CA2817058C - Procede d'optimisation d'un materiau de cathode et materiau de cathode ayant des proprietes electrochimiques ameliorees - Google Patents
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Abstract
Matériau C-AxM(XO4)y constitué par des particules d'un composé répondant à la formule AxM(XO4)y, lesquelles particules comportent sur au moins une partie de leur surface un dépôt de carbone déposé par pyrolyse; où A représente Li, seul ou partiellement remplacé par au plus 10% atomique de Na ou K; M représente Fe(II), ou ?n(II) ou leurs mélanges, seul ou partiellement remplacé par au plus 30% atomique d'un ou plusieurs autres métaux choisis parmi Mn, Ni et Co, et/ou par au plus 5% de Fe(III); XO4 représente PO4 seul ou partiellement remplacé par au plus 10% molaire d'au moins un groupe choisi parmi SO4, Si04 et MoO4, ledit matériau ayant une teneur en calcium présent comme impureté inférieure à environ 1000 ppm.
Description
PROCEDE D'OPTIMISATION D'UN MATERIAU DE CATHODE ET MATERIAU DE
CATHODE AYANT DES PROPRIÉTÉS ÉLECTROCHIMIQUES AMÉLIORÉES
Cette demande revendique le bénéfice de priorité de la demande canadienne
CATHODE AYANT DES PROPRIÉTÉS ÉLECTROCHIMIQUES AMÉLIORÉES
Cette demande revendique le bénéfice de priorité de la demande canadienne
2,691,265, déposée le 28 janvier 2010.
1. Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé d'optimisation d'un matériau de cathode qui présente ainsi des propriétés électrochimiques améliorées. La présente invention concerne également un matériau qui présente des propriétés électrochimiques améliorées.
2. Description de l'art antérieur Dans les accumulateurs de type lithium-ion, le composé d'intercalation LiCo02 présente de très bonnes propriétés électrochimiques. Cependant, la quantité
limitée, le prix du cobalt et les problèmes de sécurité freinent la généralisation de tels accumulateurs lithium-ion dans des applications nécessitant des capacités de stockage élevées. Il a été proposé de remplacer les oxydes de lithium et de métal de transition par des matériaux ayant une structure isotype de l'olivine, plus particulièrement de type LiMP04, où M peut être un métal tel que le fer (Cf.
US 5,910,382 et US 6,514,640). Les problèmes de sécurité sont ainsi résolus, grâce à la liaison covalente P-0 qui stabilise la cathode totalement chargée par rapport à
la libération d'oxygène.
Certains matériaux, tel que le LiFePO4, présentent une cinétique non optimale, induite par la faible conductivité électronique intrinsèque, qui résulte du fait que les polyanions PO4 sont liés de manière covalente. Cependant, l'utilisation d'une fine couche de carbone pyrolytique à la surface de tels matériaux (comme décrit dans EP 1049182, CA 2,307,119, US 6,855,273, US 6,962,666, US 7,344,659, US 7,457,018, WO 02/27823 & WO 02/27824) a permis de développer et de commercialiser un produit phosphate portant un dépôt de carbone pyrolytique conducteur électronique (par exemple le C-LiFePO4) de grade batterie qui a une capacité élevée et qui peut fournir une puissance élevée. Dans le cas spécifique du phosphate de lithium et de fer, ce matériau peut en outre être modifié par remplacement partiel des cations Fe par des cations métalliques isovalents ou aliovalent, tels que par exemple et sans limitation, Mn, Ni, Co, Mg, Mo, Nb, Ti, Al, Ta, Ge, La, Y, Yb, Sm, B, Ce, Hf, Cr, Zr, Bi, Zn, Ca et W, ou par remplacement partiel de l'oxyanion PO4 par SiO4, SO4 ou Mo04 (comme décrit dans US 6,514,640).
Dans le cas spécifique du C-LiFePO4, le potentiel de la cathode C-LiFePO4 de 3,5 V vs Li+/Li en fait aussi un candidat idéal pour les batteries de technologie lithium métal polymère (LMP) utilisant une anode de lithium métallique, en remplacement des oxydes de vanadium. Ces batteries utilisent en effet comme électrolyte conducteur ionique un polymère sec de la famille des polyéthers dans lequel est dissous un sel de lithium, dont la fenêtre de stabilité
électrochimique est de l'ordre de 4 V vs Li+/Li . L'utilisation du C-LiFePO4 permet de concevoir des batteries LMP pour les véhicules électriques présentant d'excellentes performances en cyclage et une sécurité améliorée.
Résumé
Il est apparu que certains lots de matériau oxyanion de métal lithié ou partiellement lithié comportant un dépôt de carbone pyrolytique à leur surface (notamment dans le cas où le matériau est le C-LiFePO4) posaient des problèmes spécifiques lorsque utilisés comme cathode, par exemple dans le cas spécifique d'une batterie LMP, notamment dans leurs propriétés électrochimiques. Ces problèmes ont été notamment identifiés en premier lieu par l'accroissement de l'impédance spécifique de surface (dénommée ASI à partir de la terminologie anglaise Area Specific lmpedance ) des batteries, cette augmentation étant préjudiciable aux performances de la batterie.
Ces problèmes spécifiques ont conduit les inventeurs à initier un programme de R&D permettant d'identifier et de solutionner ce problème. Suite à de nombreuses expériences avec différents lots du matériau illustratif et non-limitatif C-LiFePO4, les inventeurs ont remarqués que, de façon surprenante, l'augmentation de l'ASI des batteries LMP était corrélée à la présence de faibles taux d'impuretés contenant du calcium. Aucun document de l'art antérieur n'enseigne ni ne suggère l'effet négatif des impuretés contenant du calcium sur l'ASI des batteries LMP.
En conséquence, la présente invention vise un matériau oxyanion de métal lithié ou partiellement lithié comportant un dépôt de carbone pyrolytique à la surface qui présente des propriétés électrochimiques améliorées, comme par exemple, lorsque utilisé comme cathode dans une batterie de technologie LMP.
Dans un aspect non-limitatif, la présente invention vise aussi une électrode qui contient le matériau défini plus haut et l'utilisation de cette électrode dans une batterie de technologie LMP.
Dans un aspect non-limitatif, la présente invention vise aussi un matériau C-AxM(X04)y constitué par des particules d'un composé répondant à la formule AxM(X04)y, où les particules comportent sur au moins une partie de leur surface un dépôt de carbone déposé par pyrolyse, où: A représente Li, seul ou partiellement remplacé par au plus 10% atomique de Na ou K; M représente Fe(II), ou Mn(II), ou leurs mélanges, seul ou partiellement remplacé par au plus 30% atomique d'un ou plusieurs autres métaux choisis parmi Ni et Co, et/ou par au plus 10% atomique d'un ou plusieurs métaux aliovalents ou isovalents autres que Ni ou Co, et/ou par au plus 5% atomique de Fe(III); X04 représente PO4 seul ou partiellement remplacé par au plus 10% molaire d'au moins un groupe choisi parmi SO4, SiO4 et Mo04; 0 <x 5 2 et 0 <y 2, les coefficients x et y étant choisis indépendamment pour assurer l'électroneutralité de l'oxyde complexe; et où le matériau a une teneur en calcium présent comme impureté à la surface du matériau qui est inférieure à environ ppm.
Dans un autre aspect non-limitatif, la présente invention vise un procédé afin d'améliorer les propriétés électrochimiques d'une batterie de technologie lithium métal polymère (LMP), où la batterie comprend un matériau oxyanion de métal lithié
ou partiellement lithié comportant des particules d'un composé répondant à la
1. Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé d'optimisation d'un matériau de cathode qui présente ainsi des propriétés électrochimiques améliorées. La présente invention concerne également un matériau qui présente des propriétés électrochimiques améliorées.
2. Description de l'art antérieur Dans les accumulateurs de type lithium-ion, le composé d'intercalation LiCo02 présente de très bonnes propriétés électrochimiques. Cependant, la quantité
limitée, le prix du cobalt et les problèmes de sécurité freinent la généralisation de tels accumulateurs lithium-ion dans des applications nécessitant des capacités de stockage élevées. Il a été proposé de remplacer les oxydes de lithium et de métal de transition par des matériaux ayant une structure isotype de l'olivine, plus particulièrement de type LiMP04, où M peut être un métal tel que le fer (Cf.
US 5,910,382 et US 6,514,640). Les problèmes de sécurité sont ainsi résolus, grâce à la liaison covalente P-0 qui stabilise la cathode totalement chargée par rapport à
la libération d'oxygène.
Certains matériaux, tel que le LiFePO4, présentent une cinétique non optimale, induite par la faible conductivité électronique intrinsèque, qui résulte du fait que les polyanions PO4 sont liés de manière covalente. Cependant, l'utilisation d'une fine couche de carbone pyrolytique à la surface de tels matériaux (comme décrit dans EP 1049182, CA 2,307,119, US 6,855,273, US 6,962,666, US 7,344,659, US 7,457,018, WO 02/27823 & WO 02/27824) a permis de développer et de commercialiser un produit phosphate portant un dépôt de carbone pyrolytique conducteur électronique (par exemple le C-LiFePO4) de grade batterie qui a une capacité élevée et qui peut fournir une puissance élevée. Dans le cas spécifique du phosphate de lithium et de fer, ce matériau peut en outre être modifié par remplacement partiel des cations Fe par des cations métalliques isovalents ou aliovalent, tels que par exemple et sans limitation, Mn, Ni, Co, Mg, Mo, Nb, Ti, Al, Ta, Ge, La, Y, Yb, Sm, B, Ce, Hf, Cr, Zr, Bi, Zn, Ca et W, ou par remplacement partiel de l'oxyanion PO4 par SiO4, SO4 ou Mo04 (comme décrit dans US 6,514,640).
Dans le cas spécifique du C-LiFePO4, le potentiel de la cathode C-LiFePO4 de 3,5 V vs Li+/Li en fait aussi un candidat idéal pour les batteries de technologie lithium métal polymère (LMP) utilisant une anode de lithium métallique, en remplacement des oxydes de vanadium. Ces batteries utilisent en effet comme électrolyte conducteur ionique un polymère sec de la famille des polyéthers dans lequel est dissous un sel de lithium, dont la fenêtre de stabilité
électrochimique est de l'ordre de 4 V vs Li+/Li . L'utilisation du C-LiFePO4 permet de concevoir des batteries LMP pour les véhicules électriques présentant d'excellentes performances en cyclage et une sécurité améliorée.
Résumé
Il est apparu que certains lots de matériau oxyanion de métal lithié ou partiellement lithié comportant un dépôt de carbone pyrolytique à leur surface (notamment dans le cas où le matériau est le C-LiFePO4) posaient des problèmes spécifiques lorsque utilisés comme cathode, par exemple dans le cas spécifique d'une batterie LMP, notamment dans leurs propriétés électrochimiques. Ces problèmes ont été notamment identifiés en premier lieu par l'accroissement de l'impédance spécifique de surface (dénommée ASI à partir de la terminologie anglaise Area Specific lmpedance ) des batteries, cette augmentation étant préjudiciable aux performances de la batterie.
Ces problèmes spécifiques ont conduit les inventeurs à initier un programme de R&D permettant d'identifier et de solutionner ce problème. Suite à de nombreuses expériences avec différents lots du matériau illustratif et non-limitatif C-LiFePO4, les inventeurs ont remarqués que, de façon surprenante, l'augmentation de l'ASI des batteries LMP était corrélée à la présence de faibles taux d'impuretés contenant du calcium. Aucun document de l'art antérieur n'enseigne ni ne suggère l'effet négatif des impuretés contenant du calcium sur l'ASI des batteries LMP.
En conséquence, la présente invention vise un matériau oxyanion de métal lithié ou partiellement lithié comportant un dépôt de carbone pyrolytique à la surface qui présente des propriétés électrochimiques améliorées, comme par exemple, lorsque utilisé comme cathode dans une batterie de technologie LMP.
Dans un aspect non-limitatif, la présente invention vise aussi une électrode qui contient le matériau défini plus haut et l'utilisation de cette électrode dans une batterie de technologie LMP.
Dans un aspect non-limitatif, la présente invention vise aussi un matériau C-AxM(X04)y constitué par des particules d'un composé répondant à la formule AxM(X04)y, où les particules comportent sur au moins une partie de leur surface un dépôt de carbone déposé par pyrolyse, où: A représente Li, seul ou partiellement remplacé par au plus 10% atomique de Na ou K; M représente Fe(II), ou Mn(II), ou leurs mélanges, seul ou partiellement remplacé par au plus 30% atomique d'un ou plusieurs autres métaux choisis parmi Ni et Co, et/ou par au plus 10% atomique d'un ou plusieurs métaux aliovalents ou isovalents autres que Ni ou Co, et/ou par au plus 5% atomique de Fe(III); X04 représente PO4 seul ou partiellement remplacé par au plus 10% molaire d'au moins un groupe choisi parmi SO4, SiO4 et Mo04; 0 <x 5 2 et 0 <y 2, les coefficients x et y étant choisis indépendamment pour assurer l'électroneutralité de l'oxyde complexe; et où le matériau a une teneur en calcium présent comme impureté à la surface du matériau qui est inférieure à environ ppm.
Dans un autre aspect non-limitatif, la présente invention vise un procédé afin d'améliorer les propriétés électrochimiques d'une batterie de technologie lithium métal polymère (LMP), où la batterie comprend un matériau oxyanion de métal lithié
ou partiellement lithié comportant des particules d'un composé répondant à la
3 formule AxM(X04)y, où les particules comportent sur au moins une partie de leur surface un dépôt de carbone déposé par pyrolyse, où: A représente Li, seul ou partiellement remplacé par au plus 10% atomique de Na ou K; M représente Fe(II), ou Mn(II), ou leurs mélanges, seul ou partiellement remplacé par au plus 30%
atomique d'un ou plusieurs autres métaux choisis parmi Ni et Co, et/ou par au plus 10% atomique d'un ou plusieurs métaux aliovalents ou isovalents autres que Ni ou Co, et/ou par au plus 5% atomique de Fe(III); et X04 représente PO4 seul ou partiellement remplacé par au plus 10% molaire d'au moins un groupe choisi parmi SO4, SiO4 et Mo04; O <x 2 et 0 <y 5 2, les coefficients x et y étant choisis indépendamment pour assurer l'électroneutralité de l'oxyde complexe, et où le procédé comprend : (i) détermination de la teneur en calcium présent comme impureté (a) d'un matériau oxyanion de métal lithié ou partiellement lithié
comportant des particules d'un composé répondant à la formule AxM(X04)y, (b) d'un matériau oxyanion de métal lithié ou partiellement lithié comportant des particules d'un composé répondant à la formule AM(X04) y où les particules comportent sur au moins une partie de leur surface un dépôt de carbone déposé par pyrolyse, ou (c) des précurseurs de (a) ou (b) ; et (ii) sélection parmi (a), (b) ou (c) du matériau ou précurseurs contenant une teneur en calcium présent comme impureté inférieure à
environ 1000 ppm, préférentiellement inférieure à environ 500 ppm, plus préférablement inférieure à environ 300 ppm, plus particulièrement inférieure à
environ 100 ppm.
Dans un mode de réalisation, le procédé défini précédemment comprend, durant la synthèse des matériaux et (ou) durant des étapes de lavages, l'utilisation d'une eau qui est peu ou pas calcaire afin que dans le produit C-AxM(X04)y la teneur en calcium présent comme impureté soit inférieure à environ 1000 ppm, préférentiellement inférieure à environ 500 ppm, plus préférablement inférieure à
environ 300 ppm, plus particulièrement inférieure à environ 100 ppm.
Dans un mode de réalisation, le film de carbone est un dépôt uniforme, adhérent et non poudreux. Il représente environ de 0,03 à environ 15% en poids, de préférence environ de 0,5 à environ 5% en poids par rapport au poids total du matériau. Dans un mode de réalisation, le matériau de la présente invention, lorsqu'utilisé comme matériau de cathode, présente au moins un plateau de décharge/charge à environ 3,4-3,5 V vs Li+/Li , caractéristique du couple Fe+2/Fe+3.
Dans un autre aspect non-limitatif, la présente invention vise un matériau MPO4, éventuellement hydraté, pour la synthèse de C-LiMPO4 par un procédé
thermique, où le matériau a une teneur en calcium présent comme impureté
inférieure à environ 1000 ppm, M est un métal représentant au moins 70%
atomique de Fe(II). Dans un mode de réalisation, le matériau MPO4 pour la synthèse de C-LiMPO4 par un procédé thermique, est caractérisé par une teneur en calcium présent comme impureté inférieure à environ 500 ppm, préférablement inférieure à
environ 300 ppm, plus particulièrement inférieure à environ 100 ppm.
Dans un autre aspect non-limitatif, l'impureté comprenant du calcium est essentiellement présente à la surface du matériau MPO4.
Dans un mode spécifique de réalisation, M représente Fe(II), le matériau FePO4, éventuellement hydraté, pour la synthèse de C-L1FePO4 par un procédé
thermique, est caractérisé par une teneur en calcium présent comme impureté
inférieure à environ 1000 ppm, préférentiellement inférieure à environ 500 ppm, préférablement inférieure à environ 300 ppm, plus particulièrement inférieure à
environ 100 ppm.
Dans un autre aspect non-limitatif, l'impureté comprenant du calcium est essentiellement présente à la surface du matériau FePO4-Ces aspects et d'autres caractéristiques de la présente invention seront maintenant rendus évidents pour l'homme du métier à la révision de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention.
Description Suite à de nombreuses expériences, les inventeurs ont remarqués que, de façon surprenante, l'augmentation de l'ASI des batteries LMP était corrélée à
la présence d'impuretés contenant du calcium.
Dans une mise en uvre non-limitative de ce concept, les inventeurs ont utilisé du C-LiFePO4 synthétisé par un procédé thermique à l'état solide. Ce procédé
thermique à l'état solide consiste à mélanger des sources de Li, Fe et PO4 avec un composé organique. Plus précisément, du carbonate de lithium (Li2CO3), du phosphate de fer (FePO4) et un polymère sont mixés, puis ce mélange cuit sous atmosphère réductrice dans un four rotatif à la sortie duquel est obtenu le matériau de cathode C-LiFePO4. Dans cet exemple spécifique, les inventeurs ont corrélé
l'origine du calcium présent comme impureté à la matière première FePO4, pouvant contenir des impuretés à base de calcium, en particulier des phosphates ou carbonates de calcium peu solubles en milieu aqueux. Ces impuretés comprenant du calcium se retrouvent in fine dans le produit C-LiFePO4.
Dans cette mise en oeuvre non-limitative, les inventeurs ont observé une augmentation de l'AS! au cours du cyclage de batteries LMP avec des lots de C-LiFePO4 ne contenant que de très faibles quantités de calcium présent comme impureté, soit quelques centaines de ppm telles que déterminées par microanalyses chimiques (torche à plasma, etc.). On peut avancer des explications à cet effet surprenant sans que cela ne soit une limite à l'invention. Lors de la fabrication de certains lots de FePO4, il est possible que l'utilisation d'une eau calcaire durant la synthèse et/ou des étapes de lavages conduise au dépôt de sels de calcium peu solubles dans l'eau, en particulier des carbonates et des phosphates (par exemple CaHPO4, Ca3(PO4)2, CaCO3, etc.), à la surface du FePO4 utilisé comme matière première pour la synthèse du produit C-LiFePO4. On peut supposer que ce calcium présent comme impureté se retrouve tout ou en partie à la surface du C-LiFePO4, par exemple, mais sans limitation, sous la forme d'un phosphate de calcium, lithié
ou non. L'analyse XPS de la surface de C-LiFePO4 contenant du calcium présent comme impureté a confirmé sa présence à la surface du matériau.
L'observation des effets néfastes de la présence de calcium présent comme impureté dans la technologie LMP peut s'expliquer par la très forte viscosité
de l'électrolyte, contrairement à un électrolyte liquide, entraînant la formation d'une interface limitant les transferts ioniques entre l'électrolyte et la cathode.
De plus, l'électrolyte polymère à base de polyéthers ayant un fort pouvoir solvatant, on peut supposer, sans que cela ne soit une limite à l'invention, que les impuretés à
base de calcium interagissent ou sont au moins partiellement solubilisées par celui-ci. Cet effet peut être renforcé par le sel de lithium du bis(trifluorométhanesulfonyl)imide (dénommé LiTFSI ) couramment utilisé pour les électrolytes des batteries LMP, en effet l'anion TFSI est capable d'emmener en solution de nombreux cations, incluant les cations divalents comme le calcium. Un électrolyte polymère n'est conducteur que s'il présente une structure amorphe, c'est-à-dire désorganisée, structure la plus apte à dissocier et à solvater le sel. Toute amorce de cristallisation fait augmenter l'énergie de cohésion du polymère et a des conséquences néfastes sur la conductivité ionique du matériau. Une telle structure amorphe n'est obtenue qu'en se plaçant à une température supérieure à la température de transition vitreuse Tg qui doit donc être la plus basse possible. La valeur de Tg peut évoluer en fonction de la quantité de sel solvate dans le polymère, et également suivant la nature du cation pour un anion donné. Une impureté contenant du calcium divalent présente à la surface du matériau C-AxM(X04)y peut ainsi augmenter localement à
l'interface avec l'électrolyte la température de transition vitreuse de l'électrolyte, voir former des composés définis microcristallins à haut point de fusion, ce qui se traduit par un accroissement des résistances d'interfaces et donc de l'ASI.
C'est pourquoi, dans un mode de réalisation particulier, le procédé de l'invention comprend, durant la synthèse des matériaux et (ou) durant des étapes de lavages, l'utilisation d'une eau qui est peu ou pas calcaire afin que dans le produit C-AxM(X04)y la teneur en calcium présent comme impureté soit inférieure à
environ 1000 ppm, préférentiellement inférieure à environ 500 ppm, plus préférablement inférieure à environ 300 ppm, plus particulièrement inférieure à environ 100 ppm.
L'homme du métier sera en mesure d'obtenir une eau qui est peu ou pas calcaire sans effort anormal.
Le but des nombreuses expériences rapportées ici était donc d'identifier les causes de la dégradation inattendue des performances de batteries utilisant des lots de C-LiFePO4 à priori similaire et d'identifier une composition optimisée pour les batteries de technologie lithium métal polymère contenant le matériau C-AxM(X04)y.
Dans un mode de réalisation particulier, le matériau de la présente invention, désigné dans ce mémoire descriptif par "matériau C-AxM(X04)y", est constitué
par des particules d'un composé répondant à la formule AM(X04)y qui ont une structure olivine et qui portent sur au moins une partie de leur surface un dépôt de carbone déposé par pyrolyse, où :
- A représente Li, seul ou partiellement remplacé par au plus 10% atomique de Na ou K;
- M représente Fe(II), ou Mn(II), ou leurs mélanges, seul ou partiellement remplacé
par au plus 30% atomique d'un ou plusieurs autres métaux choisis parmi Ni et Co, et/ou par au plus 10% atomique d'un ou plusieurs métaux aliovalents ou isovalents autres que Ni ou Co, et/ou par au plus 5% atomique de Fe(III); et - X04 est un oxyanion et représente PO4 seul ou partiellement remplacé par au plus 10% molaire d'au moins un groupe choisi parmi SO4, SiO4 et Mo04 ;
- 0 <x 5 2 et 0 <y 2, les coefficients x et y étant choisis indépendamment pour assurer l'électroneutralité de l'oxyde complexe, le matériau étant caractérisé en ce qu'il a une teneur en calcium présent comme impureté inférieure à environ 1000 ppm.
Dans un mode de réalisation particulier, le matériau C-AxM(X04)y précédent est caractérisé en ce qu'il a une teneur en calcium présent comme impureté
inférieure à environ 500 ppm, de préférence moins de environ 300 ppm, et plus particulièrement inférieure à environ 100 ppm.
Dans un 2ème mode de réalisation particulier, le matériau C-AxM(X04)y de la présente invention est constitué par des particules d'un composé répondant à
la formule AM(X04)y qui ont une structure olivine et qui portent sur au moins une partie de leur surface un dépôt de carbone déposé par pyrolyse, où:
- A représente Li, seul ou partiellement remplacé par au plus 10% atomique de Na ou K;
- M représente Fe(II), seul ou partiellement remplacé par au plus 30% atomique d'un ou plusieurs autres métaux choisis parmi Mn, Ni et Co, et/ou par au plus 10% atomique d'un ou plusieurs métaux aliovalents ou isovalents choisis parmi Mg, Mo, Nb, Ti, Al, Ta, Ge, La, Y, Yb, Sm, Ce, Cu, Hf, Cr, Zr, Bi, Zn, B, Ca et W, et/ou par au plus 5% atomique de Fe(III); et - X04 est un oxyanion et représente PO4 seul ou partiellement remplacé par au plus 10% molaire d'au moins un groupe choisi parmi SO4, SiO4 et Mo04;
- 0 <x É 2 et 0 < y 2, les coefficients x et y étant choisis indépendamment pour assurer l'électroneutralité de l'oxyde complexe, le matériau étant caractérisé en ce qu'il a une teneur en calcium présent comme impureté inférieure à environ 1000 ppm.
Dans un mode de réalisation particulier, le matériau C-AM(X04)y précédent est caractérisé en ce qu'il a une teneur en calcium présent comme impureté
inférieure à environ 500 ppm, de préférence inférieure à environ 300 ppm, plus particulièrement inférieure à environ 100 ppm.
Dans un 3ème mode de réalisation particulier, le matériau C-AxM(X04)y est C-LiMPO4 constitué par des particules d'un composé répondant à la formule qui a une structure olivine et qui porte sur au moins une partie de sa surface un dépôt de carbone déposé par pyrolyse, M représentant au moins 70% atomique de Fe(II), et caractérisé en ce qu'il a une teneur en calcium présent comme impureté
inférieure à environ 1000 ppm, de préférence inférieure à environ 500 ppm, préférentiellement inférieure à environ 300 ppm, et plus particulièrement inférieure à
environ 100 ppm.
Dans un 4ème mode de réalisation particulier, le matériau C-AxM(X04)y est C-LiFePO4 constitué par des particules d'un composé répondant à la formule LiFePO4 qui a une structure olivine et qui porte sur au moins une partie de sa surface un dépôt de carbone déposé par pyrolyse, et caractérisé en ce qu'il a une teneur en calcium présent comme impureté inférieure à environ 1000 ppm, de préférence inférieure à environ 500 ppm, préférentiellement inférieure à
environ 300 ppm, et plus particulièrement inférieure à environ 100 ppm.
La teneur en calcium présent comme impureté d'un matériau selon l'invention peut être mesurée à l'aide d'appareillages couramment utilisés dans l'industrie, en particulier les torches à plasma permettant de réaliser des microanalyses chimiques (plasma à couplage inductif, etc.), on peut citer par exemple les spectromètres ICP
de la société Horiba Scientific. L'analyse consiste fréquemment en une minéralisation par voie humide, par dissolution acide de l'échantillon, puis la solution obtenue est injectée dans le plasma sous forme d'un aérosol. La teneur des différents éléments est ensuite déterminée grâce à des détecteurs basés sur la spectrométrie d'émission optique ou la spectrométrie de masse.
Les propriétés des matériaux selon l'invention peuvent être adaptées en choisissant de manière appropriée le ou les éléments remplaçant partiellement Fe.
Par exemple, dans un matériau dans lequel l'oxyde complexe répond à la formule LiFei_(x+y)M'xM"yP0.4, le choix de M' parmi Mn, Ni et Co permet d'ajuster les potentiels de décharge moyen du matériau de cathode. Le choix de M" parmi, par exemple, Mg, Mo, Nb, Ti, Al, B, Zr, Ca et W peut permettre d'ajuster les propriétés cinétiques du matériau de cathode.
Parmi les matériaux de l'invention, ceux dans lesquels l'oxyde complexe AM(X04)y répond à la formule LiFemx,y)M'xM"yP0.4, avec x+y 5 0,3 sont particulièrement préférés.
Dans le cadre de la présente invention, l'expression particules englobe aussi bien des particules élémentaires que des agglomérats de particules élémentaires, également dénommés particules secondaires. La dimension des particules élémentaires est de préférence comprise entre 10 nm et 3 lm. La dimension des agglomérats est de préférence comprise entre 100 nm et 30 pm.
Ces dimensions de particules et la présence du dépôt de carbone confèrent au matériau une surface spécifique élevée, typiquement entre 5 et 50 m2/g.
Dans un mode particulier de l'invention, le matériau C-AõM(X04)y est composé de particules primaires de tailles microniques, principalement de plus d'environ 1 pm et préférablement entre environ 1 pm et environ 5 pm. La taille des particules secondaires est préférablement entre environ 1 pm et environ 10 pm.
Dans un autre mode particulier de l'invention, le matériau C-A8M(X04)y est composé de particules primaires avec une distribution de tailles de particules comprise entre environ 1 pm et environ 5 pm, et tel que la distribution de taille des particules secondaires D50 est comprise entre environ 1 pm et environ 10 pm.
Dans un autre mode particulier de l'invention, le matériau C-AxM(X04)y est caractérisé en ce que la dimension des particules élémentaires est comprise entre nm et 3 pm et la dimension des agglomérats est comprise entre 100 nm et 30 pm.
Le matériau C-AxM(X04)y peut être préparé par divers procédés, il peut être obtenu par exemple par voie hydrothermale (Cf. WO 05/051840), par voie thermique à l'état solide (Cf. WO 02/027823 et WO 02/027824), ou par voie fondue (Cf.
atomique d'un ou plusieurs autres métaux choisis parmi Ni et Co, et/ou par au plus 10% atomique d'un ou plusieurs métaux aliovalents ou isovalents autres que Ni ou Co, et/ou par au plus 5% atomique de Fe(III); et X04 représente PO4 seul ou partiellement remplacé par au plus 10% molaire d'au moins un groupe choisi parmi SO4, SiO4 et Mo04; O <x 2 et 0 <y 5 2, les coefficients x et y étant choisis indépendamment pour assurer l'électroneutralité de l'oxyde complexe, et où le procédé comprend : (i) détermination de la teneur en calcium présent comme impureté (a) d'un matériau oxyanion de métal lithié ou partiellement lithié
comportant des particules d'un composé répondant à la formule AxM(X04)y, (b) d'un matériau oxyanion de métal lithié ou partiellement lithié comportant des particules d'un composé répondant à la formule AM(X04) y où les particules comportent sur au moins une partie de leur surface un dépôt de carbone déposé par pyrolyse, ou (c) des précurseurs de (a) ou (b) ; et (ii) sélection parmi (a), (b) ou (c) du matériau ou précurseurs contenant une teneur en calcium présent comme impureté inférieure à
environ 1000 ppm, préférentiellement inférieure à environ 500 ppm, plus préférablement inférieure à environ 300 ppm, plus particulièrement inférieure à
environ 100 ppm.
Dans un mode de réalisation, le procédé défini précédemment comprend, durant la synthèse des matériaux et (ou) durant des étapes de lavages, l'utilisation d'une eau qui est peu ou pas calcaire afin que dans le produit C-AxM(X04)y la teneur en calcium présent comme impureté soit inférieure à environ 1000 ppm, préférentiellement inférieure à environ 500 ppm, plus préférablement inférieure à
environ 300 ppm, plus particulièrement inférieure à environ 100 ppm.
Dans un mode de réalisation, le film de carbone est un dépôt uniforme, adhérent et non poudreux. Il représente environ de 0,03 à environ 15% en poids, de préférence environ de 0,5 à environ 5% en poids par rapport au poids total du matériau. Dans un mode de réalisation, le matériau de la présente invention, lorsqu'utilisé comme matériau de cathode, présente au moins un plateau de décharge/charge à environ 3,4-3,5 V vs Li+/Li , caractéristique du couple Fe+2/Fe+3.
Dans un autre aspect non-limitatif, la présente invention vise un matériau MPO4, éventuellement hydraté, pour la synthèse de C-LiMPO4 par un procédé
thermique, où le matériau a une teneur en calcium présent comme impureté
inférieure à environ 1000 ppm, M est un métal représentant au moins 70%
atomique de Fe(II). Dans un mode de réalisation, le matériau MPO4 pour la synthèse de C-LiMPO4 par un procédé thermique, est caractérisé par une teneur en calcium présent comme impureté inférieure à environ 500 ppm, préférablement inférieure à
environ 300 ppm, plus particulièrement inférieure à environ 100 ppm.
Dans un autre aspect non-limitatif, l'impureté comprenant du calcium est essentiellement présente à la surface du matériau MPO4.
Dans un mode spécifique de réalisation, M représente Fe(II), le matériau FePO4, éventuellement hydraté, pour la synthèse de C-L1FePO4 par un procédé
thermique, est caractérisé par une teneur en calcium présent comme impureté
inférieure à environ 1000 ppm, préférentiellement inférieure à environ 500 ppm, préférablement inférieure à environ 300 ppm, plus particulièrement inférieure à
environ 100 ppm.
Dans un autre aspect non-limitatif, l'impureté comprenant du calcium est essentiellement présente à la surface du matériau FePO4-Ces aspects et d'autres caractéristiques de la présente invention seront maintenant rendus évidents pour l'homme du métier à la révision de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention.
Description Suite à de nombreuses expériences, les inventeurs ont remarqués que, de façon surprenante, l'augmentation de l'ASI des batteries LMP était corrélée à
la présence d'impuretés contenant du calcium.
Dans une mise en uvre non-limitative de ce concept, les inventeurs ont utilisé du C-LiFePO4 synthétisé par un procédé thermique à l'état solide. Ce procédé
thermique à l'état solide consiste à mélanger des sources de Li, Fe et PO4 avec un composé organique. Plus précisément, du carbonate de lithium (Li2CO3), du phosphate de fer (FePO4) et un polymère sont mixés, puis ce mélange cuit sous atmosphère réductrice dans un four rotatif à la sortie duquel est obtenu le matériau de cathode C-LiFePO4. Dans cet exemple spécifique, les inventeurs ont corrélé
l'origine du calcium présent comme impureté à la matière première FePO4, pouvant contenir des impuretés à base de calcium, en particulier des phosphates ou carbonates de calcium peu solubles en milieu aqueux. Ces impuretés comprenant du calcium se retrouvent in fine dans le produit C-LiFePO4.
Dans cette mise en oeuvre non-limitative, les inventeurs ont observé une augmentation de l'AS! au cours du cyclage de batteries LMP avec des lots de C-LiFePO4 ne contenant que de très faibles quantités de calcium présent comme impureté, soit quelques centaines de ppm telles que déterminées par microanalyses chimiques (torche à plasma, etc.). On peut avancer des explications à cet effet surprenant sans que cela ne soit une limite à l'invention. Lors de la fabrication de certains lots de FePO4, il est possible que l'utilisation d'une eau calcaire durant la synthèse et/ou des étapes de lavages conduise au dépôt de sels de calcium peu solubles dans l'eau, en particulier des carbonates et des phosphates (par exemple CaHPO4, Ca3(PO4)2, CaCO3, etc.), à la surface du FePO4 utilisé comme matière première pour la synthèse du produit C-LiFePO4. On peut supposer que ce calcium présent comme impureté se retrouve tout ou en partie à la surface du C-LiFePO4, par exemple, mais sans limitation, sous la forme d'un phosphate de calcium, lithié
ou non. L'analyse XPS de la surface de C-LiFePO4 contenant du calcium présent comme impureté a confirmé sa présence à la surface du matériau.
L'observation des effets néfastes de la présence de calcium présent comme impureté dans la technologie LMP peut s'expliquer par la très forte viscosité
de l'électrolyte, contrairement à un électrolyte liquide, entraînant la formation d'une interface limitant les transferts ioniques entre l'électrolyte et la cathode.
De plus, l'électrolyte polymère à base de polyéthers ayant un fort pouvoir solvatant, on peut supposer, sans que cela ne soit une limite à l'invention, que les impuretés à
base de calcium interagissent ou sont au moins partiellement solubilisées par celui-ci. Cet effet peut être renforcé par le sel de lithium du bis(trifluorométhanesulfonyl)imide (dénommé LiTFSI ) couramment utilisé pour les électrolytes des batteries LMP, en effet l'anion TFSI est capable d'emmener en solution de nombreux cations, incluant les cations divalents comme le calcium. Un électrolyte polymère n'est conducteur que s'il présente une structure amorphe, c'est-à-dire désorganisée, structure la plus apte à dissocier et à solvater le sel. Toute amorce de cristallisation fait augmenter l'énergie de cohésion du polymère et a des conséquences néfastes sur la conductivité ionique du matériau. Une telle structure amorphe n'est obtenue qu'en se plaçant à une température supérieure à la température de transition vitreuse Tg qui doit donc être la plus basse possible. La valeur de Tg peut évoluer en fonction de la quantité de sel solvate dans le polymère, et également suivant la nature du cation pour un anion donné. Une impureté contenant du calcium divalent présente à la surface du matériau C-AxM(X04)y peut ainsi augmenter localement à
l'interface avec l'électrolyte la température de transition vitreuse de l'électrolyte, voir former des composés définis microcristallins à haut point de fusion, ce qui se traduit par un accroissement des résistances d'interfaces et donc de l'ASI.
C'est pourquoi, dans un mode de réalisation particulier, le procédé de l'invention comprend, durant la synthèse des matériaux et (ou) durant des étapes de lavages, l'utilisation d'une eau qui est peu ou pas calcaire afin que dans le produit C-AxM(X04)y la teneur en calcium présent comme impureté soit inférieure à
environ 1000 ppm, préférentiellement inférieure à environ 500 ppm, plus préférablement inférieure à environ 300 ppm, plus particulièrement inférieure à environ 100 ppm.
L'homme du métier sera en mesure d'obtenir une eau qui est peu ou pas calcaire sans effort anormal.
Le but des nombreuses expériences rapportées ici était donc d'identifier les causes de la dégradation inattendue des performances de batteries utilisant des lots de C-LiFePO4 à priori similaire et d'identifier une composition optimisée pour les batteries de technologie lithium métal polymère contenant le matériau C-AxM(X04)y.
Dans un mode de réalisation particulier, le matériau de la présente invention, désigné dans ce mémoire descriptif par "matériau C-AxM(X04)y", est constitué
par des particules d'un composé répondant à la formule AM(X04)y qui ont une structure olivine et qui portent sur au moins une partie de leur surface un dépôt de carbone déposé par pyrolyse, où :
- A représente Li, seul ou partiellement remplacé par au plus 10% atomique de Na ou K;
- M représente Fe(II), ou Mn(II), ou leurs mélanges, seul ou partiellement remplacé
par au plus 30% atomique d'un ou plusieurs autres métaux choisis parmi Ni et Co, et/ou par au plus 10% atomique d'un ou plusieurs métaux aliovalents ou isovalents autres que Ni ou Co, et/ou par au plus 5% atomique de Fe(III); et - X04 est un oxyanion et représente PO4 seul ou partiellement remplacé par au plus 10% molaire d'au moins un groupe choisi parmi SO4, SiO4 et Mo04 ;
- 0 <x 5 2 et 0 <y 2, les coefficients x et y étant choisis indépendamment pour assurer l'électroneutralité de l'oxyde complexe, le matériau étant caractérisé en ce qu'il a une teneur en calcium présent comme impureté inférieure à environ 1000 ppm.
Dans un mode de réalisation particulier, le matériau C-AxM(X04)y précédent est caractérisé en ce qu'il a une teneur en calcium présent comme impureté
inférieure à environ 500 ppm, de préférence moins de environ 300 ppm, et plus particulièrement inférieure à environ 100 ppm.
Dans un 2ème mode de réalisation particulier, le matériau C-AxM(X04)y de la présente invention est constitué par des particules d'un composé répondant à
la formule AM(X04)y qui ont une structure olivine et qui portent sur au moins une partie de leur surface un dépôt de carbone déposé par pyrolyse, où:
- A représente Li, seul ou partiellement remplacé par au plus 10% atomique de Na ou K;
- M représente Fe(II), seul ou partiellement remplacé par au plus 30% atomique d'un ou plusieurs autres métaux choisis parmi Mn, Ni et Co, et/ou par au plus 10% atomique d'un ou plusieurs métaux aliovalents ou isovalents choisis parmi Mg, Mo, Nb, Ti, Al, Ta, Ge, La, Y, Yb, Sm, Ce, Cu, Hf, Cr, Zr, Bi, Zn, B, Ca et W, et/ou par au plus 5% atomique de Fe(III); et - X04 est un oxyanion et représente PO4 seul ou partiellement remplacé par au plus 10% molaire d'au moins un groupe choisi parmi SO4, SiO4 et Mo04;
- 0 <x É 2 et 0 < y 2, les coefficients x et y étant choisis indépendamment pour assurer l'électroneutralité de l'oxyde complexe, le matériau étant caractérisé en ce qu'il a une teneur en calcium présent comme impureté inférieure à environ 1000 ppm.
Dans un mode de réalisation particulier, le matériau C-AM(X04)y précédent est caractérisé en ce qu'il a une teneur en calcium présent comme impureté
inférieure à environ 500 ppm, de préférence inférieure à environ 300 ppm, plus particulièrement inférieure à environ 100 ppm.
Dans un 3ème mode de réalisation particulier, le matériau C-AxM(X04)y est C-LiMPO4 constitué par des particules d'un composé répondant à la formule qui a une structure olivine et qui porte sur au moins une partie de sa surface un dépôt de carbone déposé par pyrolyse, M représentant au moins 70% atomique de Fe(II), et caractérisé en ce qu'il a une teneur en calcium présent comme impureté
inférieure à environ 1000 ppm, de préférence inférieure à environ 500 ppm, préférentiellement inférieure à environ 300 ppm, et plus particulièrement inférieure à
environ 100 ppm.
Dans un 4ème mode de réalisation particulier, le matériau C-AxM(X04)y est C-LiFePO4 constitué par des particules d'un composé répondant à la formule LiFePO4 qui a une structure olivine et qui porte sur au moins une partie de sa surface un dépôt de carbone déposé par pyrolyse, et caractérisé en ce qu'il a une teneur en calcium présent comme impureté inférieure à environ 1000 ppm, de préférence inférieure à environ 500 ppm, préférentiellement inférieure à
environ 300 ppm, et plus particulièrement inférieure à environ 100 ppm.
La teneur en calcium présent comme impureté d'un matériau selon l'invention peut être mesurée à l'aide d'appareillages couramment utilisés dans l'industrie, en particulier les torches à plasma permettant de réaliser des microanalyses chimiques (plasma à couplage inductif, etc.), on peut citer par exemple les spectromètres ICP
de la société Horiba Scientific. L'analyse consiste fréquemment en une minéralisation par voie humide, par dissolution acide de l'échantillon, puis la solution obtenue est injectée dans le plasma sous forme d'un aérosol. La teneur des différents éléments est ensuite déterminée grâce à des détecteurs basés sur la spectrométrie d'émission optique ou la spectrométrie de masse.
Les propriétés des matériaux selon l'invention peuvent être adaptées en choisissant de manière appropriée le ou les éléments remplaçant partiellement Fe.
Par exemple, dans un matériau dans lequel l'oxyde complexe répond à la formule LiFei_(x+y)M'xM"yP0.4, le choix de M' parmi Mn, Ni et Co permet d'ajuster les potentiels de décharge moyen du matériau de cathode. Le choix de M" parmi, par exemple, Mg, Mo, Nb, Ti, Al, B, Zr, Ca et W peut permettre d'ajuster les propriétés cinétiques du matériau de cathode.
Parmi les matériaux de l'invention, ceux dans lesquels l'oxyde complexe AM(X04)y répond à la formule LiFemx,y)M'xM"yP0.4, avec x+y 5 0,3 sont particulièrement préférés.
Dans le cadre de la présente invention, l'expression particules englobe aussi bien des particules élémentaires que des agglomérats de particules élémentaires, également dénommés particules secondaires. La dimension des particules élémentaires est de préférence comprise entre 10 nm et 3 lm. La dimension des agglomérats est de préférence comprise entre 100 nm et 30 pm.
Ces dimensions de particules et la présence du dépôt de carbone confèrent au matériau une surface spécifique élevée, typiquement entre 5 et 50 m2/g.
Dans un mode particulier de l'invention, le matériau C-AõM(X04)y est composé de particules primaires de tailles microniques, principalement de plus d'environ 1 pm et préférablement entre environ 1 pm et environ 5 pm. La taille des particules secondaires est préférablement entre environ 1 pm et environ 10 pm.
Dans un autre mode particulier de l'invention, le matériau C-A8M(X04)y est composé de particules primaires avec une distribution de tailles de particules comprise entre environ 1 pm et environ 5 pm, et tel que la distribution de taille des particules secondaires D50 est comprise entre environ 1 pm et environ 10 pm.
Dans un autre mode particulier de l'invention, le matériau C-AxM(X04)y est caractérisé en ce que la dimension des particules élémentaires est comprise entre nm et 3 pm et la dimension des agglomérats est comprise entre 100 nm et 30 pm.
Le matériau C-AxM(X04)y peut être préparé par divers procédés, il peut être obtenu par exemple par voie hydrothermale (Cf. WO 05/051840), par voie thermique à l'état solide (Cf. WO 02/027823 et WO 02/027824), ou par voie fondue (Cf.
4).
Dans un mode de synthèse préféré du matériau C-A8M(X04)y, la synthèse est mise en oeuvre en faisant réagir par mise en équilibre, thermodynamique ou cinétique, une atmosphère gazeuse avec un mélange dans les proportions requises des composés sources a), b), c) d) et e) suivants :
a) un ou plusieurs composés sources du ou des éléments formant A;
b) une source ou plusieurs sources du ou des éléments formant M;
c) un composé source du ou des éléments X;
Dans un mode de synthèse préféré du matériau C-A8M(X04)y, la synthèse est mise en oeuvre en faisant réagir par mise en équilibre, thermodynamique ou cinétique, une atmosphère gazeuse avec un mélange dans les proportions requises des composés sources a), b), c) d) et e) suivants :
a) un ou plusieurs composés sources du ou des éléments formant A;
b) une source ou plusieurs sources du ou des éléments formant M;
c) un composé source du ou des éléments X;
5 PCT/CA2011/000108 d) un composé source d'oxygène ; et e) un composé source de carbone conducteur;
la synthèse est effectuée en continu dans un four en contrôlant la composition de l'atmosphère gazeuse, la température de la réaction de synthèse et le taux du composé source c) relativement aux autres composés sources a), b) d) et e), pour imposer l'état d'oxydation du métal de transition au degré de valence voulu pour la constitution du composé de type AM(X04) le procédé comportant une étape de pyrolyse du composé e).
Dans ce mode de réalisation, le flux gazeux et le flux de produits solides circulent à contre-courant, dans des conditions optimales, le matériau C-AxM(X04)y récupéré à la sortie du four contient moins de environ 200 ppm d'eau.
Dans un mode de synthèse particulier, le composé source a) est un composé
de lithium choisi par exemple dans le groupe constitué par l'oxyde ou l'hydroxyde de lithium, le carbonate de lithium, le phosphate neutre Li3PO4, le phosphate acide LiH2PO4, l'ortho, le meta ou les poly silicates de lithium, le sulfate de lithium, l'oxalate de lithium et l'acétate de lithium, et un mélange quelconque de ceux-ci. Le composé source b) est un composé du fer choisi par exemple dans le groupe constitué par l'oxyde de fer(III) ou la magnétite, le phosphate de fer trivalent, l'hydroxyphosphate de fer et de lithium ou le nitrate de fer trivalent, le phosphate ferreux, la vivianite hydratée ou non Fe3(PO4)2, l'acétate de fer (CH3C00)2Fe, le sulfate de fer (FeSO4), l'oxalate de fer, le phosphate de fer et d'ammonium (NH4FePO4), et un mélange quelconque de ceux-ci. Le composé source c) est un composé du phosphore choisi par exemple dans le groupe constitué par l'acide phosphorique et ses esters, le phosphate neutre Li3PO4, le phosphate acide LiH2PO4, les phosphates mono- ou di-ammonique, le phosphate de fer trivalent, le phosphate de manganèse et d'ammonium (NH4MnPO4). Tous ces composés sont en outre source d'oxygène et certains d'entre eux sont sources d'au moins deux éléments parmi Li, Fe et P. Le dépôt de carbone sur la surface des particules d'oxyde complexe AM(X04)y est obtenu par pyrolyse d'un composé source e). La pyrolyse du composé e) peut être effectuée en même temps que la réaction de synthèse entre les composés a) à d) pour former le composé A.M(X04)y. Elle peut aussi être effectuée dans une étape consécutive à la réaction de synthèse.
Le dépôt de la couche de carbone conducteur à la surface des particules d'oxyde complexe AM(X04)y peut être obtenue par décomposition thermique de composés sources e) très variés. Un composé source approprié est un composé
qui est à l'état liquide ou à l'état gazeux, un composé qui peut être utilisé sous forme d'une solution dans un solvant liquide, ou un composé qui passe à l'état liquide ou gazeux au cours de sa décomposition thermique, de manière à enrober plus ou moins complètement les particules d'oxyde complexe.
Le composé source e) peut être choisi par exemple dans le groupe constitué
par les hydrocarbures liquides, solides ou gazeux, et leurs dérivés (en particulier les espèces polycycliques aromatiques telles que le goudron ou le brai), le pérylène et ses dérivés, les composés polyhydriques (par exemple les sucres et les hydrates de carbone, et leurs dérivés), les polymères, la cellulose, l'amidon et leurs esters et éthers, et un mélange quelconque de ceux-ci. Comme exemple de polymères, on peut citer les polyoléfines, les polybutadiènes, l'alcool polyvinylique, le polyvinyle butyrale, les produits de condensation des phénols (y compris ceux obtenus à
partir de réaction avec des aldéhydes), les polymères dérivés de l'alcool furfurylique, du styrène, du divinyl- benzène, du naphtalène, du pérylène, de l'acrylonitrile, et de l'acétate de vinyle.
Lorsque le composé e) est CO ou un hydrocarbure gazeux, il est soumis à
une dismutation, avantageusement catalysée par un élément métal de transition présent dans au moins un des précurseurs a) à c), ou par un composé d'un métal de transition ajouté au mélange de précurseurs.
Lorsque le composé source e) est un gaz ou un mélange de gaz tels que l'éthylène, le propylène, l'acétylène, le butane, le 1,3 butadiène, ou le 1-butène, la décomposition thermique est effectuée par craquage dans un four à une température entre environ 100 et environ 1300 C, et plus particulièrement entre environ 400 et environ 1200 C, de préférence en présence d'un gaz porteur inerte.
(Cf. par exemple US 2002/195591 et US 2004/157126).
Le dépôt de carbone peut en outre être effectué par CVD à partir d'hydrocarbures, comme décrit dans JP 2006-302671.
Dans un mode de synthèse particulier le matériau C-LiFePO4 est préparé par un procédé thermique à l'état solide à partir du phosphate de fer (FePO4), de carbonate de lithium (Li2CO3) et d'un composé organique source de carbone.
Un matériau C-AM(X04)y selon l'invention est particulièrement utile comme cathode dans une batterie de technologie lithium métal polymère (LMP), utilisant une anode de lithium métallique et un électrolyte solide polymère plastifié ou non.
Dans un mode de réalisation particulier, la cathode est constituée de préférence par un matériau composite appliqué sur un collecteur, le matériau composite comprenant C-AxM(X04)y, un polymère solvatant salifié ou non comme liant, de préférence le polymère qui forme le solvant de l'électrolyte, et un matériau favorisant la conduction électronique. Le matériau favorisant la conduction électronique est choisi avantageusement parmi le noir de carbone (Ketjenblack, etc.), le graphite, les fibres de carbone (par exemple sous forme de nanotubes de carbones ou de fibres VGCF (Vapor Grown Carbon Fiber) dont la croissance est effectuée en phase gazeuse, les nanotubes de carbone et le graphene.
Le polymère solvatant est choisi avantageusement parmi les polymères comprenant des segments polyéthers, la dissolution d'un sel de lithium dans ce polymère permettant de préparer un électrolyte polymère solide. Comme exemples de polyéthers utilisables dans le cadre de la présente invention pour former l'électrolyte, on peut citer le poly(oxyde d'éthylène) et les copolymères qui sont obtenus à partir d'oxyde d'éthylène et d'au moins un oxirane substitué, et qui comprennent au moins 60% d'unités récurrentes -CH2-CH20- dérivées de l'oxyde d'éthylène. Les unités récurrentes dérivées d'un oxirane substitué peuvent être des unités -0-CH2-CHR- (dérivées d'un oxirane CH2-CHR-0) dans lesquelles R est un radical alkyle, choisi de préférence parmi les radicaux alkyles ayant de 1 à
atomes de carbone, plus préférentiellement parmi les radicaux alkyles ayant de 1 à
8 atomes de carbone. Les unités récurrentes dérivées d'un oxirane substitué
peuvent en outre être des unités -0-CH2-CHR- (dérivées d'un oxirane CH2-CHR1-0), dans lesquelles R' est un groupement capable de polymériser par voie radicalaire. Un tel groupement peut être choisi parmi ceux qui comportent une double liaison, par exemple un groupe vinyle, allyle, vinylbenzyle ou acryloyle.
Comme exemples de tels groupements, on peut citer les groupements qui répondent à la formule CH2=CH-(C1-12),1-(0-CH2)p- avec 1 <q <6 et p = 0 ou 1, ou à
la formule CH3-(CH2)y-CH=CH-(CH2)x-(OCH2)p-, avec 0 < x+y < 5 et p = 0 ou 1.
Un polyether utile pour la présente invention peut comporter des unités récurrentes dérivées de divers oxiranes substitués. Dans un mode de réalisation, le polyether utilisé selon la présente invention comporte des unités récurrentes dérivées d'au moins un oxirane substitué dans lequel le substituant comprend une fonction polymérisable. A titre d'exemple, on peut citer l'allylglycidyléther.
L'électrolyte polymère peut également être constitué par un mélange de polymères, par exemple sans limitation, par le mélange d'un polymère solvatant et d'un polymère non-solvatant et/ou au moins partiellement soluble dans le polymère solvatant (Cf. FR 2,881,275 et WO 2009/079757).
Dans un mode de réalisation particulier, le sel de lithium peut être choisi notamment parmi L1PF6, LiAsF6, LiC104, L1BF4, L1C4608, Li(C2F6S02)2N, Li[(C2F6)3PF3], LiCF3S03, LiCH3S03, LiN(SO2F) et LiN(SO2CF3)2.
L'électrolyte polymère ainsi formé peut être optionnellement plastifié par au plus 30% en poids d'un solvant liquide, un plastifiant ou un polymère de faible masse.
La capacité de la cathode est couramment exprimée en mg de matière électroactive par cm2 de la surface de la cathode.
La cathode est élaborée à partir d'un matériau C-AxM(X04)y de la présente invention ayant une teneur en calcium présent comme impureté inférieure à
environ 1000 ppm, de préférence inférieure à environ 500 ppm, préférablement inférieure à
environ 300 ppm, plus particulièrement inférieure à environ 100 ppm.
Un matériau C-LiFePO4 et un matériau C-LiMPO4 dans lequel M représente au moins 70% atomique de Fe partiellement remplacé par Mn, Nb ou Mg sont particulièrement préférés comme matière active de cathode.
Ce qui précède est considéré comme une illustration des principes de l'invention. En outre, puisque de nombreuses modifications et changements apparaîtront à l'homme du métier, il n'est pas souhaitable de limiter l'invention aux exemples précis et aux réalisations représentés et décrits, et, par conséquent, toutes les modifications appropriées et équivalentes peuvent être invoquées, relevant de la portée de l'invention.
Exemples Le procédé selon l'invention a été mis en oeuvre de manière comparative avec les techniques de l'art antérieur, afin de démontrer qu'une très faible teneur en calcium présent comme impureté avait un effet favorable sur les performances du matériau C-AxM(X04)y utilisé comme matériau de cathode dans une batterie de technologie lithium métal polymère.
Exemple 1 : Synthèse de C-LiFePO4 par une voie thermique à l'état solide On a préparé un mélange contenant FePO4.(H20)2 (1 mole) et Li2CO3 (1 mole, taux de pureté : 99,9%), et 5% de polyéthylène-block-poly(éthylène glycol) contenant 50% d'oxyde d'éthylène, on l'a introduit dans de l'alcool isopropylique et on a mélangé pendant environ 10 h, puis on a éliminé le solvant. Dans le matériau ainsi obtenu, le polymère maintient ensemble les particules de phosphate et de carbonate.
On a traité le mélange sous un courant d'azote à 700 C pendant 2 heures, pour obtenir un matériau C-L1FePO4 de grade batterie, puis on a séché sous vide à
100 C et on a stocké le matériau final en boîte à gant sous atmosphère d'argon à un point de rosée de -90 C. Le matériau a une surface spécifique de 13,4 m2/g et une teneur en carbone de 1,7% en poids.
Cette synthèse a été répétée avec des lots sélectionnés de FePO4 contenant plus ou moins de calcium comme impureté, le tableau ci-dessous donnant les teneurs en calcium (Ca) déterminés par microanalyses (torche à plasma) dans le produit final C-L1FePO4.
Échantillons C-LiFePO4 Teneur en Ca dans C-LiFePO4 (PPm) Ces synthèses ont été répétées avec des lots de FeP0.4 dont le Fe(II) est substitué par 5% atomique respectivement de magnésium (Mg) et de manganèse (Mn), et contenant du calcium présent comme impureté. Le tableau ci-dessous donne les teneurs en calcium (Ca) déterminés par microanalyses (torche à
plasma) dans les produits finaux C-LiFe0.95Mg0.05PO4 et C-LiFe0.95Mh0 o5PO4.
Échantillons Teneur en Ca dans Échantillons Teneur en Ca dans C-LiFe0.95Mg0mp04 C-LiFe095Mg0.05PO4 (PPm) C-L1Fe0.95Mn0.05PO4 C-LiFe0.95Mn0.05PO4 (PPrn) A-Mg 45 A-Mn 66 B-Mg 320 B-Mn 300 C-Mg 1200 C-Mn 1050 D-Mg 2950 D-Mn 3050 Exemple 2: Préparation de batteries lithium métal polymère Dans les différentes batteries assemblées dans cet exemple, les cathodes sont élaborées avec les matériaux de cathodes C-LiFePO4 obtenus à l'exemple 1.
Les batteries LMP ont été préparées selon le mode opératoire suivant. On a mélangé soigneusement pendant 1 heure, 2,06 g de C-LiFePO4, 1,654 g de poly(oxyde d'éthylène) ayant une masse moléculaire de 100 000 (fourni par Aldrich), et 334 mg de poudre de carbone Ketjenblack (fourni par Akzo-Nobel) dans l'acétonitrile, à l'aide de billes de zircone dans un mélangeur Turbula . Le mélange obtenu a ensuite été déposé sur une feuille d'aluminium portant un revêtement carboné (fournie par Exopack Advanced CoatingsTm), à l'aide d'un dispositif Gardner , le film déposé a été séché sous vide à 80 C pendant 12 heures, puis stocké en boîte à gants. Les cathodes contiennent 4 mg/cm2 de C-LiFePO4.
Des batteries Ai, Bi, Cl et D1 du type bouton ont été assemblées et scellées en boîte à gants pour chaque échantillons A, B, C et D, en utilisant les feuilles d'aluminium carbonées portant le revêtement contenant ces phosphates comme cathode, un film de lithium métallique comme anode et un film de poly(oxyde d'éthylène) contenant 30% en poids de LiTFSI (fourni par la société 3M).
Les batteries Ai, Bi, Cl et D1 ont été soumises à un cyclage intentiostatique à un régime de C/4 à 80 C entre 2 et 3,8 Volts vs Li+/Li . L'ASI a été
déterminée en début de décharge à un régime de C/4 par la méthode couramment utilisée de l'interruption de courant (1 seconde dans le présent cas), et ce au 5éme et au 100ème cycle. Les résultats indiqués (ASI en Ohm.cm2) dans le tableau ci-dessous confirment le rôle néfaste du calcium présent comme impureté dans C-LiFePO4 utilisé comme cathode d'une batterie de technologie lithium métal polymère.
Échantillons C-LiFePO4 AS! 5ème cycle AS! 100ème cycle Des batteries A1-Mg, B1-Mg, C1-Mg et Dl-Mg et respectivement A1-Mn, B1-Mn, Cl-Mn et Dl-Mn du type bouton ont été assemblées et scellées en boîte à gants pour chaque échantillons A-Mg, B-Mg, C-Mg et D-Mg et respectivement A-Mn, B-Mn, C-Mn et D-Mn, en utilisant les feuilles d'aluminium carbonées portant le revêtement contenant ces phosphates comme cathode, un film de lithium métallique comme anode et un film de poly(oxyde d'éthylène) contenant 30% en poids de LiTFSI (fourni par la société 3M).
Ces batteries ont été caractérisées à l'identique des batteries A1, B1, C1 et D1, on a pu également observer un accroissement similaire de l'ASI en corrélation avec la quantité de calcium présent comme impureté.
Bien que l'invention ait été décrite en détail en référence à certains modes de réalisation de celle-ci, les variations et les améliorations sont possibles sans sortir de l'esprit de l'invention. Tous les matériaux et (ou) les méthodes décrites et revendiquées ici peuvent être formulées et exécutées sans expérimentation excessive à la lumière de l'invention. Bien que les matériaux et les méthodes de cette invention ont été décrits en termes de modes de réalisation préférés, il sera évident pour l'homme du métier que les variations peuvent être appliquées au matériau et (ou) les méthodes et les étapes ou dans la séquence des étapes de la méthode décrite ci-dessus sans sortir du concept, de l'esprit et de la portée de l'invention. Tous les substituts du même genre et les modifications qui apparaîtront à
l'homme du métier sont réputés être dans l'esprit, la portée et le concept de l'invention tel que défini par les revendications en annexe.
la synthèse est effectuée en continu dans un four en contrôlant la composition de l'atmosphère gazeuse, la température de la réaction de synthèse et le taux du composé source c) relativement aux autres composés sources a), b) d) et e), pour imposer l'état d'oxydation du métal de transition au degré de valence voulu pour la constitution du composé de type AM(X04) le procédé comportant une étape de pyrolyse du composé e).
Dans ce mode de réalisation, le flux gazeux et le flux de produits solides circulent à contre-courant, dans des conditions optimales, le matériau C-AxM(X04)y récupéré à la sortie du four contient moins de environ 200 ppm d'eau.
Dans un mode de synthèse particulier, le composé source a) est un composé
de lithium choisi par exemple dans le groupe constitué par l'oxyde ou l'hydroxyde de lithium, le carbonate de lithium, le phosphate neutre Li3PO4, le phosphate acide LiH2PO4, l'ortho, le meta ou les poly silicates de lithium, le sulfate de lithium, l'oxalate de lithium et l'acétate de lithium, et un mélange quelconque de ceux-ci. Le composé source b) est un composé du fer choisi par exemple dans le groupe constitué par l'oxyde de fer(III) ou la magnétite, le phosphate de fer trivalent, l'hydroxyphosphate de fer et de lithium ou le nitrate de fer trivalent, le phosphate ferreux, la vivianite hydratée ou non Fe3(PO4)2, l'acétate de fer (CH3C00)2Fe, le sulfate de fer (FeSO4), l'oxalate de fer, le phosphate de fer et d'ammonium (NH4FePO4), et un mélange quelconque de ceux-ci. Le composé source c) est un composé du phosphore choisi par exemple dans le groupe constitué par l'acide phosphorique et ses esters, le phosphate neutre Li3PO4, le phosphate acide LiH2PO4, les phosphates mono- ou di-ammonique, le phosphate de fer trivalent, le phosphate de manganèse et d'ammonium (NH4MnPO4). Tous ces composés sont en outre source d'oxygène et certains d'entre eux sont sources d'au moins deux éléments parmi Li, Fe et P. Le dépôt de carbone sur la surface des particules d'oxyde complexe AM(X04)y est obtenu par pyrolyse d'un composé source e). La pyrolyse du composé e) peut être effectuée en même temps que la réaction de synthèse entre les composés a) à d) pour former le composé A.M(X04)y. Elle peut aussi être effectuée dans une étape consécutive à la réaction de synthèse.
Le dépôt de la couche de carbone conducteur à la surface des particules d'oxyde complexe AM(X04)y peut être obtenue par décomposition thermique de composés sources e) très variés. Un composé source approprié est un composé
qui est à l'état liquide ou à l'état gazeux, un composé qui peut être utilisé sous forme d'une solution dans un solvant liquide, ou un composé qui passe à l'état liquide ou gazeux au cours de sa décomposition thermique, de manière à enrober plus ou moins complètement les particules d'oxyde complexe.
Le composé source e) peut être choisi par exemple dans le groupe constitué
par les hydrocarbures liquides, solides ou gazeux, et leurs dérivés (en particulier les espèces polycycliques aromatiques telles que le goudron ou le brai), le pérylène et ses dérivés, les composés polyhydriques (par exemple les sucres et les hydrates de carbone, et leurs dérivés), les polymères, la cellulose, l'amidon et leurs esters et éthers, et un mélange quelconque de ceux-ci. Comme exemple de polymères, on peut citer les polyoléfines, les polybutadiènes, l'alcool polyvinylique, le polyvinyle butyrale, les produits de condensation des phénols (y compris ceux obtenus à
partir de réaction avec des aldéhydes), les polymères dérivés de l'alcool furfurylique, du styrène, du divinyl- benzène, du naphtalène, du pérylène, de l'acrylonitrile, et de l'acétate de vinyle.
Lorsque le composé e) est CO ou un hydrocarbure gazeux, il est soumis à
une dismutation, avantageusement catalysée par un élément métal de transition présent dans au moins un des précurseurs a) à c), ou par un composé d'un métal de transition ajouté au mélange de précurseurs.
Lorsque le composé source e) est un gaz ou un mélange de gaz tels que l'éthylène, le propylène, l'acétylène, le butane, le 1,3 butadiène, ou le 1-butène, la décomposition thermique est effectuée par craquage dans un four à une température entre environ 100 et environ 1300 C, et plus particulièrement entre environ 400 et environ 1200 C, de préférence en présence d'un gaz porteur inerte.
(Cf. par exemple US 2002/195591 et US 2004/157126).
Le dépôt de carbone peut en outre être effectué par CVD à partir d'hydrocarbures, comme décrit dans JP 2006-302671.
Dans un mode de synthèse particulier le matériau C-LiFePO4 est préparé par un procédé thermique à l'état solide à partir du phosphate de fer (FePO4), de carbonate de lithium (Li2CO3) et d'un composé organique source de carbone.
Un matériau C-AM(X04)y selon l'invention est particulièrement utile comme cathode dans une batterie de technologie lithium métal polymère (LMP), utilisant une anode de lithium métallique et un électrolyte solide polymère plastifié ou non.
Dans un mode de réalisation particulier, la cathode est constituée de préférence par un matériau composite appliqué sur un collecteur, le matériau composite comprenant C-AxM(X04)y, un polymère solvatant salifié ou non comme liant, de préférence le polymère qui forme le solvant de l'électrolyte, et un matériau favorisant la conduction électronique. Le matériau favorisant la conduction électronique est choisi avantageusement parmi le noir de carbone (Ketjenblack, etc.), le graphite, les fibres de carbone (par exemple sous forme de nanotubes de carbones ou de fibres VGCF (Vapor Grown Carbon Fiber) dont la croissance est effectuée en phase gazeuse, les nanotubes de carbone et le graphene.
Le polymère solvatant est choisi avantageusement parmi les polymères comprenant des segments polyéthers, la dissolution d'un sel de lithium dans ce polymère permettant de préparer un électrolyte polymère solide. Comme exemples de polyéthers utilisables dans le cadre de la présente invention pour former l'électrolyte, on peut citer le poly(oxyde d'éthylène) et les copolymères qui sont obtenus à partir d'oxyde d'éthylène et d'au moins un oxirane substitué, et qui comprennent au moins 60% d'unités récurrentes -CH2-CH20- dérivées de l'oxyde d'éthylène. Les unités récurrentes dérivées d'un oxirane substitué peuvent être des unités -0-CH2-CHR- (dérivées d'un oxirane CH2-CHR-0) dans lesquelles R est un radical alkyle, choisi de préférence parmi les radicaux alkyles ayant de 1 à
atomes de carbone, plus préférentiellement parmi les radicaux alkyles ayant de 1 à
8 atomes de carbone. Les unités récurrentes dérivées d'un oxirane substitué
peuvent en outre être des unités -0-CH2-CHR- (dérivées d'un oxirane CH2-CHR1-0), dans lesquelles R' est un groupement capable de polymériser par voie radicalaire. Un tel groupement peut être choisi parmi ceux qui comportent une double liaison, par exemple un groupe vinyle, allyle, vinylbenzyle ou acryloyle.
Comme exemples de tels groupements, on peut citer les groupements qui répondent à la formule CH2=CH-(C1-12),1-(0-CH2)p- avec 1 <q <6 et p = 0 ou 1, ou à
la formule CH3-(CH2)y-CH=CH-(CH2)x-(OCH2)p-, avec 0 < x+y < 5 et p = 0 ou 1.
Un polyether utile pour la présente invention peut comporter des unités récurrentes dérivées de divers oxiranes substitués. Dans un mode de réalisation, le polyether utilisé selon la présente invention comporte des unités récurrentes dérivées d'au moins un oxirane substitué dans lequel le substituant comprend une fonction polymérisable. A titre d'exemple, on peut citer l'allylglycidyléther.
L'électrolyte polymère peut également être constitué par un mélange de polymères, par exemple sans limitation, par le mélange d'un polymère solvatant et d'un polymère non-solvatant et/ou au moins partiellement soluble dans le polymère solvatant (Cf. FR 2,881,275 et WO 2009/079757).
Dans un mode de réalisation particulier, le sel de lithium peut être choisi notamment parmi L1PF6, LiAsF6, LiC104, L1BF4, L1C4608, Li(C2F6S02)2N, Li[(C2F6)3PF3], LiCF3S03, LiCH3S03, LiN(SO2F) et LiN(SO2CF3)2.
L'électrolyte polymère ainsi formé peut être optionnellement plastifié par au plus 30% en poids d'un solvant liquide, un plastifiant ou un polymère de faible masse.
La capacité de la cathode est couramment exprimée en mg de matière électroactive par cm2 de la surface de la cathode.
La cathode est élaborée à partir d'un matériau C-AxM(X04)y de la présente invention ayant une teneur en calcium présent comme impureté inférieure à
environ 1000 ppm, de préférence inférieure à environ 500 ppm, préférablement inférieure à
environ 300 ppm, plus particulièrement inférieure à environ 100 ppm.
Un matériau C-LiFePO4 et un matériau C-LiMPO4 dans lequel M représente au moins 70% atomique de Fe partiellement remplacé par Mn, Nb ou Mg sont particulièrement préférés comme matière active de cathode.
Ce qui précède est considéré comme une illustration des principes de l'invention. En outre, puisque de nombreuses modifications et changements apparaîtront à l'homme du métier, il n'est pas souhaitable de limiter l'invention aux exemples précis et aux réalisations représentés et décrits, et, par conséquent, toutes les modifications appropriées et équivalentes peuvent être invoquées, relevant de la portée de l'invention.
Exemples Le procédé selon l'invention a été mis en oeuvre de manière comparative avec les techniques de l'art antérieur, afin de démontrer qu'une très faible teneur en calcium présent comme impureté avait un effet favorable sur les performances du matériau C-AxM(X04)y utilisé comme matériau de cathode dans une batterie de technologie lithium métal polymère.
Exemple 1 : Synthèse de C-LiFePO4 par une voie thermique à l'état solide On a préparé un mélange contenant FePO4.(H20)2 (1 mole) et Li2CO3 (1 mole, taux de pureté : 99,9%), et 5% de polyéthylène-block-poly(éthylène glycol) contenant 50% d'oxyde d'éthylène, on l'a introduit dans de l'alcool isopropylique et on a mélangé pendant environ 10 h, puis on a éliminé le solvant. Dans le matériau ainsi obtenu, le polymère maintient ensemble les particules de phosphate et de carbonate.
On a traité le mélange sous un courant d'azote à 700 C pendant 2 heures, pour obtenir un matériau C-L1FePO4 de grade batterie, puis on a séché sous vide à
100 C et on a stocké le matériau final en boîte à gant sous atmosphère d'argon à un point de rosée de -90 C. Le matériau a une surface spécifique de 13,4 m2/g et une teneur en carbone de 1,7% en poids.
Cette synthèse a été répétée avec des lots sélectionnés de FePO4 contenant plus ou moins de calcium comme impureté, le tableau ci-dessous donnant les teneurs en calcium (Ca) déterminés par microanalyses (torche à plasma) dans le produit final C-L1FePO4.
Échantillons C-LiFePO4 Teneur en Ca dans C-LiFePO4 (PPm) Ces synthèses ont été répétées avec des lots de FeP0.4 dont le Fe(II) est substitué par 5% atomique respectivement de magnésium (Mg) et de manganèse (Mn), et contenant du calcium présent comme impureté. Le tableau ci-dessous donne les teneurs en calcium (Ca) déterminés par microanalyses (torche à
plasma) dans les produits finaux C-LiFe0.95Mg0.05PO4 et C-LiFe0.95Mh0 o5PO4.
Échantillons Teneur en Ca dans Échantillons Teneur en Ca dans C-LiFe0.95Mg0mp04 C-LiFe095Mg0.05PO4 (PPm) C-L1Fe0.95Mn0.05PO4 C-LiFe0.95Mn0.05PO4 (PPrn) A-Mg 45 A-Mn 66 B-Mg 320 B-Mn 300 C-Mg 1200 C-Mn 1050 D-Mg 2950 D-Mn 3050 Exemple 2: Préparation de batteries lithium métal polymère Dans les différentes batteries assemblées dans cet exemple, les cathodes sont élaborées avec les matériaux de cathodes C-LiFePO4 obtenus à l'exemple 1.
Les batteries LMP ont été préparées selon le mode opératoire suivant. On a mélangé soigneusement pendant 1 heure, 2,06 g de C-LiFePO4, 1,654 g de poly(oxyde d'éthylène) ayant une masse moléculaire de 100 000 (fourni par Aldrich), et 334 mg de poudre de carbone Ketjenblack (fourni par Akzo-Nobel) dans l'acétonitrile, à l'aide de billes de zircone dans un mélangeur Turbula . Le mélange obtenu a ensuite été déposé sur une feuille d'aluminium portant un revêtement carboné (fournie par Exopack Advanced CoatingsTm), à l'aide d'un dispositif Gardner , le film déposé a été séché sous vide à 80 C pendant 12 heures, puis stocké en boîte à gants. Les cathodes contiennent 4 mg/cm2 de C-LiFePO4.
Des batteries Ai, Bi, Cl et D1 du type bouton ont été assemblées et scellées en boîte à gants pour chaque échantillons A, B, C et D, en utilisant les feuilles d'aluminium carbonées portant le revêtement contenant ces phosphates comme cathode, un film de lithium métallique comme anode et un film de poly(oxyde d'éthylène) contenant 30% en poids de LiTFSI (fourni par la société 3M).
Les batteries Ai, Bi, Cl et D1 ont été soumises à un cyclage intentiostatique à un régime de C/4 à 80 C entre 2 et 3,8 Volts vs Li+/Li . L'ASI a été
déterminée en début de décharge à un régime de C/4 par la méthode couramment utilisée de l'interruption de courant (1 seconde dans le présent cas), et ce au 5éme et au 100ème cycle. Les résultats indiqués (ASI en Ohm.cm2) dans le tableau ci-dessous confirment le rôle néfaste du calcium présent comme impureté dans C-LiFePO4 utilisé comme cathode d'une batterie de technologie lithium métal polymère.
Échantillons C-LiFePO4 AS! 5ème cycle AS! 100ème cycle Des batteries A1-Mg, B1-Mg, C1-Mg et Dl-Mg et respectivement A1-Mn, B1-Mn, Cl-Mn et Dl-Mn du type bouton ont été assemblées et scellées en boîte à gants pour chaque échantillons A-Mg, B-Mg, C-Mg et D-Mg et respectivement A-Mn, B-Mn, C-Mn et D-Mn, en utilisant les feuilles d'aluminium carbonées portant le revêtement contenant ces phosphates comme cathode, un film de lithium métallique comme anode et un film de poly(oxyde d'éthylène) contenant 30% en poids de LiTFSI (fourni par la société 3M).
Ces batteries ont été caractérisées à l'identique des batteries A1, B1, C1 et D1, on a pu également observer un accroissement similaire de l'ASI en corrélation avec la quantité de calcium présent comme impureté.
Bien que l'invention ait été décrite en détail en référence à certains modes de réalisation de celle-ci, les variations et les améliorations sont possibles sans sortir de l'esprit de l'invention. Tous les matériaux et (ou) les méthodes décrites et revendiquées ici peuvent être formulées et exécutées sans expérimentation excessive à la lumière de l'invention. Bien que les matériaux et les méthodes de cette invention ont été décrits en termes de modes de réalisation préférés, il sera évident pour l'homme du métier que les variations peuvent être appliquées au matériau et (ou) les méthodes et les étapes ou dans la séquence des étapes de la méthode décrite ci-dessus sans sortir du concept, de l'esprit et de la portée de l'invention. Tous les substituts du même genre et les modifications qui apparaîtront à
l'homme du métier sont réputés être dans l'esprit, la portée et le concept de l'invention tel que défini par les revendications en annexe.
Claims (25)
1. Matériau C-AMXO4 constitué par des particules d'un composé répondant à
la formule AMXO4 qui ont une structure olivine et qui portent sur au moins une partie de leur surface un film de carbone non-poudreux, la formule AMXO4 étant telle que :
- A représente Li, seul ou partiellement remplacé par au plus 10% atomique de Na ou K;
- M représente Fe(ll), seul ou partiellement remplacé par au plus 20%
atomique d'un ou plusieurs autres métaux choisis parmi Mn, Ni et Co, et/ou par au plus 10% atomique d'un ou plusieurs métaux aliovalents ou isovalents autres que Mn, Ni ou Co, et/ou par au plus 5% atomique de Fe(lll);
- XO4 représente PO4 seul ou partiellement remplacé par au plus 10% molaire d'au moins un groupe choisi parmi SO4 et SiO4;
où le dit matériau a une teneur en calcium présent comme impureté à la surface du matériau C-AMXO4 inférieure à 1000 ppm.
la formule AMXO4 qui ont une structure olivine et qui portent sur au moins une partie de leur surface un film de carbone non-poudreux, la formule AMXO4 étant telle que :
- A représente Li, seul ou partiellement remplacé par au plus 10% atomique de Na ou K;
- M représente Fe(ll), seul ou partiellement remplacé par au plus 20%
atomique d'un ou plusieurs autres métaux choisis parmi Mn, Ni et Co, et/ou par au plus 10% atomique d'un ou plusieurs métaux aliovalents ou isovalents autres que Mn, Ni ou Co, et/ou par au plus 5% atomique de Fe(lll);
- XO4 représente PO4 seul ou partiellement remplacé par au plus 10% molaire d'au moins un groupe choisi parmi SO4 et SiO4;
où le dit matériau a une teneur en calcium présent comme impureté à la surface du matériau C-AMXO4 inférieure à 1000 ppm.
2. Matériau selon la revendication 1, où la teneur en calcium présent comme impureté à la surface du matériau C-AMXO4 est inférieure à 500 ppm.
3. Matériau selon la revendication 1, où la teneur en calcium présent comme impureté à la surface du matériau C-AMXO4 est inférieure à 300 ppm.
4. Matériau selon la revendication 1, où la teneur en calcium présent comme impureté à la surface du matériau C-AMXO4 est inférieure à 100 ppm.
5. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, où lesdits un ou plusieurs métaux aliovalents ou isovalents sont choisis parmi Mg, Mo, Nb, Ti, Al, Ta, Ge, La, Y, Yb, Sm, Ce, Cu, Hf, Cr, Zr, Bi, Zn, Ca et W.
6. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, où le film de carbone est uniforme et adhérent à la surface de la particule respective.
7. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, où le film de carbone représente de 0,03 à 15% en poids par rapport au poids total.
8. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, où le calcium est principalement sous la forme d'un phosphate de calcium.
9. Matériau selon la revendication 8, qui où le calcium est principalement sous la forme d'un phosphate de calcium comprenant du lithium.
10. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, où le matériau C-AMXO4 est C-LiFePO4.
11. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, qui est constitué par des particules élémentaires et des agglomérats de particules élémentaires.
12. Matériau selon la revendication 11, où la dimension des particules élémentaires est comprise entre 10 nm et 3 µm et la dimension des agglomérats est comprise entre 100 nm et 30 µm.
13. Matériau selon la revendication 12, où le matériau a une surface spécifique entre m2/g et 50 m2/g.
14. Matériau selon la revendication 11, où la dimension des particules élémentaires est comprise entre 1 et 5 µm.
15. Matériau selon la revendication 11, où la dimension des agglomérats est comprise entre 1 et 10 µm.
16. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, où le matériau C-AMXO4 est composé de particules élémentaires et d'agglomérats de particules élémentaires, où les particules élémentaires ont une distribution de tailles de particules D50 comprise entre 1 µm et 5 µm et où les agglomérats ont une distribution de taille de particule D50 comprise entre 1 µm et 10 µm.
17. Électrode constituée par un film de matériau composite déposé sur un substrat conducteur formant collecteur de courant, où ledit matériau composite est constitué par un matériau C-AMXO4 selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, un liant et un composé conducteur électronique.
18. Électrode selon la revendication 17, où le liant est un polymère composé d'au moins de 70% d'unités récurrentes -CH2-CH2O- dérivées de l'oxyde d'éthylène.
19. Électrode selon la revendication 18, où un sel de lithium est dissous dans l'électrolyte.
20. Électrode selon la revendication 19, où le sel de lithium comprend LiN(SO2CF3)2.
21. Batterie constituée par une anode de lithium métallique, une cathode et un électrolyte polymère, où la cathode comprend le matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 16.
22. Batterie constituée par une anode de lithium métallique, une cathode et un électrolyte polymère, où la cathode est constituée par un film de matériau composite déposé sur un substrat conducteur formant collecteur de courant, où
ledit matériau composite est constitué par un matériau C-AMXO4 selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, un liant et un composé conducteur électronique.
ledit matériau composite est constitué par un matériau C-AMXO4 selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, un liant et un composé conducteur électronique.
23. Batterie selon la revendication 21 ou 22, où l'électrolyte est un polymère composé au moins de 70% d'unités récurrentes -CH2-CH2O- dérivées de l'oxyde d'éthylène.
24. Batterie selon la revendication 23, où un sel de lithium est dissous dans l'électrolyte.
25. Batterie selon la revendication 24, où le sel de lithium comprend LiN(SO2CF3)2.
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