and high energy density due to its excellent density and conductivity and thereby exhibits excellent power and current properties. More preferably, the carbon material may be mesocarbon microbeads (MCMB from mesocarbon microbeads), which are optically anisotropic spherical particles obtained by heating coke, pitch, or the like. at approximately 400 ° C.
Кроме этого, в качестве примеров углеродных материалов, которые можно использовать в настоящем изобретении, можно упомянуть сложные оксиды металлов LiyFe2O3(0≤y≤1), LiyWO2(0≤y≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, В, P, Si, элементы I, II и III групп Периодической таблицы, галогены; 0<х≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8); металлический литий; сплавы лития, сплавы на основе кремния; сплавы на основе олова и оксиды металлов, такие как SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 и т.п.In addition, as examples of carbon materials that can be used in the present invention, mention may be made of complex metal oxides Li y Fe 2 O 3 (0≤y≤1), Li y WO 2 (0≤y≤1), Sn x Me 1-x Me ' y O z (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, elements of groups I, II and III of the Periodic table, halogens; 0 <x≤1; 1≤ y≤3; 1≤z≤8); lithium metal; lithium alloys; silicon-based alloys; tin-based alloys and metal oxides such as SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , GeO, GeO 2 , Bi 2 O 3 , Bi 2 O 4 , Bi 2 O 5 , etc.
В настоящем изобретении мольная доля фосфора (P) находится в интервале от 0,910 до 0,999, предпочтительно - от 0,955 до 0,995. Если мольная доля фосфора (P) равна 1, то эффективность работы близка к 100%, а если мольная доля меньше чем 0,910, то кристаллическая структура LiFeP(1-x)O4 деформируется, невыгодно затрудняя сохранение структурной стабильности.In the present invention, the molar fraction of phosphorus (P) is in the range from 0.910 to 0.999, preferably from 0.955 to 0.995. If the molar fraction of phosphorus (P) is 1, then the efficiency is close to 100%, and if the molar fraction is less than 0.910, then the crystal structure of LiFeP (1-x) O 4 is deformed, making it difficult to maintain structural stability.
Эффективность работы активного катодного материала практически пропорциональна мольной доле фосфора (P). Следовательно, активный катодный материал согласно настоящему изобретению, в котором мольная доля фосфора (P) составляет от 0,910 до 0,999, может быть нивелирован до эффективности работы от 90 до 99,9%, предпочтительно - от 95 до 99%.The efficiency of the active cathode material is almost proportional to the molar fraction of phosphorus (P). Therefore, the cathode active material according to the present invention, in which the molar fraction of phosphorus (P) is from 0.910 to 0.999, can be leveled to an efficiency of 90 to 99.9%, preferably 95 to 99%.
Существует несколько способов регулирования мольной доли фосфора (P) от 0,910 до 0,999. Например, снижают количество добавляемого предшественника фосфора (P) в процессе получения LiFePO4 или управляют регулированием pH в процессе синтеза. В соответствии с первым способом, если количество добавляемого предшественника фосфора (P) снижают в ходе кратковременной реакции, то продукт реакции получают при наличии небольшого дефицита фосфора (P), и таким образом можно получить требуемый интервал мольной доли. В соответствии с последним способом часть фосфора (P) вымывают из продукта реакции при слегка пониженном pH, тем самым обеспечивая требуемый интервал мольной доли.There are several ways to control the molar fraction of phosphorus (P) from 0.910 to 0.999. For example, the amount of phosphorus precursor (P) added is reduced during the preparation of LiFePO 4, or the pH is controlled during synthesis. According to the first method, if the amount of added phosphorus precursor (P) is reduced during the short-term reaction, the reaction product is obtained in the presence of a small phosphorus (P) deficiency, and thus the desired mole fraction range can be obtained. According to the latter method, a portion of the phosphorus (P) is washed out of the reaction product at a slightly reduced pH, thereby providing the desired molar fraction range.
Если необходимо, Fe можно частично заместить по меньшей мере одним, выбранным из группы, состоящей из Al, Mg, Ni, Co, Mn, Ti, Ga, Cu, V, Nb, Zr, Ce, In, Zn и Y. В этом случае стабильность кристаллических структур и электропроводность могут быть выгодно улучшены. Однако в случае, когда количество замещаемого Fe превышает 0,5 моль, может невыгодно ухудшаться емкость.If necessary, Fe can be partially replaced by at least one selected from the group consisting of Al, Mg, Ni, Co, Mn, Ti, Ga, Cu, V, Nb, Zr, Ce, In, Zn and Y. In this In this case, the stability of crystalline structures and electrical conductivity can be advantageously improved. However, in the case where the amount of Fe to be replaced exceeds 0.5 mol, the capacity may be disadvantageously degraded.
В предпочтительном варианте воплощения активный катодный материал по настоящему изобретению составлен из вторичных частиц со средним диаметром частицы (D50) от 5 до 100 мкм, образованных агрегированием первичных частиц со средним диаметром частицы (D50) от 50 до 550 нм, причем первичные и вторичные частицы имеют состав, представленный приведенной ниже Формулой I, а вторичные частицы имеют пористость 10% или более.In a preferred embodiment, the active cathode material of the present invention is composed of secondary particles with an average particle diameter (D50) of 5 to 100 μm formed by aggregation of primary particles with an average particle diameter (D50) of 50 to 550 nm, the primary and secondary particles having the composition represented by Formula I below, and the secondary particles have a porosity of 10% or more.
Когда вторичные частицы образованы из первичных частиц, причем поры между ними почти отсутствуют, они сохраняют свою форму, тем самым удлиняя диффузионную длину Li+ от поверхности вторичных частиц до их центра и ухудшая токовые свойства. Кроме того, в случае, когда на такую вторичную частицу наносят углеродное покрытие, если это желательно, то оно не должно быть нанесено на внутреннюю часть вторичной частицы, в итоге вызывая тем самым ухудшение электропроводности.When secondary particles are formed from primary particles, and the pores between them are almost absent, they retain their shape, thereby lengthening the diffusion length Li + from the surface of the secondary particles to their center and worsening current properties. In addition, when a carbon coating is applied to such a secondary particle, if desired, it should not be applied to the inside of the secondary particle, thereby causing a deterioration in electrical conductivity.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что если вторичные частицы с высокой пористостью приготавливают и используют в процессе прессования для изготовления электрода, то по меньшей мере часть их может деформироваться и тем самым возвращаться к первичным частицам, вызывая тем самым ухудшение диффузионной способности Li+ и электропроводности.The inventors of the present invention have found that if secondary particles with high porosity are prepared and used in the pressing process to make an electrode, then at least a portion of them can be deformed and thereby return to the primary particles, thereby causing a deterioration in the diffusion capacity of Li + and electrical conductivity.
То есть в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения активный катодный материал принимает форму вторичных частиц, в которых первичные частицы агрегированы, и обладает высокой пористостью, тем самым проявляя превосходную электропроводность и высокую плотность, которые являются достоинствами более мелких первичных частиц, а также высокую эффективность процесса, что является достоинством вторичных частиц. Более конкретно, использование вторичных частиц при приготовлении электродной смеси дает возможность уменьшить количества используемых связующего и растворителя, сокращая периоды перемешивания и сушки. Следовательно, емкость и плотность энергии электродов и батарей можно довести до максимума.That is, in a preferred embodiment of the present invention, the cathode active material takes the form of secondary particles in which the primary particles are aggregated and has high porosity, thereby exhibiting excellent electrical conductivity and high density, which are the advantages of smaller primary particles, as well as high process efficiency, which is the virtue of secondary particles. More specifically, the use of secondary particles in the preparation of the electrode mixture makes it possible to reduce the amount of binder and solvent used, reducing the periods of mixing and drying. Therefore, the capacitance and energy density of the electrodes and batteries can be maximized.
В активном катодном материале вторичные частицы имеют пористость по меньшей мере 10% и имеют пористость от 15 до 40%, поэтому их можно возвратить к первичным частицам в процессе прессования электродов.In the active cathode material, the secondary particles have a porosity of at least 10% and have a porosity of 15 to 40%, so they can be returned to the primary particles in the process of pressing the electrodes.
Если вторичные частицы имеют пористость меньшую чем 15%, то измельчение вторичных частиц требует приложения более высокого давления, чем в обычных случаях. С другой стороны, если пористость превышает 40%, то прочность связи между первичными частицами является низкой, невыгодно затрудняя обращение. Кроме того, более предпочтительно, вторичные частицы имеют пористость от 20 до 30%, учитывая однородную дисперсию и эффективность обработки первичных частиц.If the secondary particles have a porosity of less than 15%, then grinding the secondary particles requires the application of a higher pressure than in ordinary cases. On the other hand, if the porosity exceeds 40%, then the bond strength between the primary particles is low, making it difficult to handle. In addition, more preferably, the secondary particles have a porosity of from 20 to 30%, given the uniform dispersion and processing efficiency of the primary particles.
Поры, присутствующие во вторичных частицах, могут быть порами закрытого или открытого типа. Если принять во внимание легкость приготовления и однородную дисперсию первичных частиц, то первичные частицы имеют множество мелких пор. Следовательно, такие поры предпочтительно имеют размер от 10 до 1000 нм, более предпочтительно - от 200 до 700 нм, при измерении с использованием ртутного (Hg) порозиметра.The pores present in the secondary particles can be closed or open pores. If we take into account the ease of preparation and the uniform dispersion of the primary particles, the primary particles have many small pores. Therefore, such pores preferably have a size of from 10 to 1000 nm, more preferably from 200 to 700 nm, when measured using a mercury (Hg) porosimeter.
Кроме того, первичные частицы следует использовать в кристаллическом виде для того, чтобы образовались вторичные частицы так, чтобы они могли обеспечить превосходную электропроводность, устойчивую кристаллическую структуру и высокую объемную плотность, несмотря на то что они превращаются из деформированных вторичных частиц при изготовлении электродов. То есть первичные частицы, предпочтительно каждая в отдельности, имеют кристаллическую структуру оливина.In addition, primary particles should be used in crystalline form so that secondary particles are formed so that they can provide excellent electrical conductivity, a stable crystalline structure and high bulk density, despite the fact that they are transformed from deformed secondary particles in the manufacture of electrodes. That is, the primary particles, preferably each individually, have a crystalline olivine structure.
С другой стороны, нежелательно, чтобы вторичные частицы приготавливали агрегированием первичных частиц и кристаллизацией с помощью спекания, поскольку необходимо приложить высокое давление из-за высокой силы связи между первичными частицами с тем, чтобы позволить вторичным частицам перейти в первичные частицы, и вторичные частицы теряют свою кристаллическую структуру, когда деформируются. Это означает, что улучшение диффузии Li+ и проводимости не может быть реализовано из-за маленького диаметра.On the other hand, it is undesirable for secondary particles to be prepared by aggregation of primary particles and crystallization by sintering, since it is necessary to apply high pressure due to the high bond strength between the primary particles in order to allow the secondary particles to transfer to the primary particles, and the secondary particles lose their crystalline structure when deformed. This means that improving Li + diffusion and conductivity cannot be realized due to the small diameter.
Кроме того, для того чтобы легко перевести вторичные частицы в первичные частицы, вторичные частицы предпочтительно образуют агрегированием первичных частиц за счет физических связей, таких как притяжение ван-дер-Ваальса, а не химических связей, таких как ковалентные или ионные связи.In addition, in order to easily convert secondary particles to primary particles, secondary particles are preferably formed by aggregation of primary particles due to physical bonds, such as van der Waals attraction, rather than chemical bonds, such as covalent or ionic bonds.
Первичные частицы предпочтительно имеют средний диаметр частицы (D50) от 50 до 550 нм, более предпочтительно - от 100 до 300 нм, если учесть такие факты, что когда средний диаметр частицы у первичных частиц слишком большой, то ионная проводимость не может быть улучшена до требуемого уровня, и что частицы с чрезвычайно маленьким диаметром трудно приготовить.The primary particles preferably have an average particle diameter (D50) of from 50 to 550 nm, more preferably from 100 to 300 nm, given the fact that when the average particle diameter of the primary particles is too large, the ionic conductivity cannot be improved to the desired level, and that particles with extremely small diameters are difficult to prepare.
Кроме этого, если вторичные частицы имеют чрезмерно большой средний диаметр частицы, то пористость между ними увеличивается, а объемная плотность ухудшается, а если вторичные частицы имеют чрезмерно маленький средний диаметр частицы, то нельзя получить высокую эффективность обработки. Следовательно, предпочтительно, чтобы вторичные частицы имели средний диаметр частицы (D50) от 5 до 100 мкм. Предпочтительно, чтобы вторичные частицы имели средний диаметр частиц (D50) от 5 до 40 мкм с учетом смешивания суспензии и гладкости поверхности электродов. Не является предпочтительным, чтобы средний диаметр частицы (D50) был больше 40 мкм, поскольку при смешивании суспензии имеет место выпадение осадка.In addition, if the secondary particles have an excessively large average particle diameter, then the porosity between them increases and the bulk density deteriorates, and if the secondary particles have an excessively small average particle diameter, then high processing efficiency cannot be obtained. Therefore, it is preferred that the secondary particles have an average particle diameter (D50) of 5 to 100 μm. Preferably, the secondary particles have an average particle diameter (D50) of 5 to 40 μm, taking into account the mixing of the suspension and the smoothness of the surface of the electrodes. It is not preferable that the average particle diameter (D50) be greater than 40 μm, since precipitation occurs when the suspension is mixed.
Предпочтительно, вторичные частицы имеют удельную площадь поверхности (БЭТ) от 5 до 15 м2/г.Preferably, the secondary particles have a specific surface area (BET) of 5 to 15 m 2 / g.
Кроме того, форма активного катодного материала особо не ограничена. Предпочтительно, фосфат лития-железа типа оливина может иметь сферическую форму с учетом объемной плотности.In addition, the shape of the cathode active material is not particularly limited. Preferably, olivine-type lithium iron phosphate may be spherical in view of bulk density.
В предпочтительном варианте воплощения активный катодный материал имеет объемную плотность от 0,5 до 1,5 г/мл. Если активный катодный материал имеет указанную выше объемную плотность, то площадь поверхности, контактирующая с проводящим материалом, увеличивается, тем самым обеспечивая возможность образования превосходной проводящей сетки, обладающей превосходной электропроводностью. Более конкретно, активный катодный материал имеет объемную плотность от 0,8 до 1,3 г/мл.In a preferred embodiment, the cathode active material has a bulk density of from 0.5 to 1.5 g / ml. If the active cathode material has the bulk density indicated above, then the surface area in contact with the conductive material is increased, thereby making it possible to form an excellent conductive network having excellent electrical conductivity. More specifically, the cathode active material has a bulk density of from 0.8 to 1.3 g / ml.
Если это необходимо, то для того, чтобы улучшить проводимость, активный катодный материал можно покрыть по меньшей мере одним из группы, состоящей из углерода, благородных металлов и проводящих полимеров. В частности, в случае, когда на активный катодный материал наносят углеродное покрытие, проводимость может быть выгодно увеличена без значительного увеличения затрат на приготовление и веса.If necessary, in order to improve conductivity, the cathode active material can be coated with at least one of the group consisting of carbon, noble metals and conductive polymers. In particular, in the case where a carbon coating is applied to the cathode active material, the conductivity can be advantageously increased without a significant increase in preparation costs and weights.
В другом предпочтительном варианте воплощения активный катодный материал содержит 0,02-5% по весу Li3PO4 в расчете на общий вес и не содержит Li2CO3 или содержит Li2CO3 в количестве, меньшем чем 0,25%.In another preferred embodiment, the cathode active material contains 0.02-5% by weight of Li 3 PO 4 based on the total weight and does not contain Li 2 CO 3 or contains Li 2 CO 3 in an amount of less than 0.25%.
Активный катодный материал содержит крайне маленькое количество карбоната лития, тем самым снижая образование газа и демонстрируя превосходную стабильность при высокой температуре и стабильность при хранении. Кроме того, активный катодный материал содержит Li3PO4, который имеет исключительно превосходные электрохимическую стабильность, термическую стабильность и ионную проводимость, тем самым выгодно демонстрируя превосходные токовые свойства при применении в качестве активного катодного материала для литиевых вторичных батарей. По сути, идея о том, что введение Li3PO4 в фосфат лития-железа вызовет улучшение его электропроводности, является новой.The active cathode material contains an extremely small amount of lithium carbonate, thereby reducing gas formation and exhibiting excellent stability at high temperature and storage stability. In addition, the cathode active material contains Li 3 PO 4 , which has exceptionally excellent electrochemical stability, thermal stability and ionic conductivity, thereby advantageously demonstrating excellent current properties when used as lithium secondary batteries as cathode active material. In fact, the idea that the introduction of Li 3 PO 4 into lithium-iron phosphate will improve its electrical conductivity is new.
Как упоминалось выше, Li2CO3 может образовываться по реакции углеродного материала, добавленного для улучшения проводимости, с ионами лития, или же является непрореагировавшим остаточным предшественником лития. Предпочтительно, чтобы содержание Li2CO3 было как можно меньшим. В частности, может увеличиваться явление вздутия, если Li2CO3 присутствует в количестве не меньше чем 0,25%. Следовательно, Li2CO3 предпочтительно присутствует в количестве, меньшем чем 0,25% по весу, более предпочтительно - не более чем 0,1% по весу.As mentioned above, Li 2 CO 3 can be formed by the reaction of a carbon material added to improve conductivity with lithium ions, or it can be an unreacted residual lithium precursor. Preferably, the content of Li 2 CO 3 is as low as possible. In particular, a bloating phenomenon may increase if Li 2 CO 3 is present in an amount of not less than 0.25%. Therefore, Li 2 CO 3 is preferably present in an amount of less than 0.25% by weight, more preferably not more than 0.1% by weight.
Между тем, Li3PO4 демонстрирует исключительно превосходную электрохимическую стабильность и превосходную термическую стабильность. Следовательно, Li3PO4 может улучшить высокотемпературную стабильность активного катодного материала Формулы I, не вызывая побочных реакций в батареях и не ухудшая их свойства заряда/разряда. Помимо этого, Li3PO4 может улучшить ионную проводимость, таким образом выгодно компенсируя низкую проводимость активного катодного материала и улучшая токовые свойства батарей. Если Li3PO4 присутствует в количестве, превышающем 5% по весу, то емкость батареи невыгодно ухудшается при эквивалентных прочих условиях. Следовательно, требуется, чтобы Li3PO4 присутствовал в количестве от 0,1 до 5% по весу.Meanwhile, Li 3 PO 4 exhibits exceptionally excellent electrochemical stability and excellent thermal stability. Therefore, Li 3 PO 4 can improve the high temperature stability of the active cathode material of Formula I without causing side reactions in the batteries and without compromising their charge / discharge properties. In addition, Li 3 PO 4 can improve ionic conductivity, thereby advantageously compensating for the low conductivity of the active cathode material and improving the current properties of the batteries. If Li 3 PO 4 is present in an amount exceeding 5% by weight, the battery capacity is disadvantageously degraded under equivalent other conditions. Therefore, it is required that Li 3 PO 4 be present in an amount of from 0.1 to 5% by weight.
Li3PO4 может добавляться отдельно или образовываться в процессе приготовления активного катодного материала Формулы I сверхкритическим гидротермальным способом.Li 3 PO 4 can be added separately or formed during the preparation of the active cathode material of Formula I by a supercritical hydrothermal method.
Активный катодный материал Формулы I, содержащий соответствующее количество Li3PO4 и/или Li2CO3 в соответствии с настоящим изобретением, обладает pH от 8,5 до 11,5, предпочтительно от 10,0 до 11,5.The active cathode material of Formula I, containing an appropriate amount of Li 3 PO 4 and / or Li 2 CO 3 in accordance with the present invention, has a pH of from 8.5 to 11.5, preferably from 10.0 to 11.5.
В предпочтительном варианте воплощения содержания Li3PO4 и Li2CO3 можно измерить с использованием следующих способов.In a preferred embodiment, the contents of Li 3 PO 4 and Li 2 CO 3 can be measured using the following methods.
Первым способом является дифракция рентгеновского излучения элемента, имеющего Ка от 1,6 до 2, используемого для подтверждения присутствия Li3PO4. Элементом, имеющим Ка от 1,6 до 2, может быть кобальт (Co) или железо (Fe).The first method is x-ray diffraction of an element having a Ka of 1.6 to 2, used to confirm the presence of Li 3 PO 4 . An element having a Ka of 1.6 to 2 may be cobalt (Co) or iron (Fe).
Li3PO4 характеризуется тем, что из-за интерференции его нелегко обнаружить с помощью дифракции рентгеновского излучения Cu или Ka. Соответственно, авторы настоящего изобретения подтвердили посредством различных экспериментов, что использование рентгеновской дифракции с применением элемента, обладающего Ka от 1,6 до 2, делает возможным эффективный анализ присутствия Li3PO4.Li 3 PO 4 is characterized in that, due to interference, it is not easy to detect by X-ray diffraction of Cu or Ka. Accordingly, the authors of the present invention have confirmed through various experiments that the use of X-ray diffraction using an element having Ka from 1.6 to 2 makes it possible to efficiently analyze the presence of Li 3 PO 4 .
Вторым способом является способ исследования содержания Li2CO3 и/или Li3PO4, который включает в себя смешивание 10 г образца со 100 мл дистиллированной воды, перемешивание смеси в течение от 5 до 10 минут, фильтрование реакционной смеси, титрование фильтрата кислотой и измерение pH получившегося раствора.The second method is a method for studying the content of Li 2 CO 3 and / or Li 3 PO 4 , which includes mixing 10 g of the sample with 100 ml of distilled water, stirring the mixture for 5 to 10 minutes, filtering the reaction mixture, titrating the filtrate with acid and pH measurement of the resulting solution.
В этих способах на образцах можно выполнить повторные пропитку и декантирование так, что Li2CO3 или Li3PO4, присутствующий в образцах, может быть полностью растворен в дистиллированной воде. В результате точность определения содержания может быть дополнительно улучшена. При этом такие параметры, как общее время добавления образца, сильно не изменяются. Используемая для титрования кислота особо не ограничивается и является предпочтительно HCl.In these methods, re-impregnation and decanting can be performed on the samples so that the Li 2 CO 3 or Li 3 PO 4 present in the samples can be completely dissolved in distilled water. As a result, the accuracy of determining the content can be further improved. At the same time, parameters such as the total time the sample was added do not change much. The acid used for titration is not particularly limited and is preferably HCl.
Предпочтительно, чтобы большая часть Li2CO3 и Li3PO4 присутствовала на поверхности активных катодных материалов. Это обусловлено тем, что в случае, когда Li3PO4 находится на поверхности частиц, Li3PO4 может выгодно эффективно улучшить ионную проводимость, в то время как в случае, когда Li2CO3 присутствует в активных катодных материалах, трудно удалять частицы. Примеры способов приготовления первичных частиц включают, но не ограничиваются ими, твердофазный способ, совместное осаждение, гидротермальный синтез и сверхкритический гидротермальный синтез.Preferably, most of Li 2 CO 3 and Li 3 PO 4 are present on the surface of the active cathode materials. This is because in the case where Li 3 PO 4 is on the surface of the particles, Li 3 PO 4 can advantageously effectively improve the ionic conductivity, while in the case when Li 2 CO 3 is present in the active cathode materials, it is difficult to remove particles . Examples of methods for preparing primary particles include, but are not limited to, the solid phase method, co-precipitation, hydrothermal synthesis, and supercritical hydrothermal synthesis.
В предпочтительном варианте воплощения приготовление активного катодного материала с применением сверхкритического гидротермального синтеза осуществляют в соответствии со следующими стадиями (а)-(с):In a preferred embodiment, the preparation of the cathode active material using supercritical hydrothermal synthesis is carried out in accordance with the following steps (a) to (c):
(а) первичное смешивание исходных материалов с подщелачивающим агентом для осаждения гидроксида переходного металла;(a) primary mixing of the starting materials with an alkalizing agent to precipitate a transition metal hydroxide;
(b) вторичное смешивание сверхкритической или надкритической воды со смесью, полученной на стадии (а), чтобы синтезировать сложный оксид лития-металла, и его сушка; и(b) secondary mixing supercritical or supercritical water with the mixture obtained in stage (a) to synthesize complex lithium metal oxide and drying it; and
(с) прокаливание сложного оксида лития-металла.(c) calcining a complex lithium metal oxide.
На стадии (а) в качестве предшественника лития можно использовать один из ингредиентов, Li2CO3, Li(OH), Li(OH)·H2O, LiNO3 или т.п. В качестве предшественника железа (Fe) можно использовать соединение, содержащее двухвалентное железо, такое как FeSO4, FeC2O4·2H2O или FeCl2. В качестве предшественника фосфора (P) можно использовать соль аммония, такую как H3PO4, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4 или P2O5.In step (a), one of the ingredients, Li 2 CO 3 , Li (OH), Li (OH) · H 2 O, LiNO 3, or the like can be used as a lithium precursor. As a precursor of iron (Fe), a ferrous iron-containing compound such as FeSO 4 , FeC 2 O 4 · 2H 2 O or FeCl 2 can be used . As the phosphorus precursor (P), an ammonium salt such as H 3 PO 4 , NH 4 H 2 PO 4 , (NH 4 ) 2 HPO 4 or P 2 O 5 can be used .
Кроме того, подщелачивающим агентом может быть гидроксид щелочного металла, гидроксид щелочноземельного металла или соединение аммиака.In addition, the alkalizing agent may be an alkali metal hydroxide, an alkaline earth metal hydroxide or an ammonia compound.
На стадии (b) сверхкритическая или надкритическая вода может иметь температуру от 200 до 700°C при давлении от 180 до 550 бар. На стадии (с) температура прокаливания может составлять от 600 до 1200°C.In step (b), supercritical or supercritical water may have a temperature of from 200 to 700 ° C at a pressure of from 180 to 550 bar. In step (c), the calcination temperature may be from 600 to 1200 ° C.
Кроме того, сложный оксид лития-металла, составленный из вторичных частиц, можно приготовить сушкой смеси, состоящей из первичных частиц с заданным диаметром, связующего и растворителя, за которой следует агрегирование. В этой смеси первичные частицы и связующее присутствуют в смеси в количестве от 5 до 20% по весу и от 5 до 20% по весу соответственно, по отношению к весу растворителя. Пористостью вторичных частиц можно управлять, изменяя соотношение первичных частиц и растворителя. Растворитель, используемый на этой стадии, может включать все органические растворители, включая полярные растворители, такие как вода, и неполярные растворители. Примеры связующего, используемого на этой стадии, включают, но не ограничиваются ими, сахарозу и сахара на основе лактозы, полимеры на основе ПВДФ и ПЭ и битумы, которые растворимы в полярном растворителе.In addition, a complex lithium metal oxide composed of secondary particles can be prepared by drying a mixture of primary particles with a given diameter, a binder and a solvent, followed by aggregation. In this mixture, the primary particles and the binder are present in the mixture in an amount of 5 to 20% by weight and 5 to 20% by weight, respectively, relative to the weight of the solvent. The porosity of the secondary particles can be controlled by changing the ratio of primary particles to solvent. The solvent used in this step may include all organic solvents, including polar solvents such as water, and non-polar solvents. Examples of the binder used in this step include, but are not limited to, sucrose and lactose-based sugars, PVDF and PE-based polymers and bitumen, which are soluble in a polar solvent.
Сушка и приготовление вторичных частиц могут быть осуществлены в то же самое время различными способами, известными в данной области техники, включая сушку распылением, сушку в псевдоожиженном слое, вибрационную сушку и т.д. В частности, предпочтительна ротационная сушка распылением, поскольку она дает возможность приготовления вторичных частиц в форме сфер и тем самым улучшает насыпную плотность.Drying and preparation of the secondary particles can be carried out at the same time by various methods known in the art, including spray drying, fluidized bed drying, vibration drying, etc. In particular, rotary spray drying is preferred since it allows the preparation of secondary particles in the form of spheres and thereby improves bulk density.
Сушку можно осуществлять при температуре от 120 до 200°C в атмосфере инертного газа (например, Ar, N2).Drying can be carried out at a temperature of from 120 to 200 ° C in an inert gas atmosphere (for example, Ar, N 2 ).
Настоящее изобретение также предусматривает катодную смесь, содержащую активный катодный материал.The present invention also provides a cathode mixture containing cathode active material.
В дополнение к активному катодному материалу катодная смесь может необязательно содержать проводящий материал, связующее, наполнитель и т.п.In addition to the active cathode material, the cathode mixture may optionally contain a conductive material, a binder, a filler, and the like.
Проводящий материал обычно добавляют в количестве от 1 до 50% по весу, в расчете на общий вес смеси, включая активный катодный материал. Можно использовать любой проводящий материал без особых ограничений при условии, что он обладает подходящей проводимостью, не вызывая неблагоприятных химических изменений в батареях. В качестве примеров проводящего материала, которые можно использовать в настоящем изобретении, можно упомянуть проводящие материалы, включающие графит, такой как натуральный или искусственный графит; углеродные сажи, такие как углеродная сажа, ацетиленовая сажа, сажа Ketjen, канальная газовая сажа, печная сажа, ламповая сажа и термическая сажа; проводящие волокна, такие как углеродные волокна и металлические волокна; металлические порошки, такие как порошок фторида углерода, порошок алюминия и порошок никеля; проводящие нитевидные кристаллы, такие как оксид цинка и титанат калия; проводящие оксиды металлов, такие как оксид титана; и производные полифенилена.The conductive material is usually added in an amount of 1 to 50% by weight, based on the total weight of the mixture, including the cathode active material. Any conductive material can be used without special restrictions, provided that it has suitable conductivity without causing adverse chemical changes in the batteries. As examples of the conductive material that can be used in the present invention, mention may be made of conductive materials including graphite, such as natural or artificial graphite; carbon blacks such as carbon black, acetylene black, Ketjen black, duct gas black, furnace black, lamp black and thermal black; conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers; metal powders such as carbon fluoride powder, aluminum powder and nickel powder; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; and polyphenylene derivatives.
Связующее является компонентом, который помогает связывать активный материал с проводящим материалом и токосъемником. Связующее обычно добавляют в количестве от 1 до 50% по весу, в расчете на общий вес состава, включая активный катодный материал. Примеры связующего включают поливинилиден, поливиниловый спирт, карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), крахмал, гидроксипропилцеллюлозу, регенерированную целлюлозу, поливинилпирролидон, тетрафторэтилен, полиэтилен, полипропилен, терполимер этилена-пропилена-диенового мономера (ЭПДМ), сульфированный ЭПДМ, бутадиенстирольный каучук, фторкаучук и различные сополимеры.A binder is a component that helps to bind the active material with a conductive material and a current collector. The binder is usually added in an amount of from 1 to 50% by weight, based on the total weight of the composition, including the cathode active material. Examples of a binder include polyvinylidene, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, terpolymer ethylene propylene diene monomer, various ethylene propylene monomer, butyrene monomer,
Наполнителем является компонент, необязательно используемый для того, чтобы сдерживать расширение анода. Не существует особых ограничений на наполнитель при условии, что он не вызывает неблагоприятных химических изменений в изготовленной батарее и является волокнистым материалом. В качестве примера наполнителя можно использовать олефиновые полимеры, такие как полиэтилен и полипропилен; и волокнистые материалы, такие как стеклянные волокна и углеродные волокна.A filler is a component optionally used to restrain anode expansion. There are no particular restrictions on the filler, provided that it does not cause adverse chemical changes in the fabricated battery and is a fibrous material. Olefin polymers such as polyethylene and polypropylene can be used as an example of a filler; and fibrous materials such as glass fibers and carbon fibers.
Кроме того, настоящее изобретение предусматривает катод для вторичных батарей, в котором катодная смесь нанесена на токосъемник.In addition, the present invention provides a cathode for secondary batteries, in which the cathode mixture is deposited on a current collector.
Катод для вторичных батарей можно приготовить нанесением суспензии, полученной смешиванием катодной смеси с растворителем, таким как НМП, на катодный токосъемник, с следующими сушкой и прессованием прокаткой.The cathode for secondary batteries can be prepared by applying a suspension obtained by mixing the cathode mixture with a solvent, such as IMF, on the cathode current collector, with the following drying and pressing by rolling.
Катодный токосъемник обычно изготавливают имеющим толщину от 3 до 500 мкм. Не существует никаких конкретных ограничений на катодный токосъемник при условии, что он имеет подходящую проводимость, не вызывая неблагоприятных химических изменений в изготовленной батарее. В качестве примеров катодного токосъемника можно упомянуть нержавеющую сталь, алюминий, никель, титан, спеченный углерод, а также алюминий или нержавеющую сталь с поверхностью, обработанной углеродом, никелем, титаном или серебром. Если необходимо, такие токосъемники также можно обработать для формирования на их поверхности тонких неровностей для того, чтобы увеличить прочность адгезии к активным катодным материалам. Кроме того, катодные токосъемники можно использовать в различных формах, включая пленки, листы, фольгу, сетки, пористые структуры, пены и нетканые материалы.The cathode current collector is usually made having a thickness of 3 to 500 microns. There are no specific restrictions on the cathode current collector, provided that it has suitable conductivity without causing adverse chemical changes in the fabricated battery. As examples of a cathode current collector, mention may be made of stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, and also aluminum or stainless steel with a surface treated with carbon, nickel, titanium or silver. If necessary, such current collectors can also be processed to form thin irregularities on their surface in order to increase the adhesion strength to the active cathode materials. In addition, cathode current collectors can be used in various forms, including films, sheets, foil, nets, porous structures, foams and non-woven materials.
Помимо этого, настоящее изобретение предусматривает литиевую вторичную батарею, содержащую катод, анод, сепаратор и содержащий соль лития неводный электролит. В качестве активного катодного материала вторичной литиевой батареи применяется LiFe(P1-xO4), где мольная доля (1-x) фосфора (P) находится в интервале от 0,910 до 0,999, тем самым нивелируя эффективность работы активного катодного материала до эффективности работы активного анодного материала и выгодно реализуя максимизацию эффективности батареи и демонстрируя превосходные токовые свойства и улучшенную плотность энергии из-за высоких электропроводности и ионной проводимости.In addition, the present invention provides a lithium secondary battery comprising a cathode, an anode, a separator and a non-aqueous electrolyte containing lithium salt. LiFe (P 1-x O 4 ) is used as the active cathode material of the secondary lithium battery, where the molar fraction of (1-x) phosphorus (P) is in the range from 0.910 to 0.999, thereby leveling the efficiency of the active cathode material to work efficiency active anode material and advantageously realizing maximization of battery efficiency and demonstrating excellent current properties and improved energy density due to high electrical conductivity and ionic conductivity.
Например, анод приготавливают нанесением анодной смеси, включающей активный анодный материал, на анодный токосъемник с последующей сушкой. Анодная смесь может содержать вышеупомянутые ингредиенты, т.е. проводящий материал, связующее и наполнитель.For example, the anode is prepared by applying an anode mixture, including the active anode material, to the anode current collector, followed by drying. The anode mixture may contain the aforementioned ingredients, i.e. conductive material, binder and filler.
Анодный токосъемник обычно изготавливают имеющим толщину от 3 до 500 мкм. Не существует никаких конкретных ограничений на анодный токосъемник при условии, что он имеет подходящую проводимость, не вызывая неблагоприятных химических изменений в изготовленной батарее. В качестве примеров анодного токосъемника можно упомянуть медь, нержавеющую сталь, алюминий, никель, титан, спеченный углерод, а также медь или нержавеющую сталь с поверхностью, обработанной углеродом, никелем, титаном или серебром, и алюминиево-кадмиевые сплавы. Аналогично катодному токосъемнику, если необходимо, такие токосъемники также можно обработать для формирования на их поверхности тонких неровностей для того, чтобы повысить прочность адгезии к активным катодным материалам. Кроме того, токосъемники можно использовать в различных формах, включая пленки, листы, фольгу, сетки, пористые структуры, пены и нетканые материалы.The anode current collector is usually made having a thickness of 3 to 500 microns. There are no specific restrictions on the anode current collector, provided that it has suitable conductivity without causing adverse chemical changes in the fabricated battery. As examples of the anode current collector, mention may be made of copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, sintered carbon, as well as copper or stainless steel with a surface treated with carbon, nickel, titanium or silver, and aluminum-cadmium alloys. Similarly to the cathode current collector, if necessary, such current collectors can also be processed to form thin irregularities on their surface in order to increase the adhesion strength to the active cathode materials. In addition, current collectors can be used in various forms, including films, sheets, foil, nets, porous structures, foams and non-woven materials.
Сепаратор проложен между катодом и анодом. В качестве сепаратора используют изолирующую тонкую пленку, имеющую высокую ионную проницаемость и механическую прочность. Сепаратор обычно имеет поры диаметром от 0,01 до 10 мкм и толщину от 5 до 300 мкм. В качестве сепаратора используют листы или нетканые материалы, выполненные из олефинового полимера, такого как полипропилен, и/или стекловолокна или полиэтилена, которые обладают химической стойкостью и гидрофобностью. Если в качестве электролита применяют твердый электролит, такой как полимер, то твердый электролит может также служить и сепаратором и электролитом.The separator is located between the cathode and the anode. An insulating thin film having high ion permeability and mechanical strength is used as a separator. The separator usually has pores with a diameter of from 0.01 to 10 microns and a thickness of from 5 to 300 microns. Sheets or non-woven materials made of an olefin polymer, such as polypropylene, and / or fiberglass or polyethylene, which are chemically resistant and hydrophobic, are used as a separator. If a solid electrolyte, such as a polymer, is used as the electrolyte, then the solid electrolyte can also serve as a separator and an electrolyte.
Содержащий соль лития неводный электролит состоит из неводного электролита и соли лития. В качестве неводного электролита можно применять неводный органический растворитель, твердый электролит и неорганический твердый электролит.A non-aqueous electrolyte containing a lithium salt consists of a non-aqueous electrolyte and a lithium salt. As the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous organic solvent, a solid electrolyte and an inorganic solid electrolyte can be used.
Примеры неводных органических растворителей, которые можно использовать в настоящем изобретении, включают апротонные органические растворители, такие как н-метил-2-пирролидинон, пропиленкарбонат, этиленкарбонат, бутиленкарбонат, диметилкарбонат, диэтилкарбонат, гамма-бутиролактон, 1,2-диметоксиэтан, тетрагидроксифранк, 2-метилтетрагидрофуран, диметилсульфоксид, 1,3-диоксолан, формамид, диметилформамид, диоксолан, ацетонитрил, нитрометан, метилформиат, метилацетат, сложный триэфир фосфорной кислоты, триметоксиметан, производные диоксолана, сульфолан, метилсульфолан, 1,3-диметил-2-имидазолидинон, производные пропиленкарбоната, производные тетрагидрофурана, простой эфир, метилпропионат и этилпропионат.Examples of non-aqueous organic solvents that can be used in the present invention include aprotic organic solvents such as n-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydroxyfran methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid ester, trimethoxymethane, dioxole derivatives ana, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ether, methyl propionate and ethyl propionate.
Примеры органических твердых электролитов, которые можно использовать в настоящем изобретении, включают производные полиэтилена, производные полиэтиленоксида, производные полипропиленоксида, полимеры сложных эфиров фосфорной кислоты, перемешанный полилизин (poly agitation lysine), сульфид сложного полиэфира, поливиниловые спирты, поливинилиденфторид и полимеры, содержащие группы ионной диссоциации.Examples of organic solid electrolytes that can be used in the present invention include derivatives of polyethylene, derivatives of polyethylene oxide, derivatives of polypropylene oxide, polymers of phosphoric acid esters, mixed polylysine (poly agitation lysine), polyester sulfide, polyvinyl alcohols, polyvinylidene fluoride and polymers containing ionic groups dissociation.
В качестве примеров неорганического твердого электролита, которые можно применять в настоящем изобретении, можно упомянуть нитриды, галогениды и сульфаты лития, такие как Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH и Li3PO4-Li2S-SiS2.As examples of the inorganic solid electrolyte that can be used in the present invention, mention may be made of lithium nitrides, halides and sulfates, such as Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2 , Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 - LiI-LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH and Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 .
Соль лития является веществом, которое легко растворяется в вышеупомянутом неводном электролите и может включать, например, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, хлорборан лития, литиевую соль низшей алифатической карбоновой кислоты, тетрафенилборат и имид лития.Lithium salt is a substance that readily dissolves in the aforementioned non-aqueous electrolyte and may include, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiBF 4 , LiB 10 Cl 10 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiAlCl 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, lithium chloroborane, lower aliphatic carboxylic acid lithium salt, tetraphenyl borate and lithium imide.
Дополнительно, для того чтобы улучшить характеристики заряда/разряда и огнестойкость, к неводному электролиту можно добавить, например, пиридин, триэтилфосфит, триэтаноламин, циклический простой эфир, этилендиамин, н-глим, триамид гекафосфорной кислоты, производные нитробензола, серу, хинониминовые красители, N-замещенный оксазолидинон, N,N-замещенный имидазолидин, простой диалкиловый эфир этиленгликоля, соли аммония, пиррол, 2-метоксиэтанол, трихлорид алюминия или т.п. Если необходимо, для того чтобы придать огнестойкость, неводный электролит может дополнительно включать галогенсодержащие растворители, такие как четыреххлористый углерод или трифторэтилен. Дополнительно, для того чтобы улучшить характеристики хранения при высоких температурах, неводный электролит может дополнительно включать газообразный диоксид углерода.Additionally, in order to improve charge / discharge characteristics and fire resistance, for example, pyridine, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, n-glyme, hexaphosphoric triamide, nitrobenzene derivatives, sulfur, quinoneimine dyes, N can be added to a non-aqueous electrolyte -substituted oxazolidinone, N, N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salts, pyrrole, 2-methoxyethanol, aluminum trichloride or the like. If necessary, in order to impart fire resistance, the non-aqueous electrolyte may further include halogen-containing solvents such as carbon tetrachloride or trifluoroethylene. Additionally, in order to improve storage performance at high temperatures, the non-aqueous electrolyte may further include carbon dioxide gas.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Упомянутые выше и другие задачи, признаки и другие преимущества настоящего изобретения будут более четко поняты из нижеследующего подробного описания, приведенного в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:The above and other objectives, features and other advantages of the present invention will be more clearly understood from the following detailed description, given in combination with the accompanying drawings, in which:
ФИГ. 1 является графиком, показывающим результаты XRD/ND анализа в экспериментальном примере 2;FIG. 1 is a graph showing the results of XRD / ND analysis in Experimental Example 2;
ФИГ. 2 является изображением, показывающим результаты структурного анализа методом HRTEM в экспериментальном примере 2;FIG. 2 is a view showing the results of a HRTEM structural analysis in Experimental Example 2;
ФИГ. 3 является графиком, показывающим результаты анализа валентности Fe с использованием эффектов Мессбауэра в экспериментальном примере 2;FIG. 3 is a graph showing the results of an analysis of Fe valency using the Mossbauer effects in Experimental Example 2;
ФИГ. 4 является графиком, показывающим результаты разряда в экспериментальном примере 2.FIG. 4 is a graph showing discharge results in Experimental Example 2.
Лучший вариантThe best way
Теперь настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на следующие примеры. Эти примеры приведены только для иллюстрации настоящего изобретения и не могут быть истолкованы как ограничивающие объем и суть настоящего изобретения.Now the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. These examples are provided only to illustrate the present invention and cannot be construed as limiting the scope and essence of the present invention.
Примеры приготовления 1-4Preparation Examples 1-4
Активные катодные материалы (LiFeP1-xO4), в которых содержание фосфора (P) составляет 0,94 (пример приготовления 1), 0,96 (пример приготовления 2), 0,97 (пример приготовления 3) и 0,985 (пример приготовления 4) приготовили посредством гидротермального процесса, хорошо известного в качестве способа приготовления LiFePO4, в соответствии со следующим способом. Более конкретное описание будет приведено ниже.Active cathode materials (LiFeP 1-x O 4 ) in which the phosphorus (P) content is 0.94 (preparation example 1), 0.96 (preparation example 2), 0.97 (preparation example 3) and 0.985 (example preparations 4) were prepared by means of a hydrothermal process, well known as a method of preparing LiFePO 4, in accordance with the following method. A more specific description will be given below.
Раствор гидроксида лития (LiOH·H2O) и сульфата железа (FeSO4·6H2O) в дистиллированной воде в качестве источников Li и Fe и фосфорную кислоту (H3PO4) в качестве источника P поместили в реакционную камеру. Мольные интервалы этих веществ, помещенных в реакционную камеру, были следующими: FeSO4: 0,5 моль, LiOH·H2O: 0,5 моль-1,5 моль, H3PO4: 0,5 моль-0,6 моль.A solution of lithium hydroxide (LiOH · H 2 O) and iron sulfate (FeSO 4 · 6H 2 O) in distilled water as sources of Li and Fe and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) as source P were placed in the reaction chamber. The molar ranges of these substances placed in the reaction chamber were as follows: FeSO 4 : 0.5 mol, LiOH · H 2 O: 0.5 mol-1.5 mol, H 3 PO 4 : 0.5 mol-0.6 the mole.
Реакцию проводили в реакционной камере при 380°C в течение 15 секунд. Давление реакции поддерживали при 270 бар, используя регулятор давления. Если в гидротермальные реакции, обычно имеющие низкую скорость реакции, вводят избыток Li и P, то обычно легко выделялись примеси при высокой температуре под высоким давлением. Следовательно, в этом примере выделение примесей ингибировали поддержанием высокой скорости реакции. pH раствора регулировали на уровне 6 добавлением небольшого количества водного аммиака. Приготовленные таким образом частицы LiFePO4 промыли и затем высушили под вакуумом при 90°C. На высушенные частицы нанесли углеродное покрытие с помощью сахарозы и подвергли термической обработке при 700°C в течение 10 часов.The reaction was carried out in a reaction chamber at 380 ° C for 15 seconds. The reaction pressure was maintained at 270 bar using a pressure regulator. If an excess of Li and P is introduced into hydrothermal reactions, usually having a low reaction rate, impurities are usually easily released at high temperature under high pressure. Therefore, in this example, the release of impurities was inhibited by maintaining a high reaction rate. The pH of the solution was adjusted to 6 by adding a small amount of aqueous ammonia. Thus prepared LiFePO 4 particles were washed and then dried under vacuum at 90 ° C. The dried particles were carbon-coated with sucrose and heat treated at 700 ° C. for 10 hours.
Пример 1Example 1
90% по весу LiFeP0,94O4, приготовленного в Примере приготовления 1, в качестве активного катодного материала, 5% по весу Super-P в качестве проводящего материала и 5% по весу ПВДФ в качестве связующего добавили к н-метил-2-пирролидинону (НМП) для того, чтобы приготовить суспензию катодной смеси. Для изготовления катода эту суспензию катодной смеси наносили на одну поверхность алюминиевой фольги, с последующими сушкой и прессованием.90% by weight of LiFeP 0.94 O 4 prepared in Preparation Example 1 as cathode active material, 5% by weight of Super-P as a conductive material and 5% by weight of PVDF as a binder were added to n-methyl-2 -pyrrolidinone (NMP) in order to prepare a suspension of the cathode mixture. To manufacture the cathode, this suspension of the cathode mixture was applied onto one surface of an aluminum foil, followed by drying and pressing.
95% по весу углерода в качестве активного анодного материала, 1,5% по весу Super-P в качестве проводящего материала и 3,5% по весу ПВДФ в качестве связующего добавили к НМП в качестве растворителя для того, чтобы приготовить суспензию анодной смеси. Для изготовления анода эту суспензию анодной смеси наносили на одну поверхность алюминиевой фольги, с последующими сушкой и прессованием.95% by weight of carbon as the active anode material, 1.5% by weight of Super-P as the conductive material and 3.5% by weight of PVDF as the binder were added to the NMP as a solvent in order to prepare a suspension of the anode mixture. To make the anode, this suspension of the anode mixture was applied onto one surface of an aluminum foil, followed by drying and pressing.
Электродный комплект изготовили укладкой слоями катода и анода с использованием cellguard™ в качестве сепаратора, и к электродному комплекту добавили неводный литиевый электролит, содержащий 1М LiPF6 в смешанном растворителе из циклического и линейного карбонатов, для изготовления батареи.The electrode kit was made by layering the cathode and anode using cellguard ™ as a separator, and a non-aqueous lithium electrolyte containing 1M LiPF 6 in a mixed solvent of cyclic and linear carbonates was added to the electrode kit to make the battery.
Пример 2Example 2
Батарею изготовили таким же образом, что и в примере 1, за исключением того, что в качестве активного катодного материала использовали что LiFeP0,96O4, приготовленный в примере 2.The battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that LiFeP 0.96 O 4 prepared in Example 2 was used as the cathode active material.
Пример 3Example 3
Батарею изготовили таким же образом, что и в примере 1, за исключением того, что в качестве активного катодного материала использовали LiFeP0,97O4, приготовленный в примере 3.The battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that LiFeP 0.97 O 4 prepared in Example 3 was used as the cathode active material.
Пример 4Example 4
Батарею изготовили таким же образом, что и в Примере 1, за исключением того, что в качестве активного катодного материала использовали LiFeP0,985O4, приготовленный в примере 4.The battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that LiFeP 0.985 O 4 prepared in Example 4 was used as the cathode active material.
Сравнительный Пример 1Comparative Example 1
Батарею изготовили таким же образом, что и в примере 1, за исключением того, что в качестве активного катодного материала использовали LiFePO4.The battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that LiFePO 4 was used as the active cathode material.
Экспериментальный Пример 1Experimental Example 1
Измеряли эффективность работы для батарей, приготовленных в примере 1 и сравнительном примере 1, и полученные таким образом результаты приведены в следующей Таблице 1The performance was measured for the batteries prepared in example 1 and comparative example 1, and the results thus obtained are shown in the following Table 1
Как можно видеть из приведенной ниже Таблицы 1, эффективность заряда/разряда в каждом цикле можно отрегулировать до уровня ниже 100%, управляя количеством P, присутствующего в LiFePO4, до уровня ниже 1.As can be seen from Table 1 below, the charge / discharge efficiency in each cycle can be adjusted to a level below 100% by controlling the amount of P present in LiFePO 4 to a level below 1.
Экспериментальный Пример 2Experimental Example 2
Активный катодный материал, полученный в Примере приготовления 4, подвергли дифракционному рентгеновскому анализу (XRD), а батареи, приготовленные в Примере 4 и Сравнительном Примере 1, подвергли исследованию методом точного нейтронодифракционного анализа (ND), структурному анализу просвечивающей электронной микроскопией высокого разрешения (HRTEM) и анализу валентности Fe, используя эффекты Мессбауэра. Полученные таким образом результаты показаны на ФИГ. 1-3.The active cathode material obtained in Preparation Example 4 was subjected to X-ray diffraction (XRD) analysis, and the batteries prepared in Example 4 and Comparative Example 1 were examined by precision neutron diffraction analysis (ND), high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) analysis. and Fe valency analysis using Mossbauer effects. The results thus obtained are shown in FIG. 1-3.
Как можно видеть на этих фигурах, активный катодный материал в соответствии с настоящим изобретением не претерпевает никаких структурных изменений и сохраняет свою монокристаллическую структуру оливина, не содержащую примесей, несмотря на то что мольная доля P составляет ниже 1.As can be seen in these figures, the active cathode material in accordance with the present invention does not undergo any structural changes and retains its single crystal olivine structure free of impurities, despite the fact that the molar fraction of P is below 1.
Кроме того, измеряли изменение напряжения при разряде током 0,5С, и полученные таким образом результаты показаны на ФИГ. 4. Как можно видеть на ФИГ. 4, батарея (LiFe(P(1-x)O4); x=0,015) по настоящему изобретению претерпевала более низкое первоначальное падение напряжения на активном сопротивлении и показала профили разряда при высоком напряжении по сравнению с батарей (LiFePO4) из Сравнительного примера 1. Это означает значительное улучшение ионной проводимости и электропроводности и тем самым значительное улучшение плотности энергии.In addition, the change in voltage during the discharge with a current of 0.5 ° C was measured, and the results thus obtained are shown in FIG. 4. As can be seen in FIG. 4, the battery (LiFe (P (1-x) O 4 ); x = 0.015) of the present invention experienced a lower initial voltage drop across the resistance and showed discharge profiles at high voltage compared to the batteries (LiFePO 4 ) of Comparative Example 1. This means a significant improvement in ionic conductivity and electrical conductivity and thereby a significant improvement in energy density.
Полагают, что такое поведение имеет место благодаря тому, что в активном катодном материале сосуществуют Fe+2 и Fe+3, если учесть, что при анализе валентности Fe с использованием эффектов Мессбауэра измерили доминирующее количество Fe+2 и небольшое количество Fe+3, как показано на ФИГ. 3. При этом, как очевидно из ФИГ. 1 и 2, при исследовании XRD/ND и HRTEM наблюдали единственную фазу, не содержащую примесей, что указывает на сосуществование Fe+2/+3 в структуре оливина.It is believed that this behavior is due to the fact that Fe + 2 and Fe +3 coexist in the active cathode material, given that the dominant amount of Fe + 2 and a small amount of Fe +3 were measured in the analysis of Fe valency using Mossbauer effects shown in FIG. 3. Moreover, as is obvious from FIG. 1 and 2, in the study of XRD / ND and HRTEM, a single phase was observed containing no impurities, which indicates the coexistence of Fe + 2 / +3 in the olivine structure.
Экспериментальный Пример 2Experimental Example 2
Первичные частицы приготовили в Примере приготовления 1 и добавили вместе с сахарозой к воде, с последующим перемешиванием для приготовления смеси, и эту смесь агрегировали и сушили с помощью ротационной сушки распылением для приготовления вторичных частиц, имеющих пористость 28%. Вторичные частицы сушили при 120°C, используя распылительную сушилку, и прокаливали при 700°C в атмосфере азота в течение 10 часов.The primary particles were prepared in Preparation Example 1 and added together with sucrose to water, followed by stirring to prepare a mixture, and this mixture was aggregated and dried by rotary spray drying to prepare secondary particles having a porosity of 28%. The secondary particles were dried at 120 ° C. using a spray dryer, and calcined at 700 ° C. under nitrogen for 10 hours.
90% по весу приготовленных таким образом вторичных частиц, 5% по весу Super-P в качестве проводящего материала и 5% ПВДФ в качестве связующего добавили к н-метил-2-пирролидинону (НМП) для приготовления суспензии катодной смеси. Суспензию катодной смеси наносили на одну поверхность алюминиевой фольги с последующей сушкой. После этого суспензию катодной смеси прессовали для изготовления катода. Было подтверждено, что множество вторичных частиц были измельчены и тем самым возвращены к первичным частицам.90% by weight of the secondary particles thus prepared, 5% by weight of Super-P as a conductive material and 5% PVDF as a binder were added to n-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) to prepare a suspension of the cathode mixture. A suspension of the cathode mixture was applied to one surface of an aluminum foil, followed by drying. After that, a suspension of the cathode mixture was pressed to make the cathode. It was confirmed that many of the secondary particles were ground and thereby returned to the primary particles.
С другой стороны, вторичные частицы, в которых отсутствуют поры, приготовили совместным осаждением. Катод изготовили, используя эти вторичные частицы таким же образом, как указано выше. Было подтверждено, что большую часть вторичных частиц нанесли на металлическую фольгу в неизмельченном состоянии.On the other hand, secondary particles in which there are no pores were prepared by co-precipitation. A cathode was manufactured using these secondary particles in the same manner as described above. It was confirmed that most of the secondary particles were applied to the metal foil in an unmilled state.
После этого изготовили электродный комплект укладкой слоями катодов и анодов и размещением между ними cellguard™ в качестве сепаратора, и к электродному комплекту добавили неводный литиевый электролит, содержащий 1М LiPF6 в смешанном растворителе из циклического и линейного карбонатов, для изготовления батареи.After that, an electrode set was made by laying layers of cathodes and anodes and placing cellguard ™ between them as a separator, and a non-aqueous lithium electrolyte containing 1 M LiPF 6 in a mixed solvent of cyclic and linear carbonates was added to the electrode set to make a battery.
Коэффициент тока батарей изменяли до 0,1С, 0,5С, 1,0С, 2,0С и 5,0С и измеряли их токовые свойства разряда. Было подтверждено, что батареи по настоящему изобретению, в которых вторичные частицы в процессе изготовления батареи возвращены к первичным частицам, продемонстрировали высокую общую разрядную емкость (в частности, разница емкостей примерно 50% при высокоскоростном разряде током 5,0С) по сравнению с батареями, в которых остались вторичные частицы.The current coefficient of the batteries was changed to 0.1 ° C, 0.5 ° C, 1.0 ° C, 2.0 ° C, and 5.0 ° C, and their current discharge properties were measured. It was confirmed that the batteries of the present invention, in which the secondary particles were returned to the primary particles during the battery manufacturing process, showed a high total discharge capacity (in particular, a capacitance difference of about 50% at a high speed discharge of 5.0C) compared to the batteries, in which left secondary particles.
Экспериментальный пример 4Experimental Example 4
10 г активного катодного материала, приготовленного в Примере приготовления, размешивали в 100 мл дистиллированной воды в течение 5 минут с последующей фильтрацией. Затем к полученному фильтрату добавляли 0,1М раствор HCl, смесь подвергали pH-метрическому титрованию с перемешиванием и регистрировали pH как функцию времени. Этот эксперимент проводили до тех пор, пока pH не достигал 3 или ниже, а расход соответственно определяли так, что титрование занимало примерно от 20 до 30 минут. Содержание водорастворимого основания вычисляли исходя из количества использованной кислоты, до тех пор пока pH не достигал 5 или ниже, а водорастворимое основание характеризовали профилями pH.10 g of the active cathode material prepared in the Preparation Example was stirred in 100 ml of distilled water for 5 minutes, followed by filtration. Then, a 0.1 M HCl solution was added to the obtained filtrate, the mixture was subjected to pH meter titration with stirring, and the pH was recorded as a function of time. This experiment was carried out until the pH reached 3 or lower, and the flow rate was respectively determined so that the titration took about 20 to 30 minutes. The content of the water-soluble base was calculated based on the amount of acid used, until the pH reached 5 or lower, and the water-soluble base was characterized by pH profiles.
Результаты показали, что начальный pH составлял примерно 11, количество Li3PO4 составляло примерно 0,2% по весу и присутствовали чрезвычайно маленькие количества Li2PO3.The results showed that the initial pH was about 11, the amount of Li 3 PO 4 was about 0.2% by weight and extremely small amounts of Li 2 PO 3 were present.
Батарею изготовили, используя активный катодный материал таким же образом, как и в примере 1. С другой стороны, батарею изготовили, используя активный катодный материал, содержащий примерно 0,27% Li2PO3, таким же образом, как и в примере 1. Для этих батарей были проведены испытания на сохранение емкости при увеличении коэффициента тока по емкости (C-rate), разрядную емкость при увеличении числа циклов и свойства хранения при высокой температуре. Свойства хранения при высокой температуре измеряли выдержкой полностью заряженных батарей в высокотемпературной камере при 90°C в течение 4 часов и измерением изменения толщины батарей при комнатной температуре.The battery was manufactured using the cathode active material in the same manner as in Example 1. On the other hand, the battery was manufactured using the cathode active material containing about 0.27% Li 2 PO 3 in the same manner as in Example 1. For these batteries, tests were carried out to preserve the capacitance while increasing the current coefficient of capacitance (C-rate), discharge capacity when increasing the number of cycles and storage properties at high temperature. Storage properties at high temperature were measured by holding fully charged batteries in a high-temperature chamber at 90 ° C for 4 hours and measuring the change in battery thickness at room temperature.
В результате батареи по настоящему изобретению продемонстрировали в соответствующих испытаниях значительно превосходящие свойства (в частности, высокое сохранение емкости в примерно 40% или выше при высокоскоростном разряде током 5С и небольшое изменение толщины в примерно 30% или выше).As a result, the batteries of the present invention demonstrated significantly superior properties in respective tests (in particular, high capacity retention of about 40% or higher with a high speed discharge current of 5 ° C and a slight change in thickness of about 30% or higher).
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Как очевидно из приведенного выше описания, в соответствии с настоящим изобретением мольной долей (1-x) фосфора (P) в LiFePO4 в качестве высокоэффективного активного катодного материала управляют в интервале от 0,910 до 0,999, позволяя тем самым нивелировать эффективность работы активного катодного материала до эффективности работы активного анодного материала, доводя до максимума эффективность работы батарей, доводя до минимума бесполезную трату электрода и тем самым снижая затраты на изготовление батарей. Кроме этого, управление валентностью Fe приводит к улучшению падения напряжения на активном сопротивлении и токовых свойств, а также потенциалу плато заряда/разряда, таким образом реализуя изготовление превосходных батарей с повышенной плотностью энергии.As is evident from the above description, in accordance with the present invention, the molar fraction of (1-x) phosphorus (P) in LiFePO 4 as a highly effective cathode active material is controlled in the range from 0.910 to 0.999, thereby allowing to level the operating efficiency of the active cathode material to the efficiency of the active anode material, maximizing the efficiency of the batteries, minimizing the waste of the electrode and thereby reducing the cost of manufacturing batteries. In addition, controlling the valence of Fe leads to an improvement in the voltage drop across the active resistance and current properties, as well as to the potential of the charge / discharge plateau, thereby realizing the manufacture of excellent batteries with increased energy density.
Дополнительно активный катодный материал в соответствии с настоящим изобретением составлен из вторичных частиц с высокой пористостью, облегчая тем самым обращение и демонстрируя эффективность процесса, при его использовании в качестве активного электродного материала для изготовления электрода. Более того, в изготовленных батареях присутствуют первичные частицы, демонстрируя тем самым высокую электропроводность и объемную плотность и придавая батареям улучшенные емкость и токовые свойства.Additionally, the active cathode material in accordance with the present invention is composed of secondary particles with high porosity, thereby facilitating circulation and demonstrating the effectiveness of the process when used as an active electrode material for the manufacture of an electrode. Moreover, primary particles are present in the manufactured batteries, thereby demonstrating high electrical conductivity and bulk density, and giving the batteries improved capacitance and current properties.
Дополнительно, активный катодный материал в соответствии с настоящим изобретением содержит соответствующее количество Li3PO4 и чрезвычайно маленькое количество Li2CO3, тем самым выгодно придавая стабильность при высокотемпературном хранении, а также улучшая стабильность и токовые свойства вторичных литиевых батарей, при его использовании в качестве активного катодного материала для вторичных литиевых батарей.Additionally, the active cathode material in accordance with the present invention contains an appropriate amount of Li 3 PO 4 and an extremely small amount of Li 2 CO 3 , thereby advantageously giving stability during high-temperature storage, and also improving the stability and current properties of secondary lithium batteries when used in as an active cathode material for secondary lithium batteries.
Хотя выше в целях иллюстрации были раскрыты предпочтительные варианты воплощения настоящего изобретения, специалисты в данной области техники поймут, что возможны различные модификации, дополнения и замещения без отступления от объема и сути изобретения, как раскрыто в прилагаемой формуле изобретения.Although the preferred embodiments of the present invention have been disclosed above for purposes of illustration, those skilled in the art will recognize that various modifications, additions, and substitutions are possible without departing from the scope and spirit of the invention, as disclosed in the attached claims.
Claims (21)
LiFe(P(1-x)O4), (I)
где мольная доля (1-х) фосфора (Р) находится в интервале от 0,910 до 0,999.1. The active cathode material with the composition represented by the following Formula I:
LiFe (P (1-x) O 4 ), (I)
where the molar fraction of (1) phosphorus (P) is in the range from 0.910 to 0.999.
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR10-2008-0103569 | 2008-10-22 | ||
KR10-2008-0103562 | 2008-10-22 | ||
KR10-2008-0103553 | 2008-10-22 | ||
KR20080103569 | 2008-10-22 | ||
KR20080103562 | 2008-10-22 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2467434C1 true RU2467434C1 (en) | 2012-11-20 |
Family
ID=47323387
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011115052/07A RU2467434C1 (en) | 2008-10-22 | 2009-10-22 | Active cathode material providing improved efficiency and energy density of electrode |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2467434C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015023168A1 (en) * | 2013-11-06 | 2015-02-19 | Частное Учреждение "Назарбаев Университет Рисеч Энд Инновэйшн Систэм" | Aqueous lithium-ion battery |
RU2550176C2 (en) * | 2013-05-06 | 2015-05-10 | Юрий Филиппович Гайворонский | Graphene pumice, method of its production and activation |
RU171960U1 (en) * | 2016-12-28 | 2017-06-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН) | Positive electrode of lithium-ion battery with solid polymer electrolyte as a separator |
RU2623212C1 (en) * | 2016-07-12 | 2017-06-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) | Composite cathode material |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2213395C2 (en) * | 1996-03-29 | 2003-09-27 | Басф Акциенгезелльшафт | Composition suited to use as solid electrolyte or separator for electrochemical power cells |
CN1776941A (en) * | 2005-12-09 | 2006-05-24 | 新乡市中科科技有限公司 | Lithium ion cell anode material and its preparing process |
CN1837032A (en) * | 2005-10-14 | 2006-09-27 | 江苏大学 | A kind of spherical porous high-density LiFePO4 powder and its preparation method |
JP2008021416A (en) * | 2006-07-10 | 2008-01-31 | Idemitsu Kosan Co Ltd | Solid electrolyte sheet |
KR20080077412A (en) * | 2006-03-08 | 2008-08-22 | 춘-치에 창 | Cathode Materials for Lithium Ion Batteries |
RU2333574C1 (en) * | 2004-09-02 | 2008-09-10 | Эл Джи Кем, Лтд. | Active electrode material with oxide layers on multielement base and method of production thereof |
-
2009
- 2009-10-22 RU RU2011115052/07A patent/RU2467434C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2213395C2 (en) * | 1996-03-29 | 2003-09-27 | Басф Акциенгезелльшафт | Composition suited to use as solid electrolyte or separator for electrochemical power cells |
RU2333574C1 (en) * | 2004-09-02 | 2008-09-10 | Эл Джи Кем, Лтд. | Active electrode material with oxide layers on multielement base and method of production thereof |
CN1837032A (en) * | 2005-10-14 | 2006-09-27 | 江苏大学 | A kind of spherical porous high-density LiFePO4 powder and its preparation method |
CN1776941A (en) * | 2005-12-09 | 2006-05-24 | 新乡市中科科技有限公司 | Lithium ion cell anode material and its preparing process |
KR20080077412A (en) * | 2006-03-08 | 2008-08-22 | 춘-치에 창 | Cathode Materials for Lithium Ion Batteries |
JP2008021416A (en) * | 2006-07-10 | 2008-01-31 | Idemitsu Kosan Co Ltd | Solid electrolyte sheet |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2550176C2 (en) * | 2013-05-06 | 2015-05-10 | Юрий Филиппович Гайворонский | Graphene pumice, method of its production and activation |
WO2015023168A1 (en) * | 2013-11-06 | 2015-02-19 | Частное Учреждение "Назарбаев Университет Рисеч Энд Инновэйшн Систэм" | Aqueous lithium-ion battery |
US10347947B2 (en) | 2013-11-06 | 2019-07-09 | Nazarbayev University Research and Innovation System | Aqueous lithium-ion battery |
RU2623212C1 (en) * | 2016-07-12 | 2017-06-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) | Composite cathode material |
RU171960U1 (en) * | 2016-12-28 | 2017-06-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН) | Positive electrode of lithium-ion battery with solid polymer electrolyte as a separator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2484009C2 (en) | Lithium-iron phosphate having olivine structure and method for analysis thereof | |
CN104201379B (en) | Positive electrode active materials, cathode mix, positive pole and lithium secondary battery | |
US9458016B2 (en) | Lithium iron phosphate having olivine structure and method for preparing the same | |
KR100898871B1 (en) | Method for preparing lithium metal phosphate | |
KR101623720B1 (en) | Anode Active Material with High Capacity and Secondary Battery Comprising the Same | |
KR20110081107A (en) | Cathode active material containing lithium manganese oxide capable of exhibiting excellent charge and discharge characteristics in 4 V and 3 V regions | |
RU2454755C1 (en) | Cathode mixture with improved efficiency and electrode specific energy | |
KR102135180B1 (en) | Cobalt Precursor for Metal Doped-Positive Active Material for Secondary Battery | |
RU2467434C1 (en) | Active cathode material providing improved efficiency and energy density of electrode | |
KR101301564B1 (en) | Positive Electrode for Secondary Battery Comprising Lithium Manganese-Based Oxide of High Capacity and Spinel Crystal Structure, and Lithium Secondary Battery Comprising the Same | |
KR101801334B1 (en) | Method for Preparation of Precursor for Cathode Active Material, Olivine Type Cathode Active Material Obtained from the Same, and Lithium Secondary Battery Comprising the Same |