CA3179099A1 - Inorganic compounds with an argyrodite-type structure, their preparation methods and their use in electrochemical applications - Google Patents
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Classifications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
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- C01B17/22—Alkali metal sulfides or polysulfides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
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-
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-
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-
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- H01M6/14—Cells with non-aqueous electrolyte
- H01M6/18—Cells with non-aqueous electrolyte with solid electrolyte
Abstract
La présente technologie concerne des composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite à base d'un métal alcalin obtenu par un procédé de préparation comprenant une étape de broyage de sulfure du métal alcalin, de sulfate du métal alcalin, de pentasulfure de phosphore et d'un halogénure du métal alcalin. Aussi décrits sont des matériaux d'électrodes, des électrodes, des électrolytes comprenant lesdits composé inorganique possédant une structure de type argyrodite et leurs utilisations dans des cellules électrochimiques, par exemple, dans des accumulateurs électrochimiques, notamment dans des batteries dites tout solide.The present technology relates to inorganic compounds having an argyrodite type structure based on an alkali metal obtained by a preparation process comprising a step of grinding alkali metal sulfide, alkali metal sulfate, phosphorus pentasulfide and an alkali metal halide. Also described are electrode materials, electrodes, electrolytes comprising said inorganic compound having an argyrodite type structure and their uses in electrochemical cells, for example, in electrochemical accumulators, in particular in so-called all-solid-state batteries.
Description
COMPOSÉS INORGANIQUES POSSÉDANT UNE STRUCTURE DE TYPE
ARGYRODITE, LEURS PROCÉDÉS DE PRÉPARATION ET LEURS UTILISATIONS
DANS DES APPLICATIONS ÉLECTROCHIMIQUES
DOMAINE TECHNIQUE
La présente demande se rapporte au domaine des composés inorganiques à base d'oxysulfures possédant une structure de type argyrodite et à leurs utilisations dans des applications électrochimiques. Plus particulièrement, la présente demande se rapporte au domaine des composés inorganiques à base d'oxysulfure possédant une structure de type argyrodite, aux matériaux d'électrodes et aux électrolytes solides les comprenant, à leurs procédés de production et à leurs utilisations dans les cellules électrochimiques, notamment dans des batteries dites tout solide.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Les composés inorganiques tels que les céramiques, verres et vitrocéramiques à
base de sulfure sont des matériaux prometteurs pour de nombreuses applications technologiques puisqu'ils permettent le développement de systèmes électrochimiques à l'état tout solide qui sont substantiellement plus sécuritaires.
De plus, les composés inorganiques à base de sulfure présentent une large fenêtre de stabilité électrochimique et une conductivité ionique substantiellement plus élevée à
température ambiante. En effet, les électrolytes solides inorganiques les comprenant présentent des conductivités ioniques à température ambiante comparables à
celles des électrolytes organiques liquides, et donc, substantiellement plus élevées que celles de leurs homologues basés sur l'utilisation d'électrolytes polymères solides. Par exemple, l'argyrodite de formule Li6PS5X (dans laquelle, X est Cl, Br ou I) présente une conductivité
ionique à température ambiante de l'ordre du mS.cm-1.
Cependant, l'utilisation des composés inorganiques de type argyrodite est limitée par leur coût de production élevé notamment en raison de l'utilisation de sulfure de lithium (Li2S) en tant que précurseur et source de soufre et d'une étape de recuit à haute température permettant l'obtention de conductivités ioniques intéressantes. L'un des éléments clés des exigences industrielles liées à la production de ce type de composés inorganiques est Date Reçue/Date Received 2022-10-12 donc de minimiser les coûts en abaissant le taux d'utilisation de Li2S et la température de recuit tout en conservant une conductivité ionique considérablement élevée.
De plus, les composés inorganiques de type argyrodite sont associés à des problèmes liés à leur stabilité interfaciale ainsi qu'a leur stabilité à l'air ambiant et humidité. Plus précisément, ces électrolytes solides inorganiques génèrent du sulfure d'hydrogène (H2S) gazeux au contact d'air humide et doivent donc être préparés, assemblés et opérés sous atmosphère inerte. Une stratégie employée pour solutionner ce problème comprend l'utilisation de composé inorganique de type argyrodite à base d'oxysulfure.
En effet, une substitution atomique partielle du soufre et/ou du lithium dans ces composés inorganiques par de l'oxygène engendrerait une diminution significative de la génération de H2S en présence d'humidité.
Par conséquent, il existe toujours un besoin pour le développement de composés inorganiques pour utilisation dans des systèmes électrochimiques à l'état tout solide excluant un ou plusieurs des inconvénients mentionnés ci-dessus.
SOMMAIRE
Selon certains aspects, des modes de réalisation de la technologie telle qu'ici décrite comprennent les items suivants :
1. Un procédé de préparation d'un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite à base d'un métal alcalin, le procédé comprenant une étape de broyage de sulfure du métal alcalin, de sulfate du métal alcalin, de pentasulfure de phosphore et d'un halogénure du métal alcalin, dans lequel le métal alcalin est choisi parmi le lithium, le sodium et le potassium, par exemple, le métal alcalin est le lithium. INORGANIC COMPOUNDS HAVING A LIKE STRUCTURE
ARGYRODITE, THEIR PREPARATION PROCESSES AND THEIR USES
IN ELECTROCHEMICAL APPLICATIONS
TECHNICAL AREA
The present application relates to the field of inorganic compounds based of oxysulphides having an argyrodite type structure and their uses in electrochemical applications. More particularly, the present request is relates to field of inorganic oxysulfide compounds having a structure Of type argyrodite, electrode materials and solid electrolytes understanding, to their production processes and their uses in cells electrochemical, particularly in so-called solid-state batteries.
STATE OF THE TECHNIQUE
Inorganic compounds such as ceramics, glasses and glass ceramics base of sulfide are promising materials for many applications technological since they allow the development of electrochemical systems in the state all solid which are substantially safer.
Additionally, inorganic sulfide compounds exhibit a wide window of electrochemical stability and substantially higher ionic conductivity elevated to ambient temperature. Indeed, solid inorganic electrolytes including present ionic conductivities at room temperature comparable to those of liquid organic electrolytes, and therefore, substantially higher than those of their counterparts based on the use of solid polymer electrolytes. By example, the argyrodite of formula Li6PS5X (in which, X is Cl, Br or I) presents a conductivity ionic at room temperature of the order of mS.cm-1.
However, the use of inorganic compounds of the argyrodite type is limited by their high production cost, particularly due to the use of sulphide lithium (Li2S) as a precursor and source of sulfur and an annealing step at high temperature allowing interesting ionic conductivities to be obtained. One of the key elements of industrial requirements related to the production of this type of compounds inorganic is Date Received/Date Received 2022-10-12 therefore to minimize costs by lowering the rate of use of Li2S and the temperature of annealed while maintaining significantly high ionic conductivity.
In addition, inorganic compounds of the argyrodite type are associated with problems linked to their interfacial stability as well as their stability in ambient air and humidity. More precisely, these inorganic solid electrolytes generate sulfide hydrogen (H2S) gaseous in contact with humid air and must therefore be prepared, assembled and operated under inert atmosphere. A strategy used to solve this problem understand the use of an inorganic compound of the argyrodite type based on oxysulfide.
Indeed, a partial atomic substitution of sulfur and/or lithium in these compounds inorganic by oxygen would cause a significant reduction in the generation of H2S in presence of humidity.
Therefore, there is still a need for the development of compounds inorganic compounds for use in electrochemical systems in their whole state solid excluding one or more of the disadvantages mentioned above.
SUMMARY
In some aspects, embodiments of the technology such as described here include the following items:
1. A process for preparing an inorganic compound having a structure of argyrodite type based on an alkali metal, the process comprising a step of grinding of alkali metal sulfide, alkali metal sulfate, pentasulfide phosphorus and an alkali metal halide, in which the alkali metal is chosen among lithium, sodium and potassium, for example, the alkali metal is THE
lithium.
2. Procédé selon l'item 1, dans lequel l'halogénure du métal alcalin est choisi parmi le fluorure du métal alcalin, le chlorure du métal alcalin, le bromure du métal alcalin, l'iodure du métal alcalin et un mélange d'au moins deux de ceux-ci. 2. Process according to item 1, in which the alkali metal halide is chosen from the alkali metal fluoride, alkali metal chloride, metal bromide alkaline, alkali metal iodide and a mixture of at least two of these.
3. Procédé selon l'item 2, dans lequel l'halogénure du métal alcalin est le chlorure du métal alcalin.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 3. Process according to item 2, in which the alkali metal halide is the chloride alkali metal.
Date Received/Date Received 2022-10-12
4. Procédé selon l'item 2, dans lequel l'halogénure du métal alcalin est le bromure du métal alcalin. 4. Process according to item 2, in which the alkali metal halide is the bromide of alkali metal.
5. Procédé selon l'item 2, dans lequel l'halogénure du métal alcalin est l'iodure du métal alcalin. 5. Process according to item 2, in which the alkali metal halide is the iodide of alkali metal.
6. Procédé selon l'item 2, dans lequel l'halogénure du métal alcalin est un mélange de chlorure du métal alcalin et de bromure du métal alcalin. 6. Process according to item 2, in which the alkali metal halide is a mix of alkali metal chloride and alkali metal bromide.
7. Procédé selon l'item 2, dans lequel l'halogénure du métal alcalin est un mélange de chlorure du métal alcalin, de bromure du métal alcalin et de l'iodure du métal alcalin. 7. Process according to item 2, in which the alkali metal halide is a mix of alkali metal chloride, alkali metal bromide and metal iodide alkaline.
8. Procédé selon l'un quelconque des items 1 à 7, dans lequel la structure de type argyrodite est de formule M6_õPS5_,_yOyZi,,, dans laquelle M est le métal alcalin choisi parmi Li, Na et K, par exemple M est Li, Z est un atome d'halogène choisi parmi F, Cl, Br et 1 et x et y sont des nombres différents de zéro sélectionnés pour atteindre l'électroneutralité (par exemple, 0 <x 1 et 0 <y 1). 8. Method according to any one of items 1 to 7, in which the structure Of type argyrodite has the formula M6_õPS5_,_yOyZi,,, in which M is the metal alkaline chosen from Li, Na and K, for example M is Li, Z is a chosen halogen atom among F, Cl, Br and 1 and x and y are non-zero numbers selected for reach electroneutrality (for example, 0 <x 1 and 0 <y 1).
9. Procédé selon l'item 8, dans lequel la structure de type argyrodite est choisi parmi les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules M6,4PS4,300,1C11,6, M5,4PS4,100,30 1,6, M5,4PS3,900,501,6, M5,4PS3,6500,750 1,6, M5,7PS4,400,301,3, M5,4PS4,100,3C11,6, M5,4PS3,900,50 1,6, M5,4PS4,100,3Br1,6, M5,4PS4,1 00,30 Br0,6 , M5,4PS4,100,300,8Br0,8, M5,4PS4,100,300,6Br, M5,4PS4,1 00,30 Br0,510,1 , M5,4PS4,100,300,75Br0,7510,1, M5,4PS4,100,300,7Bro,710,2 et M5,4PS4,100,3CIBro,410,2, dans lesquelles M est tel qu'ici défini à l'item 8. 9. Method according to item 8, in which the argyrodite type structure is chosen from inorganic compounds having an argyrodite type structure of formulas M6,4PS4,300,1C11.6, M5,4PS4,100,30 1.6, M5.4PS3.900.501.6, M5.4PS3.6500.750 1.6, M5.7PS4.400.301.3, M5.4PS4.100.3C11.6, M5.4PS3.900.50 1.6, M5.4PS4.100.3Br1.6, M5,4PS4,1 00.30 Br0.6, M5,4PS4,100,300.8Br0.8, M5,4PS4,100,300,6Br, M5.4PS4.1 00.30 Br0.510.1, M5.4PS4.100.300.75Br0.7510.1, M5,4PS4,100,300,7Bro,710,2 and M5,4PS4,100,3CIBro,410,2, in which M is as defined here in item 8.
10. Procédé selon l'item 8, dans lequel la structure de type argyrodite est choisi parmi les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules Li6,4PB4,300,1C11,6, Li6,4PB4,100,3C11,6, Li5,4PS3,900,5C11,6, Li5,4PS3,6500,750 1,6, Li5,7PS4,400,3C11,3, Li5,4PS4,100,301,6, Li5,4PS3,900,50 1,6, Li5APS4,100,3Br1,6, Li5APS4,100,3CIBro,6, Li5APS4,100,3C10,8Bro,8, Li5APS4,100,3C10,6Br, Li5APS4,100,3C1Bro,5101, Li5APS4,100,3C10,75Bro,75101, Li5APS4,100,300,7Bro,710,2 et Li5,4PS4,100,3C1Bro,410,2. 10. Method according to item 8, in which the argyrodite type structure is chosen from inorganic compounds having an argyrodite type structure of formulas Li6,4PB4,300,1C11,6, Li6,4PB4,100,3C11,6, Li5.4PS3.900.5C11.6, Li5.4PS3.6500.750 1.6, Li5,7PS4,400,3C11,3, Li5,4PS4,100,301,6, Li5.4PS3.900.50 1.6, Li5APS4.100.3Br1.6, Li5APS4,100,3CIBro,6, Li5APS4,100,3C10,8Bro,8, Li5APS4,100,3C10,6Br, Li5APS4,100,3C1Bro,5101, Li5APS4,100,3C10,75Bro,75101, Li5APS4,100,300,7Bro,710,2 and Li5,4PS4,100,3C1Bro,410,2.
11. Procédé selon l'un quelconque des items 1 à 7, dans lequel la structure de type argyrodite est de formule M6_x_zyPS6_x_yOyZi+x, dans laquelle M est le métal alcalin choisi parmi Li, Na et K, par exemple M est Li, Z est un atome d'halogène choisi Date Reçue/Date Received 2022-10-12 parmi F, Cl, Br et I et x et y sont des nombres différents de zéro (par exemple, 0 <
x 1 et 0 < y 1). 11. Method according to any one of items 1 to 7, in which the structure of kind argyrodite has the formula M6_x_zyPS6_x_yOyZi+x, in which M is the metal alkaline chosen from Li, Na and K, for example M is Li, Z is a halogen atom selected Date Received/Date Received 2022-10-12 among F, Cl, Br and I and x and y are numbers other than zero (by example, 0 <
x 1 and 0 < y 1).
12. Procédé selon l'item 11, dans lequel la structure de type argyrodite déficiente en lithium est choisie parmi les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules M5,2PS4,300,1C11,6, M5,1 PS4,400,301,3 et M4,8PB4,100,3C11,6, dans lesquelles M est tel qu'ici défini à l'item 11. 12. Method according to item 11, in which the argyrodite type structure deficient in lithium is chosen from inorganic compounds having a structure of argyrodite type with formulas M5,2PS4,300,1C11.6, M5.1 PS4,400,301.3 and M4,8PB4,100,3C11,6, in which M is as defined here in item 11.
13. Procédé selon l'item 12, dans lequel la structure de type argyrodite est choisi parmi les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules Li5,2PS4,300,1C11,6, Li5,1PB4,400,3C11,3 et Li4,8PS4,100,3C11,6. 13. Method according to item 12, in which the argyrodite type structure is chosen from inorganic compounds having an argyrodite type structure of formulas Li5,2PS4,300,1C11,6, Li5,1PB4,400,3C11,3 and Li4,8PS4,100,3C11,6.
14. Procédé selon l'un quelconque des items 1 à 13, dans lequel l'étape de broyage est effectuée en utilisant un broyeur planétaire. 14. Method according to any one of items 1 to 13, in which the step of grinding is carried out using a planetary mill.
15.
Procédé selon l'un quelconque des items 1 à 14, dans lequel l'étape de broyage est effectuée à une vitesse de rotation comprise dans l'intervalle allant d'environ 500 rpm à environ 700 rpm. 15.
Process according to any one of items 1 to 14, in which the grinding step East carried out at a rotation speed included in the interval going about 500 rpm to approximately 700 rpm.
16. Procédé selon l'un quelconque des items 1 à 14, dans lequel l'étape de broyage est effectuée à une vitesse de rotation d'environ 600 rpm. 16. Method according to any one of items 1 to 14, in which the step of grinding is carried out at a rotation speed of approximately 600 rpm.
17. Procédé selon l'un quelconque des items 1 à 15, dans lequel l'étape de broyage est effectuée pendant environ 10 heures. 17. Method according to any one of items 1 to 15, in which the step of grinding is carried out for approximately 10 hours.
18. Procédé selon l'un quelconque des items 1 à 17, dans lequel l'étape de broyage est effectuée dans un ratio billes de broyage : précurseurs d'environ 30. 18. Method according to any one of items 1 to 17, in which the step of grinding is carried out in a grinding ball: precursor ratio of approximately 30.
19. Procédé selon l'un quelconque des items 1 à 18, lequel comprend en outre une étape de recuit effectuée à une température maximale d'environ 300 C. 19. Method according to any one of items 1 to 18, which further comprises a annealing step carried out at a maximum temperature of approximately 300 C.
20. Procédé selon l'un quelconque des items 1 à 18, lequel est exempt d'une étape de recuit. 20. Process according to any one of items 1 to 18, which is free from a stage of annealed.
21. Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite obtenu selon le procédé tel que défini à l'un quelconque des items 1 à 20.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 21. An inorganic compound having an argyrodite type structure obtained according to the process as defined in any of items 1 to 20.
Date Received/Date Received 2022-10-12
22. Un matériau d'électrode comprenant un matériau électrochimiquement actif et un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite tel que défini à
l'item 21 ou obtenu selon le procédé tel que défini à l'un quelconque des items 1 à
20. 22. An electrode material comprising an electrochemically active material and one inorganic compound having an argyrodite type structure as defined has item 21 or obtained according to the process as defined in any one of the items 1 to 20.
23. Matériau d'électrode selon l'item 22, dans lequel le composé inorganique possédant une structure de type argyrodite est présent en tant qu'additif. 23. Electrode material according to item 22, in which the inorganic compound possessing an argyrodite-like structure is present as an additive.
24. Matériau d'électrode selon l'item 22 ou 23, dans lequel le composé
inorganique possédant une structure de type argyrodite est présent en tant que matériau de revêtement. 24. Electrode material according to item 22 or 23, in which the compound inorganic having an argyrodite type structure is present as a material of coating.
25. Matériau d'électrode selon l'item 24, dans lequel le matériau de revêtement forme une couche de revêtement sur la surface du matériau électrochimiquement actif. 25. Electrode material according to item 24, in which the material of shape covering a coating layer on the surface of the electrochemically active material.
26. Matériau d'électrode selon l'un quelconque des items 22 à 25, dans lequel le matériau électrochimiquement actif est choisi parmi oxyde de métal, un sulfure de métal, un oxysulfure de métal, un phosphate de métal, un fluorophosphate de métal, un oxyfluorophosphate de métal, un sulfate de métal, un halogénure de métal, un fluorure de métal, du soufre, du sélénium et une combinaison d'au moins deux de ceux-ci. 26. Electrode material according to any one of items 22 to 25, in which THE
electrochemically active material is chosen from metal oxide, a sulfide of metal, a metal oxysulfide, a metal phosphate, a fluorophosphate of metal, a metal oxyfluorophosphate, a metal sulfate, a metal halide, A
metal fluoride, sulfur, selenium and a combination of two or more of these.
27. Matériau d'électrode selon l'item 26, dans lequel le métal du matériau électrochimiquement actif est choisi parmi le titane (Ti), le fer (Fe), le manganèse (Mn), le vanadium (V), le nickel (Ni), le cobalt (Co), l'aluminium (AI), le chrome (Cr), le cuivre (Cu), le zirconium (Zr), le niobium (Nb) et une combinaison d'au moins deux de ceux-ci. 27. Electrode material according to item 26, in which the metal of the material electrochemically active is chosen from titanium (Ti), iron (Fe), manganese (Mn), vanadium (V), nickel (Ni), cobalt (Co), aluminum (AI), chromium (Cr), copper (Cu), zirconium (Zr), niobium (Nb) and a combination of au less two of these.
28. Matériau d'électrode selon l'item 26 ou 27, dans lequel le métal du matériau électrochimiquement actif comprend en outre un métal alcalin ou alcalino-terreux choisi parmi le lithium (Li), le sodium (Na), le potassium (K) et le magnésium (Mg). 28. Electrode material according to item 26 or 27, in which the metal of the material electrochemically active further comprises an alkali or alkaline metal earthy chosen from lithium (Li), sodium (Na), potassium (K) and magnesium (Mg).
29. Matériau d'électrode selon l'un quelconque des items 22 à 28, dans lequel le matériau électrochimiquement actif est un oxyde de métal et de lithium. 29. Electrode material according to any one of items 22 to 28, in which THE
electrochemically active material is a lithium metal oxide.
30. Matériau d'électrode selon l'item 29, dans lequel l'oxyde de métal et de lithium est un oxyde mixte de lithium, de nickel, de manganèse et de cobalt (NCM).
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 30. Electrode material according to item 29, in which the metal oxide and lithium is a mixed oxide of lithium, nickel, manganese and cobalt (NCM).
Date Received/Date Received 2022-10-12
31. Matériau d'électrode selon l'un quelconque des items 22 à 25, dans lequel le matériau électrochimiquement actif est choisi parmi un métal non-alcalin ou non-alcalino-terreux, un composé intermétallique, un oxyde de métal, un nitrure de métal, un phosphure de métal, un phosphate de métal, un halogénure de métal, un fluorure de métal, un sulfure de métal, un oxysulfure de métal, un carbone, du silicium (Si), un composite silicium-carbone (Si-C), un oxyde de silicium (Si0x), un composite oxyde de silicium-carbone (SiOx-C), de l'étain (Sn), un composite étain-carbone (Sn-C), un oxyde d'étain (SnOx), un composite oxyde d'étain-carbone (SnOx-C), et une combinaison d'au moins deux de ceux-ci. 31. Electrode material according to any one of items 22 to 25, in which THE
electrochemically active material is chosen from a non-alkaline metal or No-alkaline earth, an intermetallic compound, a metal oxide, a nitride of metal, a metal phosphide, a metal phosphate, a metal halide, A
metal fluoride, metal sulfide, metal oxysulfide, carbon, silicon (Si), a silicon-carbon composite (Si-C), a silicon oxide (Si0x), a silicon oxide-carbon composite (SiOx-C), tin (Sn), composite tin-carbon (Sn-C), a tin oxide (SnOx), a tin oxide-carbon composite (SnOx-C), and a combination of at least two of these.
32. Matériau d'électrode selon l'un quelconque des items 22 à 31, dans lequel le matériau électrochimiquement actif comprend en outre un élément dopant. 32. Electrode material according to any one of items 22 to 31, in which THE
electrochemically active material further comprises a doping element.
33. Matériau d'électrode selon l'un quelconque des items 22 à 32, dans lequel le matériau électrochimiquement actif comprend en outre un matériau d'enrobage. 33. Electrode material according to any one of items 22 to 32, in which THE
electrochemically active material further comprises a coating material.
34. Matériau d'électrode selon l'item 33, dans lequel le matériau d'enrobage est un matériau conducteur électronique. 34. Electrode material according to item 33, in which the coating material is a electronic conductive material.
35. Matériau d'électrode selon l'item 34, dans lequel le matériau conducteur électronique est du carbone. 35. Electrode material according to item 34, in which the conductive material electronics is carbon.
36. Matériau d'électrode selon l'item 33, dans lequel le matériau d'enrobage est choisi parmi Li2SiO3, LiTa03, LiA102, Li2O-ZrO2, LiNb03, d'autres matériaux d'enrobage similaires et une combinaison d'au moins deux de ceux-ci. 36. Electrode material according to item 33, in which the material coating is chosen among Li2SiO3, LiTa03, LiA102, Li2O-ZrO2, LiNb03, other materials coating similar and a combination of at least two of these.
37. Matériau d'électrode selon l'un quelconque des items 36, dans lequel le matériau d'enrobage est le LiNb03. 37. Electrode material according to any one of items 36, in which the material coating is LiNb03.
38. Matériau d'électrode selon l'un quelconque des items 22 à 37, lequel comprend en outre au moins un matériau conducteur électronique. 38. Electrode material according to any one of items 22 to 37, which includes in in addition to at least one electronic conductive material.
39. Matériau d'électrode selon l'item 38, dans lequel le matériau conducteur électronique est choisi parmi le groupe constitué du noir de carbone, du noir d'acétylène, du graphite, du graphène, des fibres de carbone, des nanofibres de carbone, des nanotubes de carbones, et d'un mélange d'au moins deux de ceux-ci.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 39. Electrode material according to item 38, in which the conductive material electronic is chosen from the group consisting of carbon black, black acetylene, graphite, graphene, carbon fibers, nanofibers of carbon, carbon nanotubes, and a mixture of at least two of these this.
Date Received/Date Received 2022-10-12
40. Matériau d'électrode selon l'item 39, dans lequel le matériau conducteur électronique est un mélange de noir de carbone et de fibres de carbone formées en phase gazeuse (VGCFs). 40. Electrode material according to item 39, in which the conductive material electronic is a mixture of carbon black and carbon fibers formed in gas phase (VGCFs).
41. Matériau d'électrode selon l'un quelconque des items 22 à 40, lequel comprend en outre au moins un additif. 41. Electrode material according to any one of items 22 to 40, which includes in in addition to at least one additive.
42. Matériau d'électrode selon l'item 41, dans lequel l'additif est choisi parmi les matériaux conducteurs ioniques inorganiques, les matériaux inorganiques, les verres, les vitrocéramiques, les céramiques, les nano céramiques, les sels et une combinaison d'au moins deux de ceux-ci. 42. Electrode material according to item 41, in which the additive is chosen from inorganic ionic conductive materials, inorganic materials, glasses, glass ceramics, ceramics, nano ceramics, salts and a combination of at least two of these.
43. Matériau d'électrode selon l'un quelconque des items 22 à 42, lequel comprend en outre un liant. 43. Electrode material according to any one of items 22 to 42, which includes in besides a binder.
44. Matériau d'électrode selon l'item 43, dans laquelle le liant est choisi parmi le groupe constitué d'un liant polymère de type polyether, polycarbonate ou polyester, d'un polymère fluoré et d'un liant soluble dans l'eau. 44. Electrode material according to item 43, in which the binder is chosen from the group consisting of a polymer binder of the polyether, polycarbonate or polyester type, of a fluoropolymer and a water-soluble binder.
45. Une électrode comprenant le matériau d'électrode tel que défini à l'un quelconque des items 22 à 44 sur un collecteur de courant. 45. An electrode comprising the electrode material as defined in one any items 22 to 44 on a current collector.
46. Une électrode autosupportée comprenant le matériau d'électrode tel que défini à
l'un quelconque des items 22 à 44. 46. A self-supporting electrode comprising the electrode material such as set to any of items 22 to 44.
47. Un électrolyte comprenant un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite tel que défini à l'item 21 ou obtenu selon le procédé tel que défini à
l'un quelconque des items 1 à 20. 47. An electrolyte comprising an inorganic compound having a structure of argyrodite type as defined in item 21 or obtained according to the process such as set to any of items 1 to 20.
48. Électrolyte selon l'item 47, lequel est un électrolyte liquide comprenant un sel dans un solvant. 48. Electrolyte according to item 47, which is a liquid electrolyte comprising a salt in a solvent.
49. Électrolyte selon l'item 47, lequel est un électrolyte en gel comprenant un sel dans un solvant et éventuellement un polymère solvatant. 49. Electrolyte according to item 47, which is a gel electrolyte comprising a salt in a solvent and optionally a solvating polymer.
50. Électrolyte selon l'item 47, lequel est un électrolyte polymère solide comprenant un sel dans un polymère solvatant Date Reçue/Date Received 2022-10-12 50. Electrolyte according to item 47, which is a solid polymer electrolyte including a salt in a solvating polymer Date Received/Date Received 2022-10-12
51. Électrolyte selon l'un quelconque des items 47 à 50, dans lequel le composé
inorganique possédant une structure de type argyrodite est présent en tant qu'additif. 51. Electrolyte according to any one of items 47 to 50, in which the compound inorganic having an argyrodite type structure is present as than additive.
52. Électrolyte selon l'item 47, lequel est un électrolyte solide inorganique. 52. Electrolyte according to item 47, which is a solid electrolyte inorganic.
53. Électrolyte selon l'item 47, lequel est un électrolyte solide hybride polymère-céramique. 53. Electrolyte according to item 47, which is a hybrid solid electrolyte polymer-ceramic.
54. Électrolyte selon l'item 52 ou 53, dans lequel le composé inorganique possédant une structure de type argyrodite est présent en tant que matériau d'électrolyte solide inorganique. 54. Electrolyte according to item 52 or 53, in which the inorganic compound possessing an argyrodite-like structure is present as a material solid electrolyte inorganic.
55. Électrolyte selon l'un quelconque des items 47 à 54, lequel comprend en outre au moins une composante additionnelle. 55. Electrolyte according to any one of items 47 to 54, which comprises in besides the minus one additional component.
56. Électrolyte selon l'item 55, dans lequel la composante additionnelle est choisie parmi les matériaux conducteurs ioniques, les particules inorganiques, les particules de verre ou de céramique et une combinaison d'au moins deux de ceux-ci. 56. Electrolyte according to item 55, in which the additional component is chosen among ionic conductive materials, inorganic particles, particles glass or ceramic and a combination of at least two of these.
57. Une cellule électrochimique comprenant une électrode négative, une électrode positive et un électrolyte, dans laquelle au moins l'une de l'électrode positive ou de l'électrode négative est telle que définie à l'item 45 ou 46 ou comprend un matériau d'électrode tel que défini à l'un quelconque des items 22 à 44. 57. An electrochemical cell comprising a negative electrode, a electrode positive and an electrolyte, in which at least one of the electrode positive or the negative electrode is as defined in item 45 or 46 or includes a material electrode as defined in any of items 22 to 44.
58. Une cellule électrochimique comprenant une électrode négative, une électrode positive et un électrolyte, dans laquelle l'électrolyte est tel que défini à
l'un quelconque des items 47 à 56. 58. An electrochemical cell comprising a negative electrode, a electrode positive and an electrolyte, in which the electrolyte is as defined in mon any of items 47 to 56.
59. Cellule électrochimique selon l'item 57 ou 58, dans laquelle l'électrode négative comprend un matériau électrochimiquement actif comprenant un métal alcalin, un métal alcalino-terreux, un alliage comprenant au moins un métal alcalin ou alcalino-terreux, un métal non-alcalin et non-alcalino-terreux, ou un alliage ou un composé
intermétallique.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 59. Electrochemical cell according to item 57 or 58, in which the electrode negative comprises an electrochemically active material comprising an alkali metal, an alkaline earth metal, an alloy comprising at least one alkali metal or alkaline-earth, a non-alkaline and non-alkaline earth metal, or an alloy or a compound intermetallic.
Date Received/Date Received 2022-10-12
60. Cellule électrochimique selon l'item 59, dans laquelle le matériau électrochimiquement actif de l'électrode négative comprend du lithium métallique ou un alliage incluant ou à base de lithium métallique. 60. Electrochemical cell according to item 59, in which the material electrochemically active negative electrode includes lithium metallic or an alloy including or based on metallic lithium.
61. Cellule électrochimique selon l'un quelconque des items 57 à 60, dans laquelle l'électrode positive est pré-lithié et l'électrode négative est substantiellement exempte de lithium. 61. Electrochemical cell according to any one of items 57 to 60, in which the positive electrode is pre-lithiated and the negative electrode is substantially free of lithium.
62. Cellule électrochimique selon l'item 61, dans laquelle l'électrode négative est lithiée in situ lors du cyclage de ladite cellule électrochimique. 62. Electrochemical cell according to item 61, in which the electrode negative is lithiated in situ during the cycling of said electrochemical cell.
63. Un accumulateur électrochimique comprenant au moins une cellule électrochimique telle que définie à l'un quelconque des items 57 à 62. 63. An electrochemical accumulator comprising at least one cell electrochemical as defined in any of items 57 to 62.
64. Accumulateur électrochimique selon l'item 63, dans lequel ledit accumulateur électrochimique est une batterie est choisie parmi une batterie au lithium, une batterie lithium-ion, une batterie au sodium, une batterie sodium-ion, une batterie au magnésium, une batterie magnésium-ion. 64. Electrochemical accumulator according to item 63, in which said accumulator electrochemical is a battery is chosen from a lithium battery, a lithium-ion battery, a sodium battery, a sodium-ion battery, a battery magnesium, a magnesium-ion battery.
65. Accumulateur électrochimique selon l'item 64, dans lequel ladite batterie est une batterie au lithium ou une batterie lithium-ion. 65. Electrochemical accumulator according to item 64, in which said battery is a lithium battery or a lithium-ion battery.
66. Accumulateur électrochimique selon l'item 65, dans lequel ledit accumulateur électrochimique est une batterie dite tout solide.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La Figure 1 présente des diagrammes de diffraction des rayons X obtenus pour les poudres des Argyrodites des 1 à 4 et 8, tel que décrit à l'Exemple 2.
La Figure 2 présente des diagrammes de diffraction des rayons X obtenus pour les poudres des Argyrodites 2 et 5 à 7, tel que décrit à l'Exemple 2.
La Figure 3 présente des diagrammes de diffraction des rayons X obtenus pour les poudres des Argyrodites 2, 3, 9 et 10, tel que décrit à l'Exemple 2.
La Figure 4 présente des diagrammes de diffraction des rayons X obtenus pour les poudres des Argyrodites 2 et 12 à 15, tel que décrit à l'Exemple 2.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 La Figure 5 présente des diagrammes de diffraction des rayons X obtenus pour les poudres des Argyrodites 16 à 19, tel que décrit à l'Exemple 2.
La Figure 6 présente des diagrammes de diffraction des rayons X obtenus pour les poudres des Argyrodites 2, 13, 20 et 21, tel que décrit à l'Exemple 2.
La Figure 7 présente des spectres de résonance magnétique nucléaire du lithium (6Li RMN) obtenus pour les Argyrodites 2 et 9, tel que décrit à l'Exemple 3.
La Figure 8 présente des spectres de résonance magnétique nucléaire du phosphore (31P
RMN) obtenus pour les Argyrodites 2 et 9, tel que décrit à l'Exemple 3.
La Figure 9 présente un spectre de résonance magnétique nucléaire du lithium (6Li RMN) obtenu pour l'Argyrodite 7, tel que décrit à l'Exemple 3.
La Figure 10 présente un spectre de résonance magnétique nucléaire du phosphore (31P
RMN) obtenu pour l'Argyrodite 7, tel que décrit à l'Exemple 3.
La Figure 11 présente des spectres de résonance magnétique nucléaire du lithium (6Li RMN) obtenus pour les Argyrodites 13 et 16, tel que décrit à l'Exemple 3.
La Figure 12 présente des spectres de résonance magnétique nucléaire du phosphore (31P RMN) obtenus pour les Argyrodites 13 et 16, tel que décrit à l'Exemple 3.
Figure 13 montre un graphique du volume de H2S gazeux normalisé par la masse d'argyrodite généré en fonction du temps pour les Argyrodites 2, 7, 8, 11, 13 et 16, tel que décrit à l'Exemple 4.
La Figure 14 est un graphique présentant les résultats de conductivité ionique en fonction de la température pour les Cellules 1 (.), 2 (A), 3 (#), 4 (*) et 8 (11), tel que décrit à
l'Exemple 5(b).
La Figure 15 est un graphique présentant les résultats de conductivité ionique en fonction de la température pour les Cellules 2 (A), 5 (11), 6 (.) et 7 (#), tel que décrit à l'Exemple 5(b).
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 La Figure 16 est un graphique présentant les résultats de conductivité ionique en fonction de la température pour les Cellules 2 (11), 3 (.), 9 (A) et 10 (#), tel que décrit à l'Exemple 5(b).
La Figure 17 est un graphique présentant les résultats de conductivité ionique en fonction de la température pour les Cellules 2 (11), 12 (.), 13 ( A), 14 (#) et 15 (*), tel que décrit à
l'Exemple 5(b).
La Figure 18 est un graphique présentant les résultats de conductivité ionique en fonction de la température pour les Cellules 16 (11), 17 (.), 18 (A) et 19 (#), tel que décrit à
l'Exemple 5(b).
La Figure 19 est un graphique présentant les résultats de conductivité ionique en fonction de la température pour les Cellules 2 (11), 20 (.), 13 (A) et 21 (+), tel que décrit à l'Exemple 5(b).
La Figure 20 présente des voltammogrammes cycliques obtenus pour les Cellules 22 et 23 enregistrés à une vitesse de balayage de 0,05 mV/s entre 2,5 V et 4,2 V vs Li/Li + à une température d'environ 30 C, tel que décrit à l'Exemple 6(b).
La Figure 21 montre un graphique de la capacité de charge (.) et de décharge (11) et de l'efficacité coulombique (A) en fonction du nombre de cycles pour 100 cycles obtenus pour la Cellule 24, tel que décrit à l'Exemple 7(c).
La Figure 22 présente les profils de décharge de la Cellule 24 en fonction de la capacité
obtenus à des courants de charge et de décharge C/10, C/4 et C/2 et enregistrées vs Li/Li + à une température de 30 C.
La Figure 23 présente les profils de décharge de la Cellule 24 en fonction du temps obtenus à des courants de charge et de décharge C/10, C/4 et C/2 et enregistrées vs Li/Li + à une température de 30 C.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
La description détaillée et les exemples suivants sont présentés à titre illustratif seulement et ne doivent pas être interprétés comme limitant davantage la portée de l'invention. Au contraire, ils sont destinés à couvrir toutes les alternatives, modifications et équivalents Date Reçue/Date Received 2022-10-12 qui peuvent être inclus tels que définis par la présente description. Les objets, avantages et autres caractéristiques des présents composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite, de leurs procédés de préparation, ainsi que des matériaux d'électrode, les électrodes, les électrolytes, les cellules électrochimiques et les accumulateurs électrochimiques les comprenant seront plus apparents et mieux compris à la lecture de la description non restrictive suivante et des références faites aux figures jointes.
Tous les termes et toutes les expressions techniques et scientifiques utilisés ici ont les mêmes définitions que celles généralement comprises de la personne versée dans l'art de la présente technologie. La définition de certains termes et expressions utilisés est néanmoins fournie ci-dessous.
Lorsque le terme environ est utilisé ici, il signifie approximativement, dans la région de, ou autour de. Par exemple, lorsque le terme environ est utilisé en lien avec une valeur numérique, il la modifie au-dessus et au-dessous par une variation de 10% par rapport à sa valeur nominale. Ce terme peut également tenir compte, par exemple, de l'erreur expérimentale d'un appareil de mesure ou de l'arrondissement.
Lorsqu'un intervalle de valeurs est mentionné dans la présente demande, les bornes inférieures et supérieures de l'intervalle sont, à moins d'indications contraires, toujours incluses dans la définition. Lorsqu'un intervalle de valeurs est mentionné
dans la présente demande, alors tous les intervalles et sous-intervalles intermédiaires, ainsi que les valeurs individuelles incluses dans les intervalles de valeurs, sont inclus dans la définition.
Lorsque l'article un est utilisé pour introduire un élément dans la présente demande, il n'a pas le sens de un seul , mais plutôt de un ou plusieurs . Bien entendu, lorsque la description stipule qu'une étape, un composant, un élément ou une caractéristique particulière peut ou pourrait être inclus, cette étape, ce composant, cet élément ou cette caractéristique particulière n'est pas tenu d'être inclus dans chaque mode de réalisation.
L'expression électrode autoportante telle qu'utilisée ici se réfère à une électrode sans collecteur du courant métallique.
La présente technologie concerne un procédé de préparation d'un composé
inorganique possédant une structure de type argyrodite à base de M2S-P2S5-M2SO4-MZ (dans lequel, Date Reçue/Date Received 2022-10-12 M est un métal alcalin choisi parmi le lithium (Li), le sodium (Na), le potassium (K), et une combinaison d'au moins deux de ceux-ci, et Z est un atome d'halogène choisi parmi le fluor (F), le chlore (Cl), le brome (Br) et l'iode (I), ou une combinaison d'au moins deux de ceux-ci), le procédé comprenant une étape de broyage direct des précurseurs.
Selon certains exemples, M est le lithium. Les précurseurs étant constitués du sulfure du métal alcalin (M25), du sulfate du métal alcalin (M2504), du pentasulfure de phosphore (P255) et d'un halogénure du métal alcalin, choisi parmi le fluorure du métal alcalin, le chlorure du métal alcalin, le bromure du métal alcalin, l'iodure du métal alcalin et d'un mélange d'au moins deux de ceux-ci.
Selon un exemple, les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite peuvent être respectivement de formules M6,P55_x_y0yZi+x et M6_x_2,,P55,_yOyZi+x, dans lesquelles Z et M sont tels qu'ici définis, et x et y sont des nombres différents de zéro, par exemple 0 <x 1 et 0< y 1. Les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite peuvent donc être obtenus par broyage à partir des précurseurs tels qu'ici définis respectivement selon les équations de réaction suivantes :
(2,5-y/4-x) M25 + y/4 M2504+ 1/2 P255 +(1+x) MZ ¨> M6_xPS5_x_yOyZi-Fx + y S
Équation (1) (2,5-5/4y-x) M25 + y/4 M2504 + 1/2 P255 + (1+x) MZ ¨> M6_x_2,,P55_x_yOyZi+x Équation (2) dans lesquelles, x, y, M et Z sont tels qu'ici définis.
Selon un exemple, lorsque le composé inorganique possède une structure de type argyrodite, x et y sont des nombres différents de zéro sélectionnés pour atteindre l'électroneutralité. Des exemples non limitatifs de composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite selon l'Équation 1 incluent les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules M5,4P54,300,1Z1,6, M5,4P54,100,3Z1,6, M5,4P53,900,5Z1,6, M5,4P53,6500,75Z1,6 et M5,7P54,400,3Z1,3, dans lesquelles M
et Z sont tels qu'ici définis. Lorsque le composé inorganique possède une structure de type argyrodite incluant moins du métal alcalin (c.-à-d., un composé inorganique possède une structure de type argyrodite selon l'Équation 2), x et y sont des nombres différents de zéro sélectionnés pour obtenir une stoechiométrie désirée. Des exemples non limitatifs de composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite selon l'Équation 2 incluent les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules M5,1P54,400,3Z1,3 et M4,8P54,100,3Z1,6, dans lesquelles M et Z sont tels qu'ici définis.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 Selon un exemple d'intérêt, Z est un atome de chlore et l'halogénure du métal alcalin est le chlorure du métal alcalin. Par exemple, le composé inorganique possédant une structure de type argyrodite peut être choisi parmi les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules M5,4P54,300,1 C11,6, M5,4P54,1 00,301,6, M5,4P53,900,5C11,6, M5,4P53,6500,75C11,6, M5,7P54,400,30 1,3, M5,1 P54,400,301,3 et M4,8P54,100,3C11,6, dans lesquelles M est tel qu'ici défini.
Selon un autre exemple d'intérêt, Z est un atome de brome et l'halogénure du métal alcalin est le bromure du métal alcalin. Par exemple, le composé inorganique possédant une structure de type argyrodite peut être choisi parmi les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules M5,4P54,300,1Br1,6, M5,4P54,100,3Br1,6, M5,4P53,900,5Br1,6, M5,4P53,6500,75Br1,6, M5,7P54,400,311-1,3, M5,1 PS4,400,3Br1,3 et M4,8P54,100,3Br1,6, dans lesquelles M est tel qu'ici défini. Par exemple, le composé
inorganique possédant une structure de type argyrodite peut être un composé
inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule M5,4P54,100,3Br1,6, dans laquelle M
est tel qu'ici défini.
Selon un autre exemple d'intérêt, Z est un atome d'iode et l'halogénure du métal alcalin est l'iodure du métal alcalin. Par exemple, le composé inorganique possédant une structure de type argyrodite peut être choisi parmi les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules M5,4P54,300,111,6, M5,4P54,100,311,6, M5,4P53,900,511,6, M5,4P53,6500,7511,6, M5,7P54,400,3I1,3, M5,1 P54,400,311,3 et M4,8P54,100,311,6, dans lesquelles M est tel qu'ici défini.
Selon un exemple d'intérêt, Z est une combinaison incluant du chlore et du brome et les halogénures du métal alcalin sont un mélange de chlorure du métal alcalin et de bromure du métal alcalin. Par exemple, le composé inorganique possédant une structure de type argyrodite peut être choisi parmi les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules M5,4P54,100,301,0Bro,6, M5,4P54,100,3C10,8Bro,8 et M5,4P54,100,3C10,6Br1,o, dans lesquelles M est tel qu'ici défini.
Selon un exemple d'intérêt, Z est une combinaison incluant du chlore, du brome et de l'iode et les halogénures du métal alcalin sont un mélange de chlorure du métal alcalin, de bromure du métal alcalin et de l'iodure du métal alcalin. Par exemple, le composé
inorganique possédant une structure de type argyrodite peut être choisi parmi les composés Date Reçue/Date Received 2022-10-12 inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules M5,4PS4,100,3C11,oBro,510,1, M5,4PS4,100,300,75Bro,7510,1, M5,4PS4,100,3C10,7Bro,710,2 et M5,4PS4,100,3C11,0Bro,410,2, dans lesquelles M est tel qu'ici défini.
Selon un exemple d'intérêt, le métal alcalin est le lithium et le composé
inorganique possédant une structure de type argyrodite est à base de Li2S-P255-Li2SO4-LiZ
(dans lequel, Z est un atome d'halogène choisi parmi le F, Cl, Br et I, ou une combinaison d'au moins deux de ceux-ci), le procédé comprenant une étape de broyage direct des précurseurs. Les précurseurs étant constitués du sulfure de lithium (Li2S), du sulfate de lithium (Li2SO4), du pentasulfure de phosphore (P255) et d'un halogénure de lithium, choisi parmi le fluorure de lithium (LiF), le chlorure de lithium (LiCI), le bromure de lithium (LiBr), l'iodure de lithium (Lil) et d'un mélange d'au moins deux de ceux-ci.
Des exemples non limitatifs de composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite selon l'Équation 1 incluent les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules Li5,4P54,300,1Z1,6, Li5,4P54,100,3Z1,6, 1-i5,41D53,90o,5Z1,6, Li5,4P53,6500,75Z1,6 et Li5,7P54,400,3Z1,3, dans lesquelles Z est tel qu'ici défini. Des exemples non limitatifs de composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite selon l'Équation 2 incluent les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules Li5,1P54,400,3Z1,3 et Li4,8P54,100,3Z1,6, dans lesquelles Z est tel qu'ici défini.
Selon un exemple d'intérêt, Z est un atome de chlore et l'halogénure de lithium est le LiCI.
Par exemple, le composé inorganique possédant une structure de type argyrodite peut être choisi parmi les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules Li5,4PS4,300,1C11,6, Li5,4P54,100,3C11,6, Li5,4P53,900,501,6, Li5,4P53,6500,75C11,6, Li5,7P54,400,3C11,3, Li5,1P54,400,3C11,3 et Li4,8P54,100,3C11,6.
Selon un autre exemple d'intérêt, Z est un atome de brome et l'halogénure de lithium est le LiBr. Par exemple, le composé inorganique possédant une structure de type argyrodite peut être choisi parmi les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules Li5,4PS4,300,1Bri,6, Li5,4P54,100,3Br1,6, Li5,4P53,900,5Br1,6, Li5,4P53,6500,75Br1,6, Li6,7P54,400,3Br1,3, Li5,1P54,400,3Br1,3 et Li4,8P54,100,3Br1,6. Par exemple, le composé
inorganique possédant une structure de type argyrodite peut être un composé
inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4P54,100,3Br1,6.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 Selon un autre exemple d'intérêt, Z est un atome d'iode et l'halogénure de lithium est le Lil.
Par exemple, le composé inorganique possédant une structure de type argyrodite peut être choisi parmi les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules Li5,4P54,300,111,6, Li5,4P54,100,311,6, Li5,4PS3,900,511,6, Li5,4PS3,6500,7511,6, Li5,7PS4,400,311,3, Li5,1PS4,400,311,3 et Li4,8PS4,100,311,6.
Selon un exemple d'intérêt, Z est une combinaison incluant du chlore et du brome et les halogénures de lithium sont un mélange de LiCI et de LiBr du métal alcalin.
Par exemple, le composé inorganique possédant une structure de type argyrodite peut être choisi parmi les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules Li5,4PS4,10o,3Cli,oBro,6, Li5APS 0 CI Br e1 Li PS 0 CI Br . _4,1 _ 0,3 _ 0,8_ 0,8 _ _ _5,4_ _4,1 _ 0,3 - 0,6- 1,0.
Selon un exemple d'intérêt, Z est une combinaison incluant du chlore, du brome et de l'iode et les halogénures de lithium sont un mélange de LiCI, de LiBr et de Lil. Par exemple, le composé inorganique possédant une structure de type argyrodite peut être choisi parmi les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules Li5APS4,100,3C11,0Bro,5101, Li5AP54,100,3C10,75Bro,7510,1, Li5AP54,1 00,3C10,7Bro,710,2 et Li 5,4P64,100,3C11,oBro,410,2.
Selon un autre exemple d'intérêt, le procédé tel qu'ici défini s'effectue en une étape. C'est-à-dire que, de préférence, le procédé ne comprend pas d'étape de recuit.
Alternativement, le procédé peut comprendre une étape optionnelle de recuit à basse température. Par exemple, si le procédé comprend une étape de recuit, celle-ci peut être effectuée à une température maximale d'environ 300 C.
Selon un autre exemple, l'étape de broyage peut être effectuée en utilisant un broyeur planétaire. Par exemple, l'étape de broyage peut être effectuée à une vitesse de rotation, pour une durée déterminée et dans un ratio billes de broyage : précurseurs permettant d'obtenir un composé inorganique possédant la structure de type argyrodite désirée. Selon certains exemples, le ratio billes de broyage : précurseurs est d'environ 30 et l'étape de broyage est effectuée à une vitesse de rotation incluse dans l'intervalle allant d'environ 500 rpm à environ 700 rpm pendant environ 10 heures afin d'obtenir un composé
inorganique possédant la structure de type argyrodite désirée. Par exemple, l'étape de broyage est effectuée à une vitesse de rotation d'environ 600 rpm.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 L'utilisation d'un sulfate du métal alcalin (par exemple, le Li2SO4) en tant que précurseur dans le procédé tel qu'ici défini pourrait permettre d'obtenir une structure de type argyrodite, et ce, sans étape de recuit ou avec une étape de recuit à basse température.
De plus, le procédé tel qu'ici défini pourrait permettre l'obtention de composés inorganiques présentant des conductivités ioniques substantiellement similaires aux conductivités ioniques rapportées pour des composés inorganiques obtenus par des procédés conventionnels à
partir de précurseurs différents et comprenant une étape de recuit.
Certaines propriétés des présents composés inorganiques tels qu'obtenus selon certains modes de réalisation du présent procédé peuvent aussi différer de celles démontrées par les composés préparés par les méthodes conventionnelles, par exemple, par des méthodes utilisant un oxyde du métal alcalin (par exemple, le Li2O) en remplacement du sulfate du métal alcalin (par exemple, du Li2SO4) comme précurseur. Par exemple, selon certains modes de réalisation, les composés ici obtenus peuvent présenter une plus grande stabilité
électrochimique, une réduction de l'émission de H2S, une plus grande densité
de courant critique, ou une polarisation réduite en comparaison des composés obtenus de manière conventionnelle. Les composés inorganiques ici décrits selon certains modes de réalisation peuvent démontrer une plus grande pureté de structure argyrodite par RMN du 6Li ou 31 P
et/ou une réduction de l'intensité relative des pics associés aux groupes P0252, PO3S et/ou PO4 en RMN du 31P. Par exemple, l'intensité relative des pics P0252, PO3S et PO4 peut se situer respectivement, en dessous de 1,5, en dessous de 0,8 et en dessous de 0,3.
La présente technologie concerne également un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite tel qu'ici défini obtenu selon le procédé tel qu'ici défini.
La présente technologie concerne également un matériau d'électrode comprenant un matériau électrochimiquement actif et un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite tel qu'ici défini ou obtenu selon le procédé tel qu'ici défini.
Selon un exemple, le composé inorganique possédant une structure de type argyrodite tel qu'ici défini peut être présent en tant qu'additif et/ou en tant que matériau de revêtement dans le matériau d'électrode. Par exemple, le composé inorganique Date Reçue/Date Received 2022-10-12 possédant une structure de type argyrodite peut former une couche de revêtement sur la surface du matériau électrochimiquement actif.
Selon un autre exemple, ledit matériau d'électrode est un matériau d'électrode positive et le matériau électrochimiquement actif est choisi parmi un oxyde de métal, un sulfure de métal, un oxysulfure de métal, un phosphate de métal, un fluorophosphate de métal, un oxyfluorophosphate de métal, un sulfate de métal, un halogénure de métal (par exemple, un fluorure de métal), du soufre, du sélénium, et une combinaison d'au moins deux de ceux-ci. Selon un autre exemple, le métal du matériau électrochimiquement actif est choisi parmi le titane (Ti), le fer (Fe), le manganèse (Mn), le vanadium (V), le nickel (Ni), le cobalt (Co), l'aluminium (AI), le chrome (Cr), le cuivre (Cu), le zirconium (Zr), le niobium (Nb) et leurs combinaisons, lorsque compatibles. Le matériau électrochimiquement actif peut éventuellement comprendre en outre un métal alcalin ou alcalino-terreux, par exemple, du lithium (Li), du sodium (Na), du potassium (K) ou du magnésium (Mg).
Des exemples non limitatifs de matériaux électrochimiquement actifs incluent des phosphates de lithium et de métal, des oxydes complexes, tels que LiM'PO4 (où
M' est Fe, Ni, Mn, Co, ou une combinaison de ceux-ci), LiV308, V205, LiMn204, LiM"02 (où M"
est Mn, Co, Ni, ou une combinaison de ceux-ci), Li(NiM¨)02 (où M" est Mn, Co, Al, Fe, Cr, Ti, ou Zr, ou une combinaison de ceux-ci) et leurs combinaisons, lorsque compatibles.
Selon un exemple d'intérêt, le matériau électrochimiquement actif est un oxyde tel que décrit ci-dessus. Par exemple, le matériau électrochimiquement actif peut être un oxyde de lithium et de manganèse, dans lequel le manganèse peut être partiellement substitué
par un second métal de transition, tel qu'un oxyde de lithium, de nickel, de manganèse et de cobalt (NMC). Selon une variante d'intérêt, le matériau électrochimiquement actif est le LiNi0,6Mn0,2C00,202 (NMC 622).
Selon un autre exemple, ledit matériau d'électrode est un matériau d'électrode négative et le matériau électrochimiquement actif est choisi parmi un métal non-alcalin et non-alcalino-terreux (par exemple, l'indium (In), le germanium (Ge) et le bismuth (Bi)), un composé intermétallique (par exemple, SnSb, TiSnSb, Cu2Sb, AlSb, FeSb2, FeSn2 et CoSn2), un oxyde de métal, un nitrure de métal, un phosphure de métal, un phosphate de métal (par exemple, LiTi2(PO4)3), un halogénure de métal (par exemple, un fluorure de métal), un sulfure de métal, un oxysulfure de métal, un carbone (par exemple, le graphite, le graphène, l'oxyde de graphène réduit, un carbone dur, un carbone mou, le graphite Date Reçue/Date Received 2022-10-12 exfolié et le carbone amorphe), du silicium (Si), un composite silicium-carbone (Si-C), un oxyde de silicium (Si0x), un composite oxyde de silicium-carbone (SiOx-C), de l'étain (Sn), un composite étain-carbone (Sn-C), un oxyde d'étain (SnOx), un composite oxyde d'étain-carbone (SnOx-C), et leurs combinaisons, lorsque compatibles. Par exemple, l'oxyde de métal peut être choisi parmi les composés de formules M¨b0, (où M¨ est Ti, Mo, Mn, Ni, Co, Cu, V, Fe, Zn, Nb, ou une combinaison de ceux-ci; et b et c sont des nombres tels que le ratio c:b se situe dans l'intervalle allant de 2 à 3) (par exemple, Mo03, Mo02, MoS2, V205, et TiNb207), les oxydes spinelles (par exemple, NiCo204, ZnCo204, MnCo204, CuCo204, et CoFe204) et LiM-0 (où M"¨ est Ti, Mo, Mn, Ni, Co, Cu, V, Fe, Zn, Nb, ou une combinaison de ceux-ci) (par exemple, un titanate de lithium (tel que Li4Ti5012) ou un oxyde de lithium et de molybdène (tel que Li2Mo4013)).
Selon un autre exemple, le matériau électrochimiquement actif peut éventuellement être dopé avec d'autres éléments inclus en plus petites quantités, par exemple pour moduler ou optimiser ses propriétés électrochimiques. Le matériau électrochimiquement actif peut être dopé par la substitution partielle du métal par d'autres ions. Par exemple, le matériau électrochimiquement actif peut être dopé avec un métal de transition (par exemple Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn ou Y) et/ou un métal autre qu'un métal de transition (par exemple, Mg, Al ou Sb).
Selon un autre exemple, le matériau électrochimiquement actif peut être sous forme de particules (par exemple, de microparticules et/ou de nanoparticules) qui peuvent être fraîchement formées ou de source commerciale. Par exemple, le matériau électrochimiquement actif peut être sous forme de particules revêtues d'une couche de matériau d'enrobage. Le matériau d'enrobage peut être un matériau conducteur électronique, par exemple un enrobage de carbone conducteur. Alternativement, le matériau d'enrobage peut permettre de substantiellement réduire les réactions interfaciales à l'interface entre le matériau électrochimiquement actif et un électrolyte, par exemple, un électrolyte solide, et en particulier, un électrolyte solide inorganique de type céramique à base de sulfure ou d'oxysulfure (par exemple, à base du composé
inorganique possédant une structure de type argyrodite tel qu'ici défini). Par exemple, le matériau d'enrobage peut être choisi parmi Li2SiO3, LiTa03, LiA102, Li2O-ZrO2, LiNb03 leurs combinaisons, lorsque compatibles, et d'autres matériaux similaires.
Selon une variante d'intérêt, le matériau d'enrobage comprend du LiNb03.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 Selon un autre exemple, le matériau d'électrode tel qu'ici défini inclut en outre un matériau conducteur électronique. Des exemples non limitatifs de matériau conducteur électronique comprennent une source de carbone tels que le noir de carbone (par exemple, le carbone Ketjenmc et le carbone Super Pmc), le noir d'acétylène (par exemple, le carbone Shawinigan et le noir de carbone Denkamc), le graphite, le graphène, les fibres de carbone (par exemple, les fibres de carbone formées en phase gazeuse (VGCFs)), les nanofibres de carbone, les nanotubes de carbone (NTCs) et une combinaison d'au moins deux de ceux-ci. Selon une variante d'intérêt, matériau conducteur électronique est un mélange de noir de carbone Li400 (Denkamc) et de VGCFs (de préférence à un ratio massique dans l'intervalle de 65:35 à 85:15).
Selon un autre exemple, le matériau d'électrode tel qu'ici défini inclut en outre un additif.
Par exemple, l'additif est choisi parmi les matériaux conducteurs ioniques inorganiques, les matériaux inorganiques, les verres, les vitrocéramiques, les céramiques, incluant les nano céramiques (telles que A1203, TiO2, 5i02 et d'autres composés similaires), des sels (par exemple, des sels de lithium) et une combinaison d'au moins deux de ceux-ci. Par exemple, l'additif peut être un conducteur ionique inorganique choisi parmi les composés de type LISICON, thio-LISICON, argyrodites, grenats ( garnet en anglais), NASICON, perovskites, les oxydes, les sulfures, les phosphures, les fluorures, les halogénures de soufre, les phosphates, les thio-phosphates, de forme cristalline et/ou amorphe, et une combinaison d'au moins deux de ceux-ci.
Selon un autre exemple, le matériau d'électrode tel qu'ici défini inclut en outre un liant.
Par exemple, le liant est choisi pour sa compatibilité avec les différents éléments d'une cellule électrochimique. Tout liant compatible connu est envisagé. Par exemple, le liant peut être choisi parmi un liant polymère de type polyether, polyester, polycarbonate, polymère fluoré et liant soluble dans l'eau (hydrosoluble). Selon un exemple, le liant est un polymère fluoré tel que le fluorure de polyvinylidène (PVdF) ou le polytétrafluoroéthylène (PTFE). Selon un autre exemple, le liant est un liant soluble dans l'eau tel que le caoutchouc styrène-butadiène (SBR), le caoutchouc acrylonitrile-butadiène (NBR), le NBR hydrogéné (HNBR), le caoutchouc d'épichlorohydrine (CHR), ou le caoutchouc d'acrylate (ACM), et comprenant éventuellement un agent épaississant tel que le carboxyméthylcellulose (CMC), ou un polymère tel que le poly(acide acrylique) (PAA), le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) ou une combinaison de ceux-ci.
Selon un autre exemple, le liant est un liant polymère de type polyether. Par exemple, le liant Date Reçue/Date Received 2022-10-12 polymère de type polyether est linéaire, ramifié et/ou réticulé et est basé
sur le poly(oxyde d'éthylène) (POE), le poly(oxyde de propylène) (POP) ou sur une combinaison des deux (comme un copolymère 0E/P0), et comprend éventuellement des unités réticulables. Par exemple, le segment réticulable du polymère peut être un segment de polymère comprenant au moins un groupement fonctionnel réticulable de façon multidimensionnelle par irradiation ou traitement thermique.
La présente technologie concerne également une électrode comprenant un matériau d'électrode tel qu'ici défini. Selon un exemple, l'électrode peut être sur un collecteur de courant (par exemple, une feuille d'aluminium ou de cuivre). Alternativement, l'électrode peut être autosupportée.
La présente technologie concerne également un électrolyte comprenant un composé
inorganique possédant une structure de type argyrodite tel qu'ici défini ou obtenu selon le procédé tel qu'ici défini.
Selon un exemple, l'électrolyte peut être choisi pour sa compatibilité avec les différents éléments d'une cellule électrochimique. Tout type d'électrolyte compatible est envisagé.
Selon un exemple, l'électrolyte est un électrolyte liquide comprenant un sel dans un solvant. Selon une alternative, l'électrolyte est un électrolyte en gel comprenant un sel dans un solvant et éventuellement un polymère solvatant. Selon une autre alternative, l'électrolyte est un électrolyte polymère solide comprenant un sel dans un polymère solvatant. Selon une autre alternative, l'électrolyte comprend un matériau d'électrolyte solide inorganique, par exemple, l'électrolyte peut être un électrolyte solide inorganique de type céramique. Selon une autre alternative, l'électrolyte est un électrolyte solide hybride polymère-céramique.
Selon un autre exemple, le sel, s'il est présent dans l'électrolyte, peut être un sel ionique, tel qu'un sel de lithium. Des exemples non limitatifs de sels de lithium incluent l'hexafluorophosphate de lithium (LiPF6), le bis(trifluorométhanesulfonyl)imidure de lithium (LiTFSI), le bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium (LiFSI), le 2-trifluorométhy1-4,5-dicyano-imidazolate de lithium (LiTDI), le 4,5-dicyano-1,2,3-triazolate de lithium (LiDCTA), le bis (pentafluoroéthylsulfonyl)imidure de lithium (LiBETI), le tétrafluoroborate de lithium (LiBF4), le bis(oxalato)borate de lithium (LiBOB), le nitrate de lithium (LiNO3), le chlorure de lithium (LiCI), le bromure de lithium (LiBr), le fluorure de lithium (LiF), le perchlorate de Date Reçue/Date Received 2022-10-12 lithium (LiCI04), l'hexafluoroarsénate de lithium (LiAsF6), le trifluorométhanesulfonate de lithium (LiSO3CF3) (LiTf), le fluoroalkylphosphate de lithium Li[PF3(CF2CF3)3]
(LiFAP), le tétrakis(trifluoroacétoxy)borate de lithium Li[B(OCOCF3)4] (LiTFAB), le bis(1,2-benzenediolato(2-)-0,0')borate de lithium Li[B(C602)2] (LiBBB) et une combinaison d'au moins deux de ceux-ci.
Selon un autre exemple, le solvant, s'il est présent dans l'électrolyte, peut être un solvant non aqueux. Des exemples non limitatifs de solvants incluent les carbonates cycliques comme le carbonate d'éthylène (EC), le carbonate de propylène (PC), le carbonate de butylène (BC) et le carbonate de vinylène (VC); les carbonates acycliques comme le carbonate de diméthyle (DMC), le carbonate de diéthyle (DEC), le carbonate de méthyle et d'éthyle (EMC) et le carbonate de dipropyle (DPC); les lactones comme la y-butyrolactone (y-BL) et la y-valérolactone (y-VL); les éthers acycliques comme le 1,2-diméthoxyéthane (DME), le 1,2-diéthoxyéthane (DEE), l'éthoxy méthoxy éthane (EME), le triméthoxyméthane et l'éthylmonoglyme; les éthers cycliques comme le tétrahydrofurane, le 2-méthyltétrahydrofurane, le 1,3-dioxolane et les dérivés de dioxolane; et d'autres solvants comme le diméthylsulfoxyde, le formamide, l'acétamide, le diméthylformamide, l'acétonitrile, le propylnitrile, le nitrométhane, les triesters d'acide phosphorique, le sulfolane, le méthylsulfolane, les dérivés de carbonate de propylène et leurs mélanges.
Selon un autre exemple, l'électrolyte est un électrolyte en gel ou un électrolyte polymère en gel. L'électrolyte polymère en gel peut comprendre, par exemple, un précurseur de polymère et un sel (par exemple, un sel tel que défini précédemment), un solvant (par exemple, un solvant tel que défini précédemment) et un initiateur de polymérisation et/ou de réticulation, si nécessaire. Des exemples d'électrolyte en gel incluent, sans limitation, des électrolytes en gel tels que ceux décrits dans les demandes de brevets PCT
publiées sous les numéros W02009/111860 (Zaghib et al.) et W02004/068610 (Zaghib et al.).
Selon un autre exemple, un électrolyte en gel ou un électrolyte liquide tel que défini précédemment peut également imprégner un séparateur tel qu'un séparateur en polymère. Des exemples de séparateurs incluent, sans limitation, des séparateurs de polyéthylène (PE), de polypropylène (PP), de cellulose, de polytétrafluoroéthylène (PTFE), poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) et de polypropylène-polyéthylène-Date Reçue/Date Received 2022-10-12 polypropylène (PP/PE/PP). Par exemple, le séparateur est un séparateur de polymère commercial de type Celgardmc.
Selon un autre exemple, l'électrolyte est un électrolyte polymère solide. Par exemple, l'électrolyte polymère solide peut être choisi parmi tous les électrolytes polymères solides connus et peut être choisi pour sa compatibilité avec les divers éléments d'une cellule électrochimique. Les électrolytes polymères solides comprennent généralement un sel ainsi qu'un ou plusieurs polymère(s) polaire(s) solide(s), éventuellement réticulé(s). Des polymères de type polyether, tels que ceux à base de poly(oxyde d'éthylène) (POE), peuvent être utilisés, mais plusieurs autres polymères compatibles sont également connus pour la préparation d'électrolytes polymères solides et sont également envisagés.
Le polymère peut être réticulé. Des exemples de tels polymères incluent les polymères ramifiés, par exemple, des polymères en étoile ou des polymères en peigne tels que ceux décrits dans la demande de brevet PCT publiée sous le numéro W02003/063287 (Zaghib et al.).
.. Selon un autre exemple, l'électrolyte polymère solide peut inclure un copolymère séquence composé d'au moins un segment de solvatation d'ions lithium et éventuellement d'au moins un segment réticulable. Préférablement, le segment de solvatation d'ions lithium est choisi parmi les homo- ou copolymères ayant des unités répétitives de Formule I :
-(C H2-CH-O)-Formule I
dans laquelle, R est choisi parmi un atome d'hydrogène, et un groupe C1-C1oalkyle ou ¨(CH2-0-RaRb);
Ra est (CH2-CH2-0)y;
Rb est choisi parmi un atome d'hydrogène et un groupe C1-C1oalkyle;
x est un nombre entier choisi dans l'intervalle de 10 à 200 000; et y est un nombre entier choisi dans l'intervalle de 0 à 10.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 Selon un autre exemple, le segment réticulable du copolymère est un segment de polymère comprenant au moins un groupement fonctionnel réticulable de façon multidimensionnelle par irradiation ou traitement thermique.
Lorsque l'électrolyte est un électrolyte liquide, un électrolyte en gel ou un électrolyte polymère solide, le composé inorganique possédant une structure de type argyrodite tel qu'ici défini peut être présent en tant qu'additif dans l'électrolyte.
Lorsque l'électrolyte est un électrolyte solide hybride polymère-céramique ou un électrolyte solide inorganique de type céramique, le composé inorganique possédant une structure de type argyrodite tel qu'ici défini peut être présent en tant que matériau d'électrolyte solide inorganique (céramique).
Selon un autre exemple, l'électrolyte peut également éventuellement inclure des composantes additionnelles telles que des matériaux conducteurs ioniques, des particules inorganiques, des particules de verre ou de céramique et d'autres additifs de même type. La composante additionnelle peut être choisie pour sa compatibilité
avec les différents éléments d'une cellule électrochimique. Selon un exemple, la composante additionnelle peut être substantiellement dispersée dans l'électrolyte.
Alternativement, la composante additionnelle peut être dans une couche séparée.
La présente technologie concerne également une cellule électrochimique comprenant une électrode négative, une électrode positive et un électrolyte, dans laquelle au moins l'une de l'électrode positive ou de l'électrode négative est telle qu'ici définie à
ou comprend un matériau d'électrode tel qu'ici défini.
Selon un exemple, l'électrode négative est telle que définie ici ou comprend un matériau d'électrode tel qu'ici défini. Par exemple, le matériau électrochimiquement de l'électrode négative peut être choisi pour sa compatibilité électrochimique avec les différents éléments de la cellule électrochimique telle qu'ici définie. Par exemple, le matériau électrochimiquement du matériau d'électrode négative peut posséder un potentiel d'oxydo-réduction substantiellement plus bas que celui du matériau électrochimiquement actif de l'électrode positive.
Selon un autre exemple, l'électrode positive est telle que définie ici ou comprend un matériau d'électrode tel qu'ici défini et l'électrode négative inclut un matériau Date Reçue/Date Received 2022-10-12 électrochimiquement actif choisi parmi tous les matériaux électrochimiquement actifs compatibles connus. Par exemple, le matériau électrochimiquement actif de l'électrode négative peut être choisi pour sa compatibilité électrochimique avec les différents éléments de la cellule électrochimique telle qu'ici définie. Des exemples non limitatifs de matériaux électrochimiquement actifs de l'électrode négative incluent les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux, les alliages comprenant au moins un métal alcalin ou alcalino-terreux, les métaux non-alcalins et non-alcalino-terreux (par exemple, l'indium (In), le germanium (Ge) et le bismuth (Bi)), et les alliages ou composés intermétalliques (par exemple, SnSb, TiSnSb, Cu2Sb, AlSb, FeSb2, FeSn2 et CoSn2). Par exemple, le matériau électrochimiquement actif de l'électrode négative peut être sous forme de film. Selon une variante d'intérêt, le matériau électrochimiquement actif de l'électrode négative peut comprendre un film de lithium métallique ou d'un alliage incluant ou à base de lithium métallique.
Selon un autre exemple, l'électrode positive peut être prélithiée et l'électrode négative peut être initialement (c.-à-d., avant le cyclage de la cellule électrochimique) substantiellement ou complètement exempte de lithium. L'électrode négative peut être lithiée in situ lors du cyclage de ladite cellule électrochimique, notamment lors de la première charge. Selon un exemple, du lithium métallique peut être déposé in situ sur le collecteur de courant (par exemple, un collecteur de courant en cuivre) lors du cyclage de la cellule électrochimique, notamment lors de la première charge. Selon un autre exemple, un alliage incluant du lithium métallique peut être généré à la surface d'un collecteur de courant (par exemple, un collecteur de courant en aluminium) lors du cyclage de la cellule électrochimique, notamment lors de la première charge. Il est entendu que l'électrode négative peut être générée in situ lors du cyclage de la cellule électrochimique, notamment lors de la première charge.
Selon un autre exemple, l'électrode positive et l'électrode négative sont toutes deux telles que définies ici ou comprennent toutes deux un matériau d'électrode tel qu'ici défini.
La présente technologie concerne également une cellule électrochimique comprenant une électrode négative, une électrode positive et un électrolyte, dans laquelle l'électrolyte est tel qu'ici défini.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 La présente technologie concerne également une cellule électrochimique comprenant une électrode négative, une électrode positive et un électrolyte, dans laquelle l'électrolyte est tel qu'ici défini et au moins l'une de l'électrode positive ou de l'électrode négative est telle qu'ici définie à ou comprend un matériau d'électrode tel qu'ici défini.
Selon un exemple, l'électrode positive est telle que définie ici ou comprend un matériau d'électrode tel qu'ici défini.
La présente technologie concerne également une batterie comprenant au moins une cellule électrochimique telle qu'ici définie. Par exemple, la batterie peut être une batterie primaire (pile) ou secondaire (accumulateur). Selon un exemple, la batterie est choisie parmi le groupe constitué d'une batterie au lithium, d'une batterie lithium-ion, d'une batterie au sodium, d'une batterie sodium-ion, d'une batterie au magnésium, d'une batterie magnésium-ion, d'une batterie au potassium et d'une batterie potassium-ion.
Selon une variante d'intérêt, la batterie est une batterie dite tout solide.
Selon un exemple, l'utilisation d'un sulfate du métal alcalin (par exemple, du Li2SO4) en tant que précurseur dans le procédé tel qu'ici défini peut permettre de diminuer les coûts de production par une plus faible quantité de Li2S utilisée et/ou par l'absence d'une étape de recuit ou la diminution de la température de recuit.
Selon un autre exemple, le procédé tel qu'ici défini peut permettre l'obtention de composés inorganiques présentant des conductivités ioniques substantiellement similaires aux conductivités ioniques rapportées pour des composés inorganiques obtenus par des procédés conventionnels à partir de précurseurs différents et comprenant une étape de recuit.
Selon un autre exemple, le procédé tel qu'ici défini peut permettre l'obtention de composés inorganiques présentant une stabilité électrochimique améliorée.
Selon un autre exemple, le procédé tel qu'ici défini peut permettre l'obtention d'un composé inorganique ayant une sécurité améliorée, par exemple, en réduisant substantiellement le volume de H25 généré par l'exposition du composé
inorganique à
l'humidité ou l'air ambiant.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 Selon un autre exemple, le procédé tel qu'ici défini peut permettre l'obtention d'une plus grande densité de courant critique et donc une meilleure stabilité en contact avec l'électrode négative métallique ou alliage.
EXEMPLES
Les exemples qui suivent sont à titre illustratif et ne doivent pas être interprétés comme limitant davantage la portée de l'invention telle qu'envisagée. Ces exemples seront mieux compris en se référant aux Figures annexées.
Sauf indication contraire, tous les nombres exprimant des quantités de composants, des conditions de préparation, des concentrations, des propriétés, etc. utilisés ici doivent être compris comme étant modifiés dans tous les cas par le terme environ . Au minimum, chaque paramètre numérique doit être interprété à la lumière du nombre de chiffres significatifs rapportés et en appliquant les techniques d'arrondissement communes. Par conséquent, sauf indication contraire, les paramètres numériques énoncés dans le présent document sont des approximations qui peuvent varier en fonction des propriétés désirées. Nonobstant le fait que les intervalles de valeurs numériques et les paramètres définissant l'étendue des modes de réalisation sont des approximations, les valeurs numériques présentées dans les exemples suivants sont rapportées aussi précisément que possible. Cependant, toute valeur numérique contient intrinsèquement certaines erreurs résultant de variations dans les expériences, les mesures d'essai, les analyses statistiques, etc.
Exemple 1 ¨ Synthèse des argyrodites Des composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite de formules Li5,4PS4,300,1C11,6, Li5,4P54,100,3C11,6, Li5,4P53,900,5C11,6, Li5,4P53,6500,75C11,6, Li5,7P54,400,301,3, Li5,1PS4,400,3C11,3, Li4,8P54,100,3CI 1,6, Li5,4P54,401,6, Li5,4P54,100,30 1,6, Li5,4P53,900,501,6, Li5,4P54,100,3Br1,6, Li5,4PS4,100,3Cli,oBro,6, Li5,4P54,100,300,8Bro,8, Li5,4P54,100,3C10,6Br1,o, Li5,4PS4,100,301,0Bro,510,1, Li5,4P54,100,3C10,75Bro,7510,1, Li5,4P54,100,3C10,75ro,710,2 Li5,4P54,100,3C11,oBro,410,2, et Li6PS5CI ont été entièrement préparés en boîte à gant sous atmosphère inerte (H20 < 0,1ppm ; 02 < 0,1 ppm) par un procédé de réaction à
l'état solide sans traitement thermique. Les composés inorganiques ont été obtenus par broyage à partir des précurseurs Li2S, P255, Li2SO4 ou Li2O et au moins un halogénure de Li (LiCI, LiBr et/ou Date Reçue/Date Received 2022-10-12 Lil) afin d'obtenir des poudres ayant les stoechiométries souhaitées selon les équations de réaction suivantes :
(3,5-y/4-t-z-w) Li2S + y/4 Li2SO4 + 1/2 P2S5 + t LiCI + z LiBr + w Lil ¨>
Lin z wPS6ty z wOyClerzlw + y S Équation (3) (3,5-5/4y-t) Li2S + y/4 Li2SO4 + 1/2 P2S5 + t LiCI ¨> Li74_2yPS6_t_yOyClt Équation (4) (3,5-y-t) Li2S + y Li2O + 1/2 P2S5 + t LiCI ¨> Li7_tPS6_t_yOyClt Équation (5) Le broyage des poudres a été effectué par deux procédés différents.
Premier procédé de broyage des poudres (Procédé 1) :
Le broyage des poudres a été effectué en utilisant un broyeur planétaire PULVERISETTE
.. 7.
1,7 g de poudre ainsi que 15 billes de broyage ayant un diamètre de 10 mm en zircone yttriée (ratio massique billes : poudre = 30) ont été placés dans une jarre de broyage en zircone yttriée de 45 mL. Les poudres ont été broyées à une vitesse d'environ 600 rpm pendant environ 10 heures pour produire les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite.
Second procédé de broyage des poudres (Procédé 2) :
Le broyage des poudres a été effectué en utilisant un broyeur planétaire PM100. 14 g de poudre ainsi que 16 billes de broyage ayant un diamètre de 20 mm en zircone yttriée (ratio massique billes : poudre = 30) ont été placés dans une jarre de broyage en zircone yttriée .. de 250 mL. Les poudres ont été broyées à une vitesse d'environ 650 rpm pendant environ 10 heures pour produire les composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite.
Argyrodite de formule Li5,4P54 300 iCli 6 (Argyrodite 1) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS4,300,1C11,6 a été obtenu par le Procédé 1 du présent exemple à partir des précurseurs Li2S, P255, LiCI et Li2SO4 selon l'Équation 3 dans laquelle, t =
1,6 ;z=0;w =0; et y = 0,1.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 Arqyrodite de formule Li5,4PS41003C116 (Arqyrodite 2) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS4,100,3C11,6 a été obtenu par le Procédé 1 du présent exemple à partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiCI et Li2SO4 selon l'Équation 3 dans laquelle, t =
1,6 ; z = 0 ; w=
0 ; et y = 0,3.
Arqyrodite de formule Li5,4PS39005C116 (Arqyrodite 3) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS3,900,5C11,6 a été obtenu par le Procédé 1 du présent exemple à partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiCI et Li2SO4 selon l'Équation 3 dans laquelle, t =
1,6 ;z= 0;w =0; et y = 0,5.
Arqyrodite de formule Li5,4PS3 6500 75C11 6 (Arqyrodite 4) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS3,6500,75C11,6 a été obtenu par le Procédé 1 du présent exemple à
partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiCI et Li2SO4 selon l'Équation 3 dans laquelle, t =
1,6 ;z= 0; w = 0 ; et y = 0,75.
Arqyrodite de formule Li5,7PS44003C113 (Arqyrodite 5) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,7PS4,400,3C11,3 a été obtenu par le Procédé 1 du présent exemple à partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiCI et Li2SO4 selon l'Équation 3 dans laquelle, t =
1,3 ;z= 0; w = 0 ; et y = 0,3.
Arqvrodite de formule Li51PS44003C113 (Arqvrodite 6) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,1PS4,400,3C11,3 a été obtenu par le Procédé 1 du présent exemple à partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiCI et Li2SO4 selon l'Équation 4 dans laquelle, t =
1,3 ;z= 0; w = 0 ; et y = 0,3.
Arqyrodite de formule Li4,5PS41003C116 (Arqyrodite 7) :
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li4,8PS4,100,3C11,6 a été obtenu par le Procédé 1 du présent exemple à partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiCI et Li2SO4 selon l'Équation 4 dans laquelle, t =
1,6; z = 0 ; w = 0 ; et y = 0,3.
Arqyrodite de formule Li54PS44C116 (Arqyrodite 8) (exemple comparatif) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS4,401,6a été obtenu à titre comparatif par le Procédé 1 du présent exemple à partir des précurseurs Li2S, P2S5 et LiCI selon l'Équation 3 dans laquelle, t = 1,6 ;
z = 0 ; w = 0 ; et y = 0.
Arqyrodite de formule Li54PS41003C116 (Arqyrodite 9) (exemple comparatif) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS4,100,3C11,6 a été obtenu à titre comparatif par le Procédé 1 du présent exemple à
partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiCI et Li2O selon l'Équation 5 dans laquelle, t = 1,6 ; z = 0 ;w= 0 ;ety= 0,3.
Arqyrodite de formule Li54PS39005C116 (Arqyrodite 10) (exemple comparatif) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS3,900,5C11,6 a été obtenu à titre comparatif par le Procédé 1 du présent exemple à
partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiCI et Li2O selon l'Équation 5 dans laquelle, t = 1,6 ; z = 0 ;w= 0 ;ety= 0,5.
Arqyrodite de formule Li6PS5C1 (Arqyrodite 11) (exemple comparatif) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li6PS5CI
a été obtenu à titre comparatif par le Procédé 1 du présent exemple à partir des précurseurs Li2S, P2S5 et LiCI selon l'Équation 3 dans laquelle, t = 1,0 ; z =
0 ; w = 0; et y = O.
Arqyrodite de formule Li5,4PS4,100,3C11,0Bro,6 (Arqyrodite 12) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS4,100,3C11,0Bro,6 a été obtenu par le Procédé 1 du présent exemple à
partir des Date Reçue/Date Received 2022-10-12 précurseurs Li2S, P2S5, LiCI, LiBr et Li2SO4 selon l'Équation 3 dans laquelle, t = 1,0 ; z =
0,6 ; w = 0 ; et y = 0,3.
Arqyrodite de formule Li5,4PS41003C10813ro 8 (Arqyrodite 13) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS4,100,3C10,8Bro,8 a été obtenu par le Procédé 1 du présent exemple à
partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiCI, LiBr et Li2SO4 selon l'Équation 3 dans laquelle, t = 0,8 ; z =
0,8 ; w = 0 ; et y = 0,3.
Arqyrodite de formule Li5,4PS41003C106Br1 0 (Arqyrodite 14) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS4,100,3C10,6Br1,0 a été obtenu par le Procédé 1 du présent exemple à
partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiCI, LiBr et Li2SO4 selon l'Équation 3 dans laquelle, t = 0,6 ; z =
1 ; w = 0; et y = 0,3.
Arqyrodite de formule Li5,4PS41003Br1 6 (Arqyrodite 15) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS4,100,3Br1,6 a été obtenu par le Procédé 1 du présent exemple à partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiBr et Li2SO4 selon l'Équation 3 dans laquelle, t =
0; w = 0; z =
1,6; et y = 0,3.
Arqyrodite de formule Li5,4PS4,1003C11 oBrosloi (Arqyrodite 16) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS4,100,3C11,0Bro,510,1 a été obtenu par le Procédé 1 du présent exemple à partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiCI, LiBr, Lil et Li2SO4 selon l'Équation 3 dans laquelle, t = 1,0 ; z = 0,5 ; w = 0,1 et y = 0,3.
Arqvrodite de formule Lis 4PS41003C1075Bro 75101 (Arqvrodite 17) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS4,100,3C10,75Bro,7510,1 a été obtenu par le Procédé 1 du présent exemple à partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiCI, LiBr, Lil et Li2SO4 selon l'Équation 3 dans laquelle, t = 0,75;
z = 0,75 ; w = 0,1 ; et y = 0,3.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 Arqyrodite de formule Li5,4PS4,1003C107Br0710 2 (Arqyrodite 18) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS4,100,3C10,7Bro,710,2 a été obtenu par le Procédé 1 du présent exemple à partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiCI, LiBr, Lil et Li2SO4 selon l'Équation 3 dans laquelle, t = 0,7 ; z = 0,7 ; w = 0,2 ; et y = 0,3.
Arqyrodite de formule Li5,4PS4,1003C11 oBro410 2 (Arqyrodite 19) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS4,100,3Cli oBro,410,2 a été obtenu par le Procédé 1 du présent exemple à partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiCI, LiBr, Lil et Li2SO4 selon l'Équation 3 dans laquelle, t = 1,0 ; z = 0,4 ; w = 0,2 ; et y = 0,3.
Arqyrodite de formule Li5,4PS41003C116 (Arqyrodite 20) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS4,100,3C11,6 a été obtenu par le Procédé 2 du présent exemple à partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiCI et Li2SO4 selon l'Équation 3 dans laquelle, t =
1,6 ; z = 0; w = 0 ; et y = 0,3.
Arqyrodite de formule Li5,4PS41003C108Bro 8 (Arqyrodite 21) :
Un composé inorganique possédant une structure de type argyrodite de formule Li5,4PS4,100,3C10,8Bro,8 a été obtenu par le Procédé 2 du présent exemple à
partir des précurseurs Li2S, P2S5, LiCI, LiBr et Li2SO4 selon l'Équation 3 dans laquelle, t = 0,8 ; z =
0,8 ; w = 0 ; et y = 0,3.
Exemple 2 ¨ Caractérisation par diffraction des rayons X (DRX) des composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite La structure cristalline des argyrodites préparées à l'Exemple 1 a été étudiée par DRX.
L'analyse a été entièrement réalisée en chambre anhydre et les spectres de rayons X ont été obtenus en utilisant un diffractomètre à rayons X Rigaku MiniFlexmc équipé
d'une source de rayons X au cobalt.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 Des pastilles ont été préparées en compressant 80 mg de poudre d'argyrodite préparés à l'Exemple 1. Les pastilles ont ensuite été placées dans des porte-échantillons étanches qui ont été fermés en boîte à gant, sous atmosphère inerte.
Dans les diagrammes de diffraction des rayons X présentés aux Figures 1 à 6, les pics correspondant aux impuretés Li3PO4, Li2S et LiCI ont été identifiés respectivement par des lignes pleines, des lignes discontinues et des lignes tiret cadratin-point-point. Le pic D
provient du dôme utilisé lors de l'analyse DRX. Les autres pics correspondent à la structure de type argyrodite.
La Figure 1 présente les diagrammes de diffraction des rayons X obtenus pour les argyrodites (Argyrodites 1 à 4 et 8). Les diagrammes de diffraction des rayons X présentés à la Figure 1 montrent que la structure de type argyrodite est bien obtenue pour toutes les compositions. Il est possible d'observer la présence d'une quantité
substantiellement plus importante d'impuretés (LiCI, Li2S et Li3PO4) pour les compositions les plus riches en oxygène (y> 0,3) (Argyrodites 3 et 4).
La Figure 2 présente les diagrammes de diffraction des rayons X obtenus pour les argyrodites (Argyrodites 2 et 5 à 7). La Figure 2 montre que la structure argyrodite a bien été obtenue pour t = 1,3 et y = 0,3 (Argyrodites 5 et 6), et ce, pour les deux synthèses (Équations 3 et 4). Il est possible d'observer à la Figure 2, la présence de moins de Li2S
résiduel pour la structure de l'Argyrodite 6 que pour la structure de l'Argyrodite 5. La Figure 2 montre également une dégradation de la structure pour l'argyrodite de formule Li4,8PS4,100,3C11,6 dans laquelle, t = 1,6 et y = 0,3 (Argyrodite 7). Il est possible d'observer une quantité substantiellement plus importante de LiCI résiduel, mais aucune trace de Li2S. Ceci indique qu'une structure de type argyrodite incluant moins de lithium pourrait induire un mélange de phases de type argyrodite et de phases parasites (par exemple, LiCI).
La Figure 3 présente les diagrammes de diffraction des rayons X pour les argyrodites obtenues à partir des précurseurs Li2SO4 (Argyrodites 2 et 3) et Li2O
(Argyrodites 9 et 10).
La Figure 3 montre que pour un taux d'oxygène de 0,3 (Argyrodites 2 et 9) il n'y a pas de différence significative observable sur la structure de l'argyrodite des composés inorganiques obtenus à partir des deux différents précurseurs. Cependant, pour un taux d'oxygène de 0,5 l'argyrodite préparée à partir de Li2O (Argyrodite 10) contient Date Reçue/Date Received 2022-10-12 substantiellement plus d'impuretés (notamment LiCI) et possède une structure substantiellement moins bien définie comparativement à l'argyrodite préparée à
partir de Li2SO4 (Argyrodite 3). Ainsi, il est possible d'obtenir des argyrodites oxydées substantiellement plus pures sur une large gamme de composition à partir du précurseur Li2SO4 comparativement au précurseur Li2O communément utilisé.
La Figure 4 présente les diagrammes de diffraction des rayons X pour les argyrodites obtenues à partir du précurseur Li2SO4 et d'un mélange d'halogénures incluant du LiCI et du LiBr (Argyrodites 12 à 14) comparativement à celles de mêmes compositions obtenues à partir de LiCI (Argyrodite 2) ou de LiBr (Argyrodite 15). La Figure 4 montre que la structure argyrodite est bien conservée quel que soit le taux de Br et Cl. La position des pics diminue lorsque le taux de Br augmente. Ceci peut être attribué à
l'augmentation du paramètre de maille, un phénomène connu dans la littérature.
La Figure 5 présente les diagrammes de diffraction des rayons X pour les argyrodites obtenues à partir du précurseur Li2SO4 et d'un mélange d'halogénures incluant du LiCI, du LiBr et du Lil (Argyrodites 16 à 19). La Figure 5 montre que la structure argyrodite est bien conservée, et ce, même avec le mélange des trois halogénures.
Il est ainsi possible d'obtenir le composé de structure argyrodite oxydée quels que soient la composition et le mélange d'halogénure avec une oxydation à partir du précurseur Li2SO4.
La Figure 6 présente les diagrammes de diffraction des rayons X pour les Argyrodites 2 et 13 obtenues à partir du précurseur Li2SO4 dans des jarres de petit volume (selon le Procédé 1 présenté à l'Exemple 1) et les Argyrodites 20 et 21 obtenues à
partir du précurseur Li2SO4 dans des jarres de plus grand volume (selon le Procédé 2 présenté à
l'Exemple 1). La composition des Argyrodites 2 et 20 sont similaires ainsi que celles des argyrodites 13 et 21. La Figure 5 montre que la structure argyrodite est bien conservée quelle que soit la composition de l'argyrodite et quel que soit le volume de synthèse démontrant que le procédé ainsi décrit pourrait être appliqué à l'échelle industrielle.
Exemple 3 ¨ Caractérisation par résonance magnétique nucléaire (RMN) des composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite Date Reçue/Date Received 2022-10-12 La composition des argyrodites préparées à l'Exemple 1 a été étudiée par RMN.
Les spectres de résonance magnétique nucléaire du lithium (6Li RMN) et du phosphore (31P
RMN) ont été obtenus par la technique MAS (rotation à l'angle magique) en utilisant un spectromètre Bruker Avance NEO 500 MHz muni d'une sonde triple résonance de 4 mm dont la vitesse maximale de rotation à l'angle magique est de 15 kHz.
Les Figures 7 et 8 présentent respectivement des spectres 6Li RMN et 31P RMN
obtenus pour les argyrodites de composition Li5,4P54,100,3C11,6 obtenues à partir des précurseurs Li2SO4 (Argyrodite 2) et Li20 (Argyrodite 9).
Pour les deux argyrodites (Argyrodites 2 et 9), le pic principal sur les spectres RMN 6Li présentés à la Figure 7 correspond à l'argyrodite, tandis que le pic secondaire correspond à des résidus de LiCI.
Pour les Argyrodites 2 et 9, le pic principal sur les spectres RMN 31P
présentés à la Figure 8 correspond à l'argyrodite, tandis que les pics secondaires correspondent aux phases P2564-, P0252, P035 et PO4. L'intensité relative des pics RMN 31P est indiquée au Tableau .. 1.
Tableau 1. Intensité relative des pics RMN 31P
Argyrodite Argyrodite P2S64 P02S2 PO3S PO4 Argyrodite 2 96,7 2,3 0,5 0,4 0,1 Argyrodite 9 95,3 1,7 1,7 0,9 0,4 L'intensité relative des pics présentée dans le Tableau 1, montre que l'utilisation du Li2SO4 en tant que précurseur (Argyrodite 2) permet de réduire significativement la formation des phases secondaires P0252, P035 et PO4 par rapport à l'utilisation du Li20 (Argyrodite 9).
II est donc possible d'observer que l'oxygène s'incorpore mieux dans la structure argyrodite grâce au précurseur Li2SO4 et donc génère moins de phases additionnelles.
Ceci permet de différencier une argyrodite synthétisée à partir de Li2SO4 d'une argyrodite préparée à partir de Li20 ou toute autre source d'oxygène en tant que précurseur.
Les Figures 9 et 10 présentent respectivement des spectres 6Li RMN et 31P RMN
obtenus pour l'argyrodite de formule Li4,8P54,100,3C11,6 obtenue à partir des précurseurs Li2SO4 (Argyrodite 7).
Il est possible d'observer sur le spectre 6Li RMN présenté à la Figure 9 un pic à 1,2 ppm correspondant à une phase argyrodite avec six lithiums et un chlore, un second pic à 0,2 Date Reçue/Date Received 2022-10-12 ppm correspondant à une phase argyrodite avec une structure ayant un excès de chlore et un troisième pic à -1,1 ppm correspondant au LiCI.
Il est possible d'observer sur le spectre 31P RMN présenté à la Figure 10 un pic principal correspondant à l'argyrodite et trois pics secondaires correspondant à des phases de P2S64-, P02S2 et PO3S. La Figure 10 présente également un agrandissement du pic principal montrant que celui-ci se décompose en trois pics correspondant à un (P1), deux (P2) et trois (P3) chlore dans la structure secondaire du phosphore. L'excès simultané de P1 et P3 confirme la présence de deux types d'argyrodites, avec une faible et une forte fraction de chlore.
Ainsi, une diminution substantielle du taux de lithium peut conduire à la présence d'au moins deux phases d'argyrodites.
Les Figures 11 et 12 présentent respectivement des spectres 6Li RMN et 31P RMN
obtenus pour l'argyrodite de formule Li5,4PS4,100,3C10,8Bro,8 (Argyrodite 13) et de formule Li5,4PS4,100,3C11,0Bro,510,1 (Argyrodite 16) obtenue à partir du précurseur Li2SO4. Le pic principal sur les spectres RMN 6Li présentés à la Figure 11 correspond à
l'argyrodite. Il est possible d'observer sur les spectres 31P RMN présentés à la Figure 12 un pic principal correspondant à l'argyrodite et la présence de faibles pics secondaires correspondant à
des phases de P2S64- et P02S2. Cela confirme les résultats obtenus par diffraction des rayons X, à savoir l'obtention d'une phase argyrodite oxydée pure à partir de Li2SO4 quelle que soit la composition en halogénure.
Exemple 4 ¨ Génération de H2S lors de l'exposition des composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite à l'air Des tests de sécurité ont été effectués afin d'évaluer l'impact de l'argyrodite sur la génération de H2S. Environ 10 mg ( 3 mg) de poudre d'argyrodite ont été
placés dans une cellule étanche sous atmosphère inerte.
Un flux d'air a été introduit dans la cellule étanche à un débit d'environ 0,3 Umin, à une température contrôlée d'environ 24,5 C ( 0,5 C) et a une hygrométrie contrôlée avec un avec un taux d'humidité de 50 % ( 5 %). La concentration de H2S gazeux générée a été mesurée environ toutes les 15 secondes avec un détecteur multigaz (MSA
ALTAIRmc Date Reçue/Date Received 2022-10-12 5X) précédemment calibré et placé à la sortie de la cellule. A partir de ces données, le volume de H2S gazeux généré normalisé par la masse d'argyrodite a été calculé.
Les résultats de ces analyses sont présentés à la Figure 13. La Figure 13 montre un graphique du volume de H2S gazeux généré par gramme de poudre d'argyrodite (mL/g) en fonction du temps (heures) pour les Argyrodites 2 (Li5,4PS4,100,3C11,6) (ligne pointillée), 7 (Li4,8PS4,100,3C11,6) (ligne tiret cadratin-point), 8 (Li5,4PS4,401,6) (ligne discontinue), 11 (Li6PS5CI) (ligne pleine), 13 (Li5,4PS4,100,3C10,8Bro,8) (ligne tiret point point) et 16 (Li5,4PS4,100,3C11,0Bro,510,1) (ligne petit tiret) préparées à l'Exemple 1.
Il est possible d'observer qu'une argyrodite classique de type Li6PS5CI
(Argyrodite 11) génère un volume de H2S gazeux substantiellement plus élevé qu'une argyrodite dopée au chlore de type Li5,4PS4,4C11,6 (Argyrodite 8), démontrant l'intérêt du dopage au chlore sur la sécurité. Il est également possible d'observer que les argyrodites à
base du précurseur Li2SO4 permettent également de diminuer le volume de H2S gazeux comme c'est le cas pour l'argyrodite Li5,4PS4,100,3C11,6 (Argyrodite 2). L'ajout de brome et/ou d'iode à partir de la composition précédente tout en conservant le même taux d'oxygène et de lithium permet de diminuer à nouveau la génération de H2S. Finalement, la Figure 13 montre qu'une structure de type argyrodite générée à partir du précurseur Li2SO4 comportant une diminution significative de lithium (Argyrodite 7) permet de réduire davantage le volume de H2S gazeux généré, et ainsi, améliorer la sécurité tout en réduisant les coûts de production par une plus faible quantité de Li2S
utilisée et par l'absence ou la diminution de l'étape de recuit.
Exemple 5 ¨ Conductivité ionique des composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite a) Préparation de cellules symétriques pour les mesures de conductivité
ionique Des cellules symétriques ont été assemblées selon la procédure suivante afin de mesurer la conductivité ionique des composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite préparés à l'Exemple 1.
Des pastilles ont été préparés en compressant 160 mg de poudre de composé
inorganique possédant une structure de type argyrodite préparé à l'Exemple 1 entre deux électrodes d'acier inoxydable sous une pression de 360 MPa. Les pastilles placées entre Date Reçue/Date Received 2022-10-12 deux électrodes d'acier inoxydable ont ensuite été assemblées dans des cellules de conductivité étanches fermées en boite à gant sous atmosphère inerte maintenue à une pression de 20 M Pa.
Les cellules symétriques ont été assemblées selon les configurations indiquées au Tableau 2.
Tableau 2. Configurations des cellules symétriques Valeur Valeur Valeur Valeur Cellule symétrique Argyrodite Argyrodite de t de w de z de y Cellule 1 Argyrodite 1 Li5,4PS4,300,1C11,6 1,6 0 0 0,1 Cellule 2 Argyrodite 2 Li5,4PS4,100,3C11,6 1,6 0 0 0,3 Cellule 3 Argyrodite 3 Li5,4PS3,900,5C11,6 1,6 0 0 0,5 Cellule 4 Argyrodite 4 Li5,4PS3,6500,75C11,6 1,6 0 0 0,75 Cellule 5 Argyrodite 5 Li5,7PS4,400,3C11,3 1,3 0 0 0,3 Cellule 6 Argyrodite 6 Li5,1PS4,400,3C11,3 1,3 0 0 0,3 Cellule 7 Argyrodite 7 Li4,8PS4,100,3C11,6 1,6 0 0 0,3 Cellule 8 1,6 0 0 0 Argyrodite 8 Li5,4PS4,4C11,6 (cellule comparative) Cellule 9 1,6 0 0 0,3 Argyrodite 9 Li5,4PS4,100,3C11,6 (cellule comparative) Cellule 10 1,6 0 0 0,5 Argyrodite 10 Li5,4PS3,900,5Cl1,6 (cellule comparative) Cellule 12 Argyrodite 12 Li5,4PS4,100,3C11,oBro,6 1,0 0 0,6 0,3 Cellule 13 Argyrodite 13 Li5,4PS4,100,3Clo,8Bro,8 0,8 0 0,8 0,3 Cellule 14 Argyrodite 14 Li5,4PS4,100,3Clo,6Br1,o 0,6 0 1,0 0,3 Cellule 15 Argyrodite 15 Li5,4PS4,100,3Br1,6 0 0 1,6 .. 0,3 Cellule 16 Argyrodite 16 Li5,4PS4,100,3C11,0Bro,510,1 1,0 0,1 0,5 0,3 Cellule 17 Argyrodite 17 Li5,4PS4,100,3C10,75Bro,7510,1 0,75 0,1 0,75 0,3 Cellule 18 Argyrodite 18 Li5,4PS4,100,3C10,7Bro,710,2 0,7 0,2 0,7 0,3 Cellule 19 Argyrodite 19 Li5,4PS4,100,3C11,0Bro,410,2 1,0 0,2 0,4 0,3 Cellule 20 Argyrodite 20 Li5,4PS4,100,3C11,6 1,6 0 0 0,3 Cellule 21 Argyrodite 21 Li5,4PS4,100,3Clo,8Bro,8 0,8 0 0,8 0,3 b) Mesure de la conductivité ionique de cellules symétriques Les mesures de conductivité ionique des cellules symétriques assemblées à
l'Exemple 5(a) ont été effectuées avec un potentiostat multicanaux VMP-300 (BioLogic).
Les mesures ont été effectuées gamme de fréquences allant de 7 MHz à 200 mHz sous une amplitude de 50 mV dans un intervalle de températures allant de -10 C à 70 C
(en montée et en descente, chaque 10 C).
Chaque mesure de conductivité ionique a été obtenue après une stabilisation d'environ une heure de la température de l'étuve à la température. La conductivité
ionique a été
extraite en fonction d'un circuit équivalent utilisé afin d'extraire la résistance associée à la Date Reçue/Date Received 2022-10-12 pastille mesurée. Les droites ont été obtenues pour les cellules symétriques préparées à
l'Exemple 5(a). La pente de ces droites correspond à l'énergie d'activation et a une valeur d'environ 0,3 eV.
La Figure 14 présente les résultats de conductivité ionique mesurée en fonction de la température pour les Cellules 1 (.),2 (A), 3 (*), 4 (*) et 8 (o). Il est possible d'observer à la Figure 14 que la conductivité ionique des argyrodites les plus pauvres en oxygène (y 0,3) (Cellules 1 et 2) est similaire à celle de l'argyrodite exempte d'oxyde (Cellule 8).
Une diminution de la conductivité est observée pour les argyrodites les plus riches en oxygène (y> 0,3) (Cellules 3 et 4). Il est à noter que la conductivité ionique de l'argyrodite de formule Li5,4PS4,100,3C11,6 (Cellule 2) préparée à partir de Li2SO4 est substantiellement identique à celle de l'argyrodite exempte d'oxyde (Cellule 8).
La Figure 15 présente les résultats de conductivité ionique mesurée en fonction de la température pour les Cellules 2 (A), 5 (o), 6 (.) et 7 (*). La Figure 15 montre des valeurs de conductivité ionique substantiellement similaire pour les Cellules 5 et 6 comprenant respectivement les Argyrodites 5 et 6 (t = 1,3 et y = 0,3) obtenues par deux synthèses différentes (respectivement les Équations (3) et (4)). Pour t = 1,6 et y =
0,3, la Figure 15 montre également des valeurs de conductivité ionique substantiellement plus faible pour la Cellule 7 comprenant l'Argyrodite 7 en comparaison avec celles de la Cellule 2 comprenant l'Argyrodite 2. Comme on peut l'observer, grâce au précurseur Li2SO4, il est possible de moduler la composition (par exemple, le taux de lithium, d'oxygène et de soufre) d'une argyrodite de lithium oxysulfuré tout en restant substantiellement dans la même gamme de conductivité ionique. Il est également possible d'observer qu'une déficience importante en lithium induit une réduction de la conductivité
ionique.
La Figure 16 présente les résultats de conductivité ionique mesurée en fonction de la température pour les Cellules 2 (o), 3 (.), 9 (A) et 10 (*). La Figure 16 montre que pour une même composition, la conductivité ionique des argyrodites obtenues à
partir du précurseur Li2SO4 (Argyrodites 2 et 3) est significativement supérieure à
celle des argyrodites obtenues à partir du précurseur Li2O (Argyrodites 9 et 10). Comme démontré
à la Figure 8, l'utilisation de précurseur de type Li2SO4 permet une meilleure incorporation de l'oxygène au sein de la structure argyrodite et ceci se traduit par une augmentation de la conductivité comme démontré par les résultats de la Figure 16.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 La Figure 17 présente les résultats de conductivité ionique mesurée en fonction de la température pour les Cellules 2 (.), 12 (.), 13 (A), 14 (#) et 15 (*). La Figure 17 montre que la modulation de composition à partir des deux halogènes (c.-à-d., le chlore et le brome) ne modifie pas substantiellement la conductivité ionique, et ce, en maintenant de hautes conductivités. Il est à noter que l'Argyrodite 14 présente la meilleure conductivité.
La Figure 18 présente les résultats de conductivité ionique mesurée en fonction de la température pour les Cellules 16 (.), 17 (.), 18 (A) et 19 (*). La Figure 18 montre que l'incorporation des trois halogènes (c.-à-d., le chlore, le brome et l'iode) en présence de Li2SO4 ne modifie pas substantiellement la conductivité ionique, et ce, en maintenant de hautes conductivités. Il est possible d'observer qu'un taux d'iode de 0,1 permet d'obtenir de meilleure conductivité qu'à un taux plus élevé.
Ainsi en cumulant les différentes analyses, grâce au précurseur Li2SO4, il est possible d'obtenir des argyrodites oxysulfurées présentant les mêmes conductivités ioniques que celles sans oxyde et améliorées par rapport à l'utilisation du précurseur Li2O. De plus, il est possible de moduler la composition des argyrodites à base de Li2SO4 avec différents taux et type d'halogénure tout en maintenant une haute conductivité ionique.
De plus, cette modulation permet d'améliorer la sécurité tout en conservant de bonnes propriétés de conduction.
La Figure 19 présente les résultats de conductivité ionique mesurée en fonction de la température pour les Cellules 2 (o), 20 (.), 13 (A) et 21 (*). La Figure 19 montre que quelle que soit la composition de l'argyrodite à base de Li2SO4, l'augmentation de volume de synthèse permet d'augmenter légèrement la conductivité ionique. Ceci démontre que les solutions proposées peuvent être facilement applicable à l'échelle industriel, et ce, sans perte de performance.
Exemple 6 ¨ Stabilité électrochimique des composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite a) Préparation de pseudo-batteries pour les mesures de stabilité
électrochimique Des pseudo-batteries ont été assemblées selon la procédure suivante afin de déterminer la stabilité électrochimique des Argyrodites 2 et 9 préparées à l'Exemple 1.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 5% massique de VGCFs ont été mélangés avec 95% massique des Argyrodites 2 et 9 afin d'obtenir des pseudo-électrodes positives composites, et ainsi observer des réactions d'oxydoréduction substantiellement représentatives des compositions finales d'électrodes positives composites pouvant être utilisées en configuration de batteries.
Des électrolytes solides composés des mêmes argyrodites ont été ensuite été
placés sur la surface des pseudo-électrodes positives composites. Des électrodes négatives de lithium métallique ont ensuite été déposées sur la surface des électrolytes solides.
Les ensembles comprenant une pseudo-électrode positive composite, un électrolyte solide et une électrode négative de lithium métallique ont ensuite été
compressés et assemblés dans des cellules étanches fermées en boite à gant sous atmosphère inerte.
Les pseudo-batteries ont été assemblées selon les configurations présentées dans le Tableau 3.
Tableau 3. Configurations des pseudo-batteries Composition de la pseudo-électrode positive composite Composition de Composition Pseudo-batterie Matériau l'argyrodite de de l'électrolyte l'électrode Argyrodite conducteur solide négative électronique Li5,4PS4,100,3C11,6 VGCFs Li5,4PS4,100,3C11,6 Lithium Cellule 22 (Argyrodite 2) 5 cYo (Argyrodite 2) métallique 95 c/o massique massique Li5,4PS4,100,3C11,6 VGCFs Cellule 23 Li5,4PS4,100,3C11,6 Lithium (Argyrodite 9) 5 cYo (Cellule comparative) (Argyrodite 9) métallique 95 c/o massique massique b) Voltampérométrie cyclique La stabilité électrochimique en oxydation des pseudo-batteries telles que décrites à
l'Exemple 6(a) a été mesurée en utilisant un potentiostat multicanaux VMP-300 (BioLogic).
La Figure 20 présente les résultats de voltampérométrie cyclique obtenus pour la Cellule 22 et pour la Cellule 23 (batterie comparative) enregistrées à une vitesse de balayage de 0,05 mV/s dans la gamme de potentiel de l'oxyde de lithium, de nickel, de manganèse et de cobalt (NMC), soit entre 2,5 V et 4,2 V vs Li/Li + à une température d'environ 30 C. La Date Reçue/Date Received 2022-10-12 Figure 20 présente les résultats obtenus lors des quatre premiers cycles pour chacune des deux pseudo-batteries.
La Figure 20 montre qu'aucune réaction avec le lithium métal n'a pu être observée, démontrant la stabilité chimique et électrochimique des argyrodites avec le lithium métallique. Dans la gamme de potentiel du NMC, il est possible d'observer une faible réaction d'oxydoréduction pour les deux pseudo-batteries, avec une densité de courant plus faible générée pour la Cellule 22 comprenant l'argyrodite obtenue en utilisant du Li2SO4 en tant que précurseur (0.3 pA/cm2) et une hystérèse de polarisation plus faible. Il est également possible d'observer que cette réaction est réversible. Les argyrodites seraient donc substantiellement stables électrochimiquement dans la gamme de potentiel du NMC avec une stabilité électrochimique substantiellement améliorée pour l'argyrodite obtenue en utilisant du Li2SO4 en tant que précurseur. Ainsi, l'argyrodite obtenue en utilisant du Li2SO4 en tant que précurseur est substantiellement stable sur toute la gamme de potentiel d'une batterie lithium métal.
Exemple 7 ¨ Propriétés électrochimiques des composés inorganiques possédant une structure de type argyrodite Les propriétés électrochimiques de l'Argyrodite 2 préparée à l'Exemple 1 ont été étudiées.
a) Préparation du matériau d'électrode positive composite 35% massique de poudre de l'Argyrodite 2 préparé à l'Exemple 1 ont été
mélangés à 65%
massique de particules de LiNi0,6M no,2Co0,202 (NMC 622) et à 5% massique d'un mélange de noir de carbone Li400 (Denkamc) et de VGCFs (ratio 75:25 massique). Les poudres sèches ont été mélangées pendant en utilisant un agitateur tourbillonnaire (de type vortex) puis au mortier afin d'homogénéiser le matériau d'électrode positive composite.
b) Configuration de la cellule électrochimique (Cellule 24) La cellule électrochimique a été assemblée selon la procédure suivante.
Un électrolyte solide a été préparé en 80 mg de poudre de l'argyrodite 2 préparés à
l'Exemple 1 dans un moule de lOmm de diamètre sous une pression de 200 M Pa.
13 mg du matériau d'électrode positive composite préparé à l'Exemple 7(a) ont ensuite été
ajoutés dans le moule sur l'électrolyte solide suivi d'un collecteur de courant en aluminium.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 Le contenu du moule incluant la couche d'électrolyte solide, la couche d'électrode positive composite et le collecteur de courant en aluminium ont ensuite été compressés sous une pression de 360 MPa pendant environ 10 minutes. Une électrode de lithium métallique de mm de diamètre sur un collecteur de courant en acier inoxydable a ensuite été
ajoutée 5 face à la couche d'électrolyte solide et l'ensemble a été compressé sous une pression de 120 MPa pendant environ 5 minutes.
La cellule électrochimique a ensuite été assemblée, dans une cellule de cyclage étanche fermée en boite à gant sous atmosphère inerte maintenue à une pression de 20 MPa.
c) Comportement électrochimique de la cellule électrochimique 10 La Cellule 24 assemblée à l'Exemple 7(b) a été cyclée entre 2,5 V et 4,5 V vs Li/Li. Les cinq premiers cycles ont été effectués à C/10, suivis de quatre cycles à C/4, puis les expériences de vieillissement ont été effectuées à un courant de charge et de décharge constant de C/2 à une température de 30 C pour une capacité surfacique de 1.8 mAh/cm2.
La Figure 21 montre un graphique de la capacité de charge (.) et de décharge (o) et de l'efficacité coulombique (A) en fonction du nombre de cycles pour 100 cycles.
Les Figures 22 et 23 les profils de décharge à différents courants de charge et de décharge. Plus particulièrement, les Figures 22 et 23 montrent respectivement un graphique du potentiel en fonction de la capacité de décharge et temps en heures.
Il est possible d'observer qu'a C/10, C/4 et C/2 la cellule électrochimique fournie respectivement une capacité d'environ 170 mAh.g-1, 160 mAh.g-1 et 150 mAh.g-1.
Il est possible d'observer une rétention substantielle de la capacité après 100 cycles, permettant ainsi la stabilité des performances en vieillissement comme démontré à la Figure 22. Il est possible d'observer une cyclabilité adéquate de la cellule électrochimique à C/2 en charge et décharge à une température de 30 C démontrant la belle stabilité
électrochimique de l'Argyrodite 2 en potentiel et vis-à-vis du matériau conducteur électronique (c.-à-d., le mélange de noir de carbone Li400 et de VGCFs) et du matériau électrochimiquement actif (i.e., NCM).
Plusieurs modifications pourraient être effectuées à l'un ou l'autre des modes de réalisations décrits ci-dessus sans sortir du cadre de la présente invention telle Date Reçue/Date Received 2022-10-12 qu'envisagée. Les références, brevets ou documents de littérature scientifique référés dans la présente demande sont incorporés ici par référence dans leur intégralité et à
toutes fins.
Date Reçue/Date Received 2022-10-12 66. Electrochemical accumulator according to item 65, in which said accumulator electrochemical is a so-called all-solid-state battery.
BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Figure 1 shows X-ray diffraction patterns obtained for THE
powders of Argyrodites 1 to 4 and 8, as described in Example 2.
Figure 2 shows X-ray diffraction patterns obtained for THE
powders of Argyrodites 2 and 5 to 7, as described in Example 2.
Figure 3 shows X-ray diffraction patterns obtained for THE
powders of Argyrodites 2, 3, 9 and 10, as described in Example 2.
Figure 4 shows X-ray diffraction patterns obtained for THE
powders of Argyrodites 2 and 12 to 15, as described in Example 2.
Date Received/Date Received 2022-10-12 Figure 5 shows X-ray diffraction patterns obtained for THE
powders of Argyrodites 16 to 19, as described in Example 2.
Figure 6 shows X-ray diffraction patterns obtained for THE
powders of Argyrodites 2, 13, 20 and 21, as described in Example 2.
Figure 7 shows nuclear magnetic resonance spectra of lithium (6Li NMR) obtained for Argyrodites 2 and 9, as described in Example 3.
Figure 8 shows nuclear magnetic resonance spectra of the phosphorus (31P
NMR) obtained for Argyrodites 2 and 9, as described in Example 3.
Figure 9 shows a nuclear magnetic resonance spectrum of lithium (6Li NMR) obtained for Argyrodite 7, as described in Example 3.
Figure 10 shows a nuclear magnetic resonance spectrum of the phosphorus (31P
NMR) obtained for Argyrodite 7, as described in Example 3.
Figure 11 shows nuclear magnetic resonance spectra of the lithium (6Li NMR) obtained for Argyrodites 13 and 16, as described in Example 3.
Figure 12 shows nuclear magnetic resonance spectra of the phosphorus (31P NMR) obtained for Argyrodites 13 and 16, as described in Example 3.
Figure 13 shows a graph of the volume of gaseous H2S normalized by mass of argyrodite generated over time for Argyrodites 2, 7, 8, 11, 13 and 16, such that described in Example 4.
Figure 14 is a graph showing the ionic conductivity results in function of the temperature for Cells 1 (.), 2 (A), 3 (#), 4 (*) and 8 (11), such as described in Example 5(b).
Figure 15 is a graph showing the ionic conductivity results in function of the temperature for Cells 2 (A), 5 (11), 6 (.) and 7 (#), such that described in the Example 5(b).
Date Received/Date Received 2022-10-12 Figure 16 is a graph showing the ionic conductivity results in function of the temperature for Cells 2 (11), 3 (.), 9 (A) and 10 (#), such that described in the Example 5(b).
Figure 17 is a graph showing the ionic conductivity results in function the temperature for Cells 2 (11), 12 (.), 13 (A), 14 (#) and 15 (*), as described in Example 5(b).
Figure 18 is a graph showing the ionic conductivity results in function of the temperature for Cells 16 (11), 17 (.), 18 (A) and 19 (#), such that described to Example 5(b).
Figure 19 is a graph showing the ionic conductivity results in function of the temperature for Cells 2 (11), 20 (.), 13 (A) and 21 (+), such that described in the Example 5(b).
Figure 20 presents cyclic voltammograms obtained for Cells 22 and 23 recorded at a slew rate of 0.05 mV/s between 2.5 V and 4.2 V vs Li/Li + to one temperature of approximately 30 C, as described in Example 6(b).
Figure 21 shows a graph of charge (.) and discharge capacity (11) and coulombic efficiency (A) as a function of the number of cycles per 100 cycles obtained for Cell 24, as described in Example 7(c).
Figure 22 presents the discharge profiles of Cell 24 as a function of the capacity obtained at charge and discharge currents C/10, C/4 and C/2 and recorded vs Li/Li + at a temperature of 30 C.
Figure 23 shows the discharge profiles of Cell 24 as a function of time obtained at charge and discharge currents C/10, C/4 and C/2 and recorded vs Li/Li + at a temperature of 30 C.
DETAILED DESCRIPTION
The following detailed description and examples are presented for illustrative only and should not be construed as further limiting the scope of the invention. At otherwise, they are intended to cover all alternatives, modifications and equivalents Date Received/Date Received 2022-10-12 which may be included as defined by this description. THE
objects, advantages and other characteristics of the present inorganic compounds having a structure argyrodite type, their preparation processes, as well as materials electrode, electrodes, electrolytes, electrochemical cells and Accumulators electrochemicals including them will be more apparent and better understood at the reading of the following non-restrictive description and references to the figures attached.
All technical and scientific terms and expressions used here have the same definitions as those generally understood of the person versed in art of this technology. The definition of certain terms and expressions used is nevertheless provided below.
When the term approximately is used here, it means approximately, In the region of, or around. For example, when the term approximately is used in link with a numerical value, it modifies it above and below by a variation of 10% per compared to its nominal value. This term can also take into account, for example example of the experimental error of a measuring device or rounding.
When a range of values is mentioned in this application, the terminals lower and upper ranges are, unless otherwise indicated opposites, always included in the definition. When a range of values is mentioned in this request, then all intermediate intervals and subintervals, as well that the values individuals included in the value intervals, are included in the definition.
When article one is used to introduce an element into the this request, it does not have the meaning of just one, but rather of one or more. GOOD
heard, when the description states that a step, component, element or characteristic particular can or could be included, this step, this component, this element or this particular feature is not required to be included in every mode of realization.
The term self-supporting electrode as used here refers to a electrode without collector of the metallic current.
The present technology relates to a process for preparing a compound inorganic having an argyrodite type structure based on M2S-P2S5-M2SO4-MZ (in which, Date Received/Date Received 2022-10-12 M is an alkali metal chosen from lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), and a combination of at least two of these, and Z is a selected halogen atom among the fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br) and iodine (I), or a combination of at least two of these), the process comprising a step of direct grinding of the precursors.
According to some examples, M is lithium. The precursors being made up of metal sulfide alkaline (M25), alkali metal sulfate (M2504), pentasulfide of phosphorus (P255) and an alkali metal halide, chosen from alkali metal fluoride, the chloride of alkali metal, alkali metal bromide, alkali metal iodide and a mixture of minus two of these.
According to one example, inorganic compounds having a structure of type argyrodite can be respectively of formulas M6,P55_x_y0yZi+x and M6_x_2,,P55,_yOyZi+x, in which Z and M are as defined here, and x and y are numbers different from zero, by example 0 <x 1 and 0< y 1. Inorganic compounds having a structure of argyrodite type can therefore be obtained by grinding from the precursors such as here defined respectively according to the following reaction equations:
(2.5-y/4-x) M25 + y/4 M2504+ 1/2 P255 +(1+x) MZ ¨> M6_xPS5_x_yOyZi-Fx + y S
Equation (1) (2.5-5/4y-x) M25 + y/4 M2504 + 1/2 P255 + (1+x) MZ ¨> M6_x_2,,P55_x_yOyZi+x Equation (2) in which, x, y, M and Z are as defined here.
According to one example, when the inorganic compound has a structure of type argyrodite, x and y are non-zero numbers selected for reach electroneutrality. Non-limiting examples of inorganic compounds possessing a argyrodite type structure according to Equation 1 include the compounds inorganic having an argyrodite type structure of formulas M5,4P54,300,1Z1,6, M5,4P54,100,3Z1,6, M5.4P53.900.5Z1.6, M5.4P53.6500.75Z1.6 and M5.7P54.400.3Z1.3, in which M
and Z are such as defined here. When the inorganic compound has a structure of type argyrodite including less of the alkali metal (i.e., an inorganic compound has a structure of argyrodite type according to Equation 2), x and y are different numbers of zero selected to obtain a desired stoichiometry. Non-limiting examples of compounds inorganic materials having an argyrodite type structure according to Equation 2 include the inorganic compounds having an argyrodite-like structure of formulas M5,1P54,400,3Z1,3 and M4,8P54,100,3Z1,6, in which M and Z are such as defined here.
Date Received/Date Received 2022-10-12 According to an example of interest, Z is a chlorine atom and the metal halide alkaline is the alkali metal chloride. For example, the inorganic compound having a structure of argyrodite type can be chosen from inorganic compounds having a argyrodite type structure of formulas M5.4P54.300.1 C11.6, M5.4P54.1 00.301.6, M5.4P53.900.5C11.6, M5.4P53.6500.75C11.6, M5.7P54.400.30 1.3, M5.1 P54,400,301.3 and M4,8P54,100,3C11,6, in which M is as defined here.
According to another example of interest, Z is a bromine atom and the halide of alkali metal is the alkali metal bromide. For example, the inorganic compound having a argyrodite type structure can be chosen from inorganic compounds possessing an argyrodite type structure with formulas M5,4P54,300,1Br1,6, M5,4P54,100,3Br1,6, M5.4P53.900.5Br1.6, M5.4P53.6500.75Br1.6, M5.7P54.400.311-1.3, M5.1 PS4,400,3Br1.3 and M4.8P54.100.3Br1.6, in which M is as defined here. For example, the compound inorganic material having an argyrodite type structure may be a compound inorganic having an argyrodite type structure of formula M5,4P54,100,3Br1,6, in which M
is as defined here.
According to another example of interest, Z is an iodine atom and the halide of alkali metal is alkali metal iodide. For example, the inorganic compound having a structure of argyrodite type can be chosen from inorganic compounds having a structure argyrodite type with formulas M5,4P54,300,111.6, M5,4P54,100,311.6, M5,4P53,900,511,6, M5.4P53.6500.7511.6, M5.7P54.400.3I1.3, M5.1 P54.400.311.3 and M4,8P54,100,311,6, in which M is as defined here.
According to an example of interest, Z is a combination including chlorine and bromine and Alkali metal halides are a mixture of alkali metal chloride and bromide alkali metal. For example, the inorganic compound having a structure Of type argyrodite can be chosen from inorganic compounds having a structure of argyrodite type with formulas M5,4P54,100,301,0Bro,6, M5,4P54,100,3C10,8Bro,8 and M5,4P54,100,3C10,6Br1,o, in which M is as defined here.
According to an example of interest, Z is a combination including chlorine, bromine and iodine and alkali metal halides are a mixture of metal chloride alkaline, alkali metal bromide and alkali metal iodide. For example, the compound inorganic material having an argyrodite type structure can be chosen from compounds Date Received/Date Received 2022-10-12 inorganic substances having an argyrodite type structure of formulas M5,4PS4,100,3C11,oBro,510,1, M5,4PS4,100,300,75Bro,7510,1, M5,4PS4,100,3C10,7Bro,710,2 and M5,4PS4,100,3C11,0Bro,410,2, in which M is as defined here.
According to an example of interest, the alkali metal is lithium and the compound inorganic having an argyrodite type structure is based on Li2S-P255-Li2SO4-LiZ
(in which, Z is a halogen atom chosen from F, Cl, Br and I, or a combination at least two of these), the process comprising a step of direct grinding of the precursors. THE
precursors consisting of lithium sulphide (Li2S), lithium sulphate lithium (Li2SO4), phosphorus pentasulfide (P255) and a lithium halide, chosen from fluoride lithium (LiF), lithium chloride (LiCI), lithium bromide (LiBr), lithium iodide (Lil) and a mixture of at least two of these.
Non-limiting examples of inorganic compounds having a structure Of type argyrodite according to Equation 1 include inorganic compounds having a structure argyrodite type with formulas Li5,4P54,300,1Z1,6, Li5,4P54,100,3Z1,6, 1-i5,41D53,90o,5Z1,6, Li5,4P53,6500,75Z1,6 and Li5,7P54,400,3Z1,3, in which Z is as here defined. Examples non-limiting inorganic compounds having a structure of the type argyrodite according to Equation 2 includes inorganic compounds having a structure of argyrodite type of formulas Li5,1P54,400,3Z1,3 and Li4,8P54,100,3Z1,6, in which Z is as defined here.
According to an example of interest, Z is a chlorine atom and the halide of lithium is LiCI.
For example, the inorganic compound having an argyrodite type structure maybe chosen from inorganic compounds having a structure of type argyrodite formulas Li5,4PS4,300,1C11.6, Li5,4P54,100,3C11.6, Li5,4P53,900,501.6, Li5,4P53,6500,75C11,6, Li5.7P54.400.3C11.3, Li5.1P54.400.3C11.3 and Li4.8P54.100.3C11.6.
According to another example of interest, Z is a bromine atom and the halide of lithium is the LiBr. For example, the inorganic compound having a structure of type argyrodite can be chosen from inorganic compounds having a structure of type argyrodite formulas Li5,4PS4,300,1Bri,6, Li5,4P54,100,3Br1.6, Li5,4P53,900.5Br1.6, Li5.4P53.6500.75Br1.6, Li6.7P54.400.3Br1.3, Li5.1P54.400.3Br1.3 and Li4.8P54.100.3Br1.6. For example, the compound inorganic material having an argyrodite type structure may be a compound inorganic having an argyrodite type structure with formula Li5.4P54.100.3Br1.6.
Date Received/Date Received 2022-10-12 According to another example of interest, Z is an iodine atom and the halide of lithium is the Lil.
For example, the inorganic compound having an argyrodite type structure maybe chosen from inorganic compounds having a structure of type argyrodite formulas Li5,4P54,300,111.6, Li5,4P54,100,311.6, Li5,4PS3,900,511.6, Li5,4PS3,6500,7511.6, Li5.7PS4,400,311.3, Li5.1PS4,400,311.3 and Li4.8PS4,100,311.6.
According to an example of interest, Z is a combination including chlorine and bromine and Lithium halides are a mixture of the alkali metal LiCl and LiBr.
For example, the inorganic compound having an argyrodite type structure can be chosen from inorganic compounds having an argyrodite type structure of formulas Li5,4PS4,10o,3Cli,oBro,6, Li5APS 0 CI Br e1 Li PS 0 CI Br . _4.1 _ 0.3 _ 0.8_ 0.8 _ _ _5.4_ _4.1 _ 0.3 - 0.6 - 1.0.
According to an example of interest, Z is a combination including chlorine, bromine and iodine and lithium halides are a mixture of LiCl, LiBr and LiI. By example, the inorganic compound having an argyrodite type structure can be chosen from among the inorganic compounds having an argyrodite-like structure of formulas Li5APS4,100,3C11,0Bro,5101, Li5AP54,100,3C10,75Bro,7510,1, Li5AP54.1 00.3C10.7Bro,710.2 and Li 5,4P64,100,3C11,oBro,410,2.
According to another example of interest, the process as defined here is carried out in a step. It is-that is to say that, preferably, the process does not include an annealing step.
Alternately, the process may include an optional annealing step at low temperature. By example, if the process includes an annealing step, this can be carried out at a maximum temperature of approximately 300 C.
According to another example, the grinding step can be carried out using a crusher planetary. For example, the grinding step can be carried out at a speed rotation, for a specific period and in a ratio of grinding balls: precursors allowing to obtain an inorganic compound having the argyrodite type structure desired. According to some examples, the ratio of grinding balls: precursors is approximately 30 and the stage of grinding is carried out at a rotation speed included in the interval ranging from around 500 rpm at about 700 rpm for about 10 hours in order to obtain a compound inorganic having the desired argyrodite type structure. For example, the step of grinding is carried out at a rotation speed of approximately 600 rpm.
Date Received/Date Received 2022-10-12 The use of an alkali metal sulfate (e.g., Li2SO4) as as a precursor in the process as defined here could make it possible to obtain a structure argyrodite type, and this, without annealing step or with a low temperature annealing step.
Furthermore, the process as defined here could make it possible to obtain compounds inorganic substances presenting ionic conductivities substantially similar to the conductivities ionic reported for inorganic compounds obtained by processes conventional to starting from different precursors and comprising an annealing step.
Certain properties of the present inorganic compounds as obtained according to some embodiments of the present method may also differ from those demonstrated by compounds prepared by conventional methods, for example, by methods using an alkali metal oxide (e.g. Li2O) as a replacement for sulfate alkali metal (e.g. Li2SO4) as precursor. For example, according to some embodiments, the compounds obtained here can present a more great stability electrochemical, reduced H2S emission, greater density current critical, or a reduced polarization in comparison with the compounds obtained from manner conventional. The inorganic compounds described here according to certain modes of realization can demonstrate greater purity of argyrodite structure by NMR of 6Li or 31P
and/or a reduction in the relative intensity of the peaks associated with the groups P0252, PO3S and/or PO4 in 31P NMR. For example, the relative intensity of peaks P0252, PO3S and PO4 can be locate respectively below 1.5, below 0.8 and below 0.3.
The present technology also relates to an inorganic compound having a argyrodite type structure as defined here obtained according to the process such as defined here.
The present technology also relates to an electrode material comprising A
electrochemically active material and an inorganic compound having a structure of argyrodite type as defined here or obtained according to the process as here defined.
According to one example, the inorganic compound having a structure of type argyrodite as defined herein may be present as an additive and/or as material of coating in the electrode material. For example, the inorganic compound Date Received/Date Received 2022-10-12 having an argyrodite type structure can form a layer of coating on the surface of the electrochemically active material.
According to another example, said electrode material is an electrode material positive and the electrochemically active material is chosen from a metal oxide, a sulfide metal, a metal oxysulfide, a metal phosphate, a fluorophosphate of metal, a metal oxyfluorophosphate, metal sulfate, metal halide (e.g.
example, a metal fluoride), sulfur, selenium, and a combination of at least two of these. According to another example, the metal of the material electrochemically active is chosen among titanium (Ti), iron (Fe), manganese (Mn), vanadium (V), nickel (Ni), cobalt (Co), aluminum (AI), chromium (Cr), copper (Cu), zirconium (Zr), niobium (Nb) and their combinations, when compatible. The electrochemically active material can possibly also comprising an alkali or alkaline earth metal, for example example, lithium (Li), sodium (Na), potassium (K) or magnesium (Mg).
Non-limiting examples of electrochemically active materials include of the lithium metal phosphates, complex oxides, such as LiM'PO4 (where I am Fe, Ni, Mn, Co, or a combination thereof), LiV308, V205, LiMn204, LiM"02 (where M"
is Mn, Co, Ni, or a combination thereof), Li(NiM¨)02 (where M" is Mn, Co, Al, Fe, Cr, Ti, or Zr, or a combination thereof) and combinations thereof, when compatible.
According to an example of interest, the electrochemically active material is an oxide such as described above. For example, the electrochemically active material can be an oxide of lithium and manganese, in which the manganese can be partially substituted by a second transition metal, such as an oxide of lithium, nickel, manganese and cobalt (NMC). According to a variant of interest, the material electrochemically active is LiNi0.6Mn0.2C00.202 (NMC 622).
According to another example, said electrode material is an electrode material negative and the electrochemically active material is chosen from a non-alkaline metal and no-alkaline earth (e.g. indium (In), germanium (Ge) and bismuth (Bi)), a intermetallic compound (e.g., SnSb, TiSnSb, Cu2Sb, AlSb, FeSb2, FeSn2 And CoSn2), a metal oxide, a metal nitride, a metal phosphide, a phosphate metal (e.g. LiTi2(PO4)3), a metal halide (e.g. a fluoride metal), a metal sulfide, a metal oxysulfide, a carbon (for example, graphite, graphene, reduced graphene oxide, hard carbon, soft carbon, graphite Date Received/Date Received 2022-10-12 exfoliated and amorphous carbon), silicon (Si), a silicon-composite carbon (Si-C), a silicon oxide (Si0x), a silicon oxide-carbon composite (SiOx-C), tin (Sn), a tin-carbon composite (Sn-C), a tin oxide (SnOx), an oxide composite tin-carbon (SnOx-C), and their combinations, when compatible. For example, the oxide of metal can be chosen from compounds of formulas M¨b0, (where M¨ is Ti, Mo, Mn, Ni, Co, Cu, V, Fe, Zn, Nb, or a combination thereof; and b and c are numbers such that the c:b ratio is in the range 2 to 3) (for example, Mo03, Mo02, MoS2, V205, and TiNb207), spinel oxides (for example, NiCo204, ZnCo204, MnCo204, CuCo204, and CoFe204) and LiM-0 (where M"¨ is Ti, Mo, Mn, Ni, Co, Cu, V, Fe, Zn, No., or a combination thereof) (for example, a lithium titanate (such as Li4Ti5012) or a lithium molybdenum oxide (such as Li2Mo4013)).
According to another example, the electrochemically active material can possibly be doped with other elements included in smaller quantities, e.g. for modulate or optimize its electrochemical properties. The material electrochemically active can be doped by the partial substitution of the metal by other ions. By example, the material electrochemically active can be doped with a transition metal (e.g.
example Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn or Y) and/or a metal other than a metal of transition (by example, Mg, Al or Sb).
According to another example, the electrochemically active material can be under made of particles (for example, microparticles and/or nanoparticles) that can be freshly formed or from commercial sources. For example, the material electrochemically active can be in the form of particles coated with a layer of coating material. The coating material may be a conductive material electronic, for example a conductive carbon coating. Alternately, THE
coating material can substantially reduce reactions interfacial at the interface between the electrochemically active material and a electrolyte, by example, a solid electrolyte, and in particular, a solid electrolyte inorganic type ceramic based on sulfide or oxysulfide (for example, based on the compound inorganic having an argyrodite type structure as defined here). By example, the coating material can be chosen from Li2SiO3, LiTa03, LiA102, Li2O-ZrO2, LiNb03 their combinations, when compatible, and other similar materials.
According to one variant of interest, the coating material comprises LiNb03.
Date Received/Date Received 2022-10-12 According to another example, the electrode material as defined here includes in besides a material electronic conductor. Non-limiting examples of conductive material electronics include a carbon source such as carbon black (by example, Ketjen™ carbon and Super P™ carbon), acetylene black (For example, Shawinigan carbon and Denkam carbon black), graphite, graphene, fibers carbon (for example, carbon fibers formed in the gas phase (VGCFs)), the carbon nanofibers, carbon nanotubes (CNTs) and a combination of at less two of these. According to a variant of interest, conductive material electronic is a mixture of carbon black Li400 (Denkamc) and VGCFs (preferably a ratio mass in the interval from 65:35 to 85:15).
According to another example, the electrode material as defined here includes in besides an additive.
For example, the additive is chosen from ionic conductive materials inorganic, inorganic materials, glasses, glass ceramics, ceramics, including the nano ceramics (such as A1203, TiO2, 5i02 and other compounds similar), salts (e.g. lithium salts) and a combination of at least two of these this. By example, the additive can be an inorganic ionic conductor chosen from compounds LISICON type, thio-LISICON, argyrodites, garnets (garnet in English), NASICON, perovskites, oxides, sulphides, phosphides, fluorides, halides of sulfur, phosphates, thio-phosphates, in crystalline form and/or amorphous, and a combination of at least two of these.
According to another example, the electrode material as defined here includes in besides a binder.
For example, the binder is chosen for its compatibility with the different elements of a electrochemical cell. Any known compatible binder is considered. By example, the binder can be chosen from a polymer binder of the polyether, polyester, polycarbonate, fluoropolymer and water-soluble binder (water-soluble). According to an example, the binder is a fluoropolymer such as polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE). According to another example, the binder is a binder soluble in water such as styrene butadiene rubber (SBR), rubber acrylonitrile-butadiene (NBR), hydrogenated NBR (HNBR), epichlorohydrin rubber (CHR), or acrylate rubber (ACM), and optionally comprising an agent thickener such such as carboxymethylcellulose (CMC), or a polymer such as poly(acid acrylic) (PAA), poly(methyl methacrylate) (PMMA) or a combination thereof.
According to another example, the binder is a polyether type polymer binder. By example, the binder Date Received/Date Received 2022-10-12 polyether type polymer is linear, branched and/or crosslinked and is based on poly(oxide ethylene) (POE), poly(propylene oxide) (POP) or a combination both (like an 0E/P0 copolymer), and possibly includes units crosslinkable. By example, the crosslinkable segment of the polymer can be a polymer segment comprising at least one crosslinkable functional group so multidimensional by irradiation or heat treatment.
The present technology also relates to an electrode comprising a material electrode as defined here. According to one example, the electrode can be on a collector of current (for example, aluminum or copper foil). Alternately, the electrode can be self-supporting.
The present technology also relates to an electrolyte comprising a compound inorganic having an argyrodite type structure as defined here or obtained according to process as defined here.
According to one example, the electrolyte can be chosen for its compatibility with the different elements of an electrochemical cell. Any type of compatible electrolyte is considered.
According to one example, the electrolyte is a liquid electrolyte comprising a salt in a solvent. According to an alternative, the electrolyte is a gel electrolyte comprising a salt in a solvent and optionally a solvating polymer. According to another alternative, the electrolyte is a solid polymer electrolyte comprising a salt in a polymer solvant. According to another alternative, the electrolyte comprises a material electrolyte inorganic solid, for example, the electrolyte may be a solid electrolyte inorganic ceramic type. According to another alternative, the electrolyte is a solid electrolyte polymer-ceramic hybrid.
According to another example, the salt, if it is present in the electrolyte, can be an ionic salt, such as a lithium salt. Non-limiting examples of lithium salts include lithium hexafluorophosphate (LiPF6), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI), 2-trifluoromethyl1-4,5-dicyano-lithium imidazolate (LiTDI), lithium 4,5-dicyano-1,2,3-triazolate (LiDCTA), the encore (pentafluoroethylsulfonyl)imide (LiBETI), lithium tetrafluoroborate lithium (LiBF4), lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), lithium nitrate (LiNO3), chloride lithium (LiCI), lithium bromide (LiBr), lithium fluoride (LiF), perchlorate Date Received/Date Received 2022-10-12 lithium (LiCI04), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF6), trifluoromethanesulfonate lithium (LiSO3CF3) (LiTf), lithium fluoroalkylphosphate Li[PF3(CF2CF3)3]
(LiFAP), the lithium tetrakis(trifluoroacetoxy)borate Li[B(OCOCF3)4] (LiTFAB), bis(1,2-benzenediolato(2-)-0.0')lithium borate Li[B(C602)2] (LiBBB) and a combination of minus two of these.
According to another example, the solvent, if it is present in the electrolyte, can be a solvent non-aqueous. Non-limiting examples of solvents include carbonates cyclical such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), carbonate butylene (BC) and vinylene carbonate (VC); acyclic carbonates as the dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), carbon dioxide methyl and ethyl (EMC) and dipropyl carbonate (DPC); lactones like y-butyrolactone (y-BL) and y-valerolactone (y-VL); acyclic ethers like the 1,2-dimethoxyethane (DME), 1,2-diethoxyethane (DEE), ethoxy methoxy ethane (EME), trimethoxymethane and ethylmonoglyme; cyclic ethers like tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane and derivatives of dioxolane; and other solvents such as dimethyl sulfoxide, formamide, acetamide, dimethylformamide, acetonitrile, propylnitrile, nitromethane, acid triesters phosphoric acid, sulfolane, methylsulfolane, carbonate derivatives of propylene and their mixtures.
According to another example, the electrolyte is a gel electrolyte or a polymer electrolyte in gel. The gel polymer electrolyte may comprise, for example, a precursor of polymer and a salt (for example, a salt as defined above), a solvent (by example, a solvent as defined previously) and an initiator of polymerization and/or crosslinking, if necessary. Examples of gel electrolyte include, without limitation, gel electrolytes such as those described in PCT patent applications published under the numbers W02009/111860 (Zaghib et al.) and W02004/068610 (Zaghib et al.
al.).
According to another example, a gel electrolyte or a liquid electrolyte such as defined previously can also impregnate a separator such as a separator in polymer. Examples of separators include, without limitation, separators polyethylene (PE), polypropylene (PP), cellulose, polytetrafluoroethylene (PTFE), poly(vinylidene fluoride) (PVDF) and polypropylene-polyethylene-Date Received/Date Received 2022-10-12 polypropylene (PP/PE/PP). For example, the separator is a separator of polymer commercial type Celgard™.
According to another example, the electrolyte is a solid polymer electrolyte. By example, the solid polymer electrolyte can be chosen from all electrolytes solid polymers known and can be chosen for its compatibility with the various elements of a cell electrochemical. Solid polymer electrolytes generally include a salt as well as one or more solid polar polymer(s), optionally reticulated(s). Of the polyether type polymers, such as those based on poly(ethylene oxide) (POE), can be used, but several other compatible polymers are also known for the preparation of solid polymer electrolytes and are also considered.
The polymer can be crosslinked. Examples of such polymers include polymers branched, for example, star polymers or comb polymers such that those described in the PCT patent application published under number W02003/063287 (Zaghib et al.).
.. According to another example, the solid polymer electrolyte may include a copolymer sequence composed of at least one lithium ion solvation segment and possibly of at least one crosslinkable segment. Preferably, the solvation segment of ions lithium is chosen from homo- or copolymers having repeating units Formula I:
-(C H2-CH-O)-Formula I
in which, R is chosen from a hydrogen atom, and a C1-C1oalkyl group or ¨(CH2-0-RaRb);
Ra is (CH2-CH2-0)y;
Rb is selected from a hydrogen atom and a C1-C1oalkyl group;
x is an integer chosen from the range 10 to 200,000; And y is an integer chosen from the range 0 to 10.
Date Received/Date Received 2022-10-12 According to another example, the crosslinkable segment of the copolymer is a segment of polymer comprising at least one crosslinkable functional group so multidimensional by irradiation or heat treatment.
When the electrolyte is a liquid electrolyte, a gel electrolyte or a electrolyte solid polymer, the inorganic compound having a structure of the type argyrodite such that defined here may be present as an additive in the electrolyte.
When the electrolyte is a polymer-ceramic hybrid solid electrolyte or A
inorganic solid electrolyte of ceramic type, the inorganic compound possessing a argyrodite type structure as defined here may be present as material of inorganic solid electrolyte (ceramic).
According to another example, the electrolyte can also optionally include of the additional components such as ionic conductive materials, inorganic particles, glass or ceramic particles and other additives same type. The additional component can be chosen for its compatibility with the different elements of an electrochemical cell. According to one example, the component additional can be substantially dispersed in the electrolyte.
Alternatively, the Additional component may be in a separate layer.
The present technology also relates to an electrochemical cell including a negative electrode, a positive electrode and an electrolyte, in which at minus one of the positive electrode or the negative electrode is as defined here in or includes a electrode material as defined here.
According to one example, the negative electrode is as defined here or comprises a material electrode as defined here. For example, the material electrochemically the electrode negative can be chosen for its electrochemical compatibility with different elements of the electrochemical cell as defined here. For example, the material electrochemically of the negative electrode material may have a potential oxidation-reduction rate substantially lower than that of the material electrochemically active of the positive electrode.
According to another example, the positive electrode is as defined here or includes a electrode material as defined here and the negative electrode includes a material Date Received/Date Received 2022-10-12 electrochemically active selected from all electrochemically active materials assets known compatibles. For example, the electrochemically active material of the electrode negative can be chosen for its electrochemical compatibility with different elements of the electrochemical cell as defined here. Examples no limitations of electrochemically active materials of the negative electrode include alkali metals, alkaline earth metals, alloys comprising at least one alkali metal or alkaline-earth, non-alkaline and non-alkaline earth metals (for example, indium (In), germanium (Ge) and bismuth (Bi)), and alloys or compounds intermetallic (by example, SnSb, TiSnSb, Cu2Sb, AlSb, FeSb2, FeSn2 and CoSn2). For example, the material electrochemically active of the negative electrode can be in the form of movie. According to one variant of interest, the electrochemically active material of the electrode negative can comprise a film of metallic lithium or an alloy including or based on lithium metallic.
According to another example, the positive electrode can be prelithiated and the negative electrode may be initially (i.e., before cell cycling electrochemical) substantially or completely free of lithium. The negative electrode maybe lithiated in situ during the cycling of said electrochemical cell, in particular when first charge. According to one example, metallic lithium can be deposited in located on the current collector (for example, a copper current collector) when of the cycling of the electrochemical cell, particularly during the first charge. According to a another example, an alloy including metallic lithium can be generated on the surface of a collector of current (e.g. aluminum current collector) when cycling of the cell electrochemical, especially during the first charge. It is understood that the electrode negative can be generated in situ during cell cycling electrochemical, especially during the first charge.
According to another example, the positive electrode and the negative electrode are both such as defined here or both include an electrode material as here defined.
The present technology also relates to an electrochemical cell including a negative electrode, a positive electrode and an electrolyte, in which the electrolyte is as defined here.
Date Received/Date Received 2022-10-12 The present technology also relates to an electrochemical cell including a negative electrode, a positive electrode and an electrolyte, in which the electrolyte is as defined here and at least one of the positive electrode or the electrode negative is such as here defined to or comprises an electrode material as defined here.
According to one example, the positive electrode is as defined here or comprises a material electrode as defined here.
The present technology also relates to a battery comprising at least a electrochemical cell as defined here. For example, the battery may be a battery primary (battery) or secondary (accumulator). According to one example, the battery is chosen from the group consisting of a lithium battery, a lithium battery ion, of a sodium battery, a sodium-ion battery, a magnesium battery, of a magnesium-ion battery, a potassium battery and a battery potassium ion.
According to a variant of interest, the battery is a so-called solid-state battery.
According to one example, the use of an alkali metal sulfate (for example, Li2SO4) as that precursor in the process as defined here can make it possible to reduce the costs of production by a lower quantity of Li2S used and/or by the absence of a step of annealing or decreasing the annealing temperature.
According to another example, the process as defined here can allow obtaining compounds inorganic compounds exhibiting substantially ionic conductivities similar to ionic conductivities reported for inorganic compounds obtained by of the conventional processes using different precursors and comprising a stage of annealed.
According to another example, the process as defined here can allow obtaining compounds inorganic materials having improved electrochemical stability.
According to another example, the process as defined here can allow obtaining a inorganic compound having improved safety, for example, by reducing substantially the volume of H25 generated by exposure of the compound inorganic to humidity or ambient air.
Date Received/Date Received 2022-10-12 According to another example, the process as defined here can allow getting more high critical current density and therefore better contact stability with the negative metallic or alloy electrode.
EXAMPLES
The following examples are for illustrative purposes and should not be used interpreted as further limiting the scope of the invention as contemplated. These examples will be better understood by referring to the appended Figures.
Unless otherwise stated, all numbers expressing quantities of components, preparation conditions, concentrations, properties, etc. used here must be understood to be modified in all cases by the term approximately. At minimum, each numerical parameter must be interpreted in light of the number of numbers significant reported and applying rounding techniques communities. By Therefore, unless otherwise stated, the numerical parameters stated in THE
this document are approximations which may vary depending on the properties desired. Notwithstanding the fact that the intervals of numerical values and the settings defining the extent of the embodiments are approximations, the values numerical presented in the following examples are also reported precisely as possible. However, any numerical value inherently contains some errors resulting from variations in experiments, test measurements, analyzes statistics, etc.
Example 1 ¨ Synthesis of argyrodites Inorganic compounds having an argyrodite type structure of formulas Li5,4PS4,300,1C11,6, Li5,4P54,100,3C11,6, Li5,4P53,900,5C11,6, Li5,4P53,6500,75C11,6, Li5,7P54,400,301,3, Li5.1PS4.400.3C11.3, Li4.8P54.100.3CI 1.6, Li5.4P54.401.6, Li5.4P54.100.30 1.6, Li5.4P53,900,501.6, Li5,4P54,100,3Br1,6, Li5,4PS4,100,3Cli,oBro,6, Li5,4P54,100,300,8Bro,8, Li5,4P54,100,3C10,6Br1,o, Li5,4PS4,100,301,0Bro,510,1, Li5,4P54,100,3C10,75Bro,7510,1, Li5,4P54,100,3C10,75ro,710,2 Li5,4P54,100,3C11,oBro,410,2, and Li6PS5CI were fully prepared in glove box under inert atmosphere (H20 < 0.1 ppm; 02 < 0.1 ppm) by a reaction process at solid state without heat treatment. The inorganic compounds were obtained by grinding from Li2S, P255, Li2SO4 or Li2O precursors and at least one Li halide (LiCI, LiBr and/or Date Received/Date Received 2022-10-12 Lil) in order to obtain powders having the desired stoichiometries according to the equations of following reactions:
(3.5-y/4-tzw) Li2S + y/4 Li2SO4 + 1/2 P2S5 + t LiCI + z LiBr + w Lil ¨>
Lin z wPS6ty z wOyClerzlw + y S Equation (3) (3.5-5/4y-t) Li2S + y/4 Li2SO4 + 1/2 P2S5 + t LiCI ¨> Li74_2yPS6_t_yOyClt Equation (4) (3.5-yt) Li2S + y Li2O + 1/2 P2S5 + t LiCI ¨> Li7_tPS6_t_yOyClt Equation (5) The grinding of the powders was carried out by two different processes.
First powder grinding process (Process 1):
The grinding of the powders was carried out using a planetary mill.
SPRAY
.. 7.
1.7 g of powder as well as 15 grinding balls having a diameter of 10 mm in zirconia yttriated (mass ratio of balls: powder = 30) were placed in a jar of grinding in 45 mL yttriated zirconia. The powders were ground at a speed of approximately 600 rpm for about 10 hours to produce inorganic compounds having a argyrodite type structure.
Second powder grinding process (Process 2):
The grinding of the powders was carried out using a planetary mill PM100. 14g of powder as well as 16 grinding balls with a diameter of 20 mm in zirconia yttriate (ratio ball mass: powder = 30) were placed in a grinding jar in yttriated zirconia .. of 250 mL. The powders were ground at a speed of approximately 650 rpm during about 10 hours to produce inorganic compounds having a structure of kind argyrodite.
Argyrodite with formula Li5.4P54 300 iCli 6 (Argyrodite 1):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS4,300,1C11,6 was obtained by Process 1 of the present example from of the precursors Li2S, P255, LiCI and Li2SO4 according to Equation 3 in which, t =
1.6;z=0;w =0; and y = 0.1.
Date Received/Date Received 2022-10-12 Arqyrodite with formula Li5.4PS41003C116 (Arqyrodite 2):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS4,100,3C11,6 was obtained by Process 1 of the present example from of the precursors Li2S, P2S5, LiCI and Li2SO4 according to Equation 3 in which, t =
1.6; z = 0; w=
0 ; and y = 0.3.
Arqyrodite with formula Li5.4PS39005C116 (Arqyrodite 3):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS3,900,5C11,6 was obtained by Process 1 of the present example from of the precursors Li2S, P2S5, LiCI and Li2SO4 according to Equation 3 in which, t =
1.6;z=0;w =0; and y = 0.5.
Arqyrodite with formula Li5.4PS3 6500 75C11 6 (Arqyrodite 4):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS3,6500,75C11,6 was obtained by Process 1 of the present example at from precursors Li2S, P2S5, LiCI and Li2SO4 according to Equation 3 in which, t =
1.6;z=0; w = 0; and y = 0.75.
Arqyrodite with formula Li5.7PS44003C113 (Arqyrodite 5):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,7PS4,400,3C11,3 was obtained by Process 1 of the present example from of the precursors Li2S, P2S5, LiCI and Li2SO4 according to Equation 3 in which, t =
1.3;z=0; w = 0; and y = 0.3.
Arqvrodite of formula Li51PS44003C113 (Arqvrodite 6):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,1PS4,400,3C11,3 was obtained by Process 1 of the present example from of the precursors Li2S, P2S5, LiCI and Li2SO4 according to Equation 4 in which, t =
1.3;z=0; w = 0; and y = 0.3.
Arqyrodite with formula Li4.5PS41003C116 (Arqyrodite 7):
Date Received/Date Received 2022-10-12 An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li4.8PS4.100.3C11.6 was obtained by Process 1 of this example from of the precursors Li2S, P2S5, LiCI and Li2SO4 according to Equation 4 in which, t =
1.6; z = 0; w = 0; and y = 0.3.
Arqyrodite with formula Li54PS44C116 (Arqyrodite 8) (comparative example):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS4,401,6 was obtained for comparison by Method 1 of the present example from precursors Li2S, P2S5 and LiCI according to Equation 3 in which, t = 1.6;
z = 0; w = 0 ; and y = 0.
Arqyrodite of formula Li54PS41003C116 (Arqyrodite 9) (comparative example):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS4,100,3C11,6 was obtained for comparison by Method 1 of present example to from the precursors Li2S, P2S5, LiCI and Li2O according to Equation 5 in which, t = 1.6; z = 0;w= 0;ety= 0.3.
Arqyrodite of formula Li54PS39005C116 (Arqyrodite 10) (comparative example):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS3,900,5C11,6 was obtained for comparison by Method 1 of present example to from the precursors Li2S, P2S5, LiCI and Li2O according to Equation 5 in which, t = 1.6; z = 0;w= 0;ety= 0.5.
Arqyrodite with formula Li6PS5C1 (Arqyrodite 11) (comparative example):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li6PS5CI
was obtained for comparison by Method 1 of the present example from of the precursors Li2S, P2S5 and LiCI according to Equation 3 in which, t = 1.0; z =
0 ; w = 0; and y = O.
Arqyrodite with formula Li5,4PS4,100,3C11,0Bro,6 (Arqyrodite 12):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS4,100,3C11,0Bro,6 was obtained by Process 1 of the present example at from Date Received/Date Received 2022-10-12 precursors Li2S, P2S5, LiCI, LiBr and Li2SO4 according to Equation 3 in which, t = 1.0; z =
0.6; w = 0; and y = 0.3.
Arqyrodite with formula Li5.4PS41003C10813ro 8 (Arqyrodite 13):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS4,100,3C10,8Bro,8 was obtained by Process 1 of the present example at from precursors Li2S, P2S5, LiCI, LiBr and Li2SO4 according to Equation 3 in which, t = 0.8; z =
0.8; w = 0; and y = 0.3.
Arqyrodite with formula Li5.4PS41003C106Br1 0 (Arqyrodite 14):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS4,100,3C10,6Br1,0 was obtained by Process 1 of the present example at from precursors Li2S, P2S5, LiCI, LiBr and Li2SO4 according to Equation 3 in which, t = 0.6; z =
1; w = 0; and y = 0.3.
Arqyrodite with formula Li5.4PS41003Br1 6 (Arqyrodite 15):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS4,100,3Br1,6 was obtained by Process 1 of the present example from of the precursors Li2S, P2S5, LiBr and Li2SO4 according to Equation 3 in which, t =
0; w = 0; z =
1.6; and y = 0.3.
Arqyrodite with formula Li5,4PS4,1003C11 oBrosloi (Arqyrodite 16):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS4,100,3C11,0Bro,510,1 was obtained by Process 1 of the present example from precursors Li2S, P2S5, LiCI, LiBr, Lil and Li2SO4 according to Equation 3 in which, t = 1.0; z = 0.5; w = 0.1 and y = 0.3.
Arqvrodite of formula Lis 4PS41003C1075Bro 75101 (Arqvrodite 17):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS4,100,3C10,75Bro,7510,1 was obtained by Method 1 of the present example from precursors Li2S, P2S5, LiCI, LiBr, Lil and Li2SO4 according to Equation 3 in which, t = 0.75;
z = 0.75; w = 0.1; and y = 0.3.
Date Received/Date Received 2022-10-12 Arqyrodite with formula Li5.4PS4.1003C107Br0710 2 (Arqyrodite 18):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS4,100,3C10,7Bro,710,2 was obtained by Process 1 of this example from precursors Li2S, P2S5, LiCI, LiBr, Lil and Li2SO4 according to Equation 3 in which, t = 0.7; z = 0.7; w = 0.2; and y = 0.3.
Arqyrodite with formula Li5,4PS4,1003C11 oBro410 2 (Arqyrodite 19):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS4,100,3Cli oBro,410,2 was obtained by Method 1 of the present example from precursors Li2S, P2S5, LiCI, LiBr, Lil and Li2SO4 according to Equation 3 in which, t = 1.0; z = 0.4; w = 0.2; and y = 0.3.
Arqyrodite with formula Li5.4PS41003C116 (Arqyrodite 20):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS4,100,3C11,6 was obtained by Process 2 of the present example from of the precursors Li2S, P2S5, LiCI and Li2SO4 according to Equation 3 in which, t =
1.6; z = 0; w = 0; and y = 0.3.
Arqyrodite with formula Li5.4PS41003C108Bro 8 (Arqyrodite 21):
An inorganic compound having an argyrodite-like structure of formula Li5,4PS4,100,3C10,8Bro,8 was obtained by Process 2 of the present example at from precursors Li2S, P2S5, LiCI, LiBr and Li2SO4 according to Equation 3 in which, t = 0.8; z =
0.8; w = 0; and y = 0.3.
Example 2 ¨ Characterization by X-ray diffraction (XRD) of the compounds inorganic with an argyrodite type structure The crystal structure of the argyrodites prepared in Example 1 was studied by XRD.
The analysis was entirely carried out in an anhydrous chamber and the spectra of x-rays have were obtained using a Rigaku MiniFlex™ X-ray diffractometer equipped of a cobalt X-ray source.
Date Received/Date Received 2022-10-12 Pellets were prepared by compressing 80 mg of argyrodite powder prepared to Example 1. The pellets were then placed in holders waterproof samples which were closed in a glove box, under an inert atmosphere.
In the X-ray diffraction patterns shown in Figures 1 to 6, the pics corresponding to the impurities Li3PO4, Li2S and LiCI have been identified respectively by solid lines, dashed lines, and em-dash-dot-lines point. Peak D
comes from the dome used during the XRD analysis. The other peaks correspond to the argyrodite type structure.
Figure 1 shows the X-ray diffraction patterns obtained for THE
argyrodites (Argyrodites 1 to 4 and 8). Ray diffraction patterns X presented in Figure 1 show that the argyrodite type structure is well obtained for all compositions. It is possible to observe the presence of a quantity substantially more significant amount of impurities (LiCl, Li2S and Li3PO4) for the most compositions rich in oxygen (y> 0.3) (Argyrodites 3 and 4).
Figure 2 presents the X-ray diffraction patterns obtained for THE
argyrodites (Argyrodites 2 and 5 to 7). Figure 2 shows that the structure argyrodite has good was obtained for t = 1.3 and y = 0.3 (Argyrodites 5 and 6), for both syntheses (Equations 3 and 4). It is possible to observe in Figure 2, the presence of less Li2S
residual for the structure of Argyrodite 6 than for the structure of Argyrodite 5. Figure 2 also shows a degradation of the structure for the argyrodite of formula Li4.8PS4.100.3C11.6 in which, t = 1.6 and y = 0.3 (Argyrodite 7). He is possible to observe a substantially greater amount of residual LiCI, but no trace of Li2S. This indicates that an argyrodite type structure including less than lithium could induce a mixture of argyrodite type phases and parasitic phases (by example, LiCI).
Figure 3 shows the X-ray diffraction patterns for the argyrodites obtained from the precursors Li2SO4 (Argyrodites 2 and 3) and Li2O
(Argyrodites 9 and 10).
Figure 3 shows that for an oxygen level of 0.3 (Argyrodites 2 and 9) it there is no significant difference observable on the structure of argyrodite from compounds inorganic compounds obtained from the two different precursors. However, for a rate oxygen of 0.5 argyrodite prepared from Li2O (Argyrodite 10) contains Date Received/Date Received 2022-10-12 substantially more impurities (in particular LiCI) and has a structure substantially less well defined compared to argyrodite prepared at from Li2SO4 (Argyrodite 3). Thus, it is possible to obtain argyrodites oxidized substantially purer over a wide composition range from precursor Li2SO4 compared to the commonly used Li2O precursor.
Figure 4 shows the X-ray diffraction patterns for the argyrodites obtained from the precursor Li2SO4 and a mixture of halides including LiCI and LiBr (Argyrodites 12 to 14) compared to those of the same compositions obtained from LiCI (Argyrodite 2) or LiBr (Argyrodite 15). Figure 4 shows that the argyrodite structure is well preserved whatever the level of Br and Cl. The position of peaks decrease when the Br level increases. This can be attributed to the increase in mesh parameter, a phenomenon known in the literature.
Figure 5 shows the X-ray diffraction patterns for the argyrodites obtained from the precursor Li2SO4 and a mixture of halides including LiCI, LiBr and Lil (Argyrodites 16 to 19). Figure 5 shows that the structure argyrodite is well preserved, even with the mixture of the three halides.
It is thus possible to obtain the compound with an oxidized argyrodite structure whatever they are halide composition and mixing with oxidation from precursor Li2SO4.
Figure 6 shows the X-ray diffraction patterns for the Argyrodites 2 and 13 obtained from the precursor Li2SO4 in small volume jars (according to Process 1 presented in Example 1) and Argyrodites 20 and 21 obtained in go from Li2SO4 precursor in larger volume jars (according to Process 2 introduced to Example 1). The composition of Argyrodites 2 and 20 are similar as well as those of argyrodites 13 and 21. Figure 5 shows that the argyrodite structure is indeed preserved whatever the composition of the argyrodite and whatever the volume of synthesis demonstrating that the process thus described could be applied on a scale industrial.
Example 3 ¨ Characterization by nuclear magnetic resonance (NMR) of inorganic compounds with an argyrodite-like structure Date Received/Date Received 2022-10-12 The composition of the argyrodites prepared in Example 1 was studied by NMR.
THE
nuclear magnetic resonance spectra of lithium (6Li NMR) and phosphorus (31P
NMR) were obtained by the MAS (magic angle rotation) technique in using a Bruker Avance NEO 500 MHz spectrometer equipped with a triple resonance probe of 4 mm whose maximum rotation speed at the magic angle is 15 kHz.
Figures 7 and 8 respectively show 6Li NMR and 31P NMR spectra.
obtained for argyrodites of composition Li5,4P54,100,3C11,6 obtained from precursors Li2SO4 (Argyrodite 2) and Li20 (Argyrodite 9).
For the two argyrodites (Argyrodites 2 and 9), the main peak on the 6Li NMR spectra presented in Figure 7 corresponds to argyrodite, while the peak secondary corresponds to LiCl residues.
For Argyrodites 2 and 9, the main peak on the 31P NMR spectra shown in Figure 8 corresponds to argyrodite, while the secondary peaks correspond to phases P2564-, P0252, P035 and PO4. The relative intensity of the 31P NMR peaks is indicated to the blackboard .. 1.
Table 1. Relative intensity of 31P NMR peaks Argyrodite Argyrodite P2S64 P02S2 PO3S PO4 Argyrodite 2 96.7 2.3 0.5 0.4 0.1 Argyrodite 9 95.3 1.7 1.7 0.9 0.4 The relative intensity of the peaks presented in Table 1 shows that the use of Li2SO4 as a precursor (Argyrodite 2) makes it possible to significantly reduce the training of secondary phases P0252, P035 and PO4 compared to the use of Li20 (Argyrodite 9).
It is therefore possible to observe that oxygen is better incorporated into the structure argyrodite thanks to the Li2SO4 precursor and therefore generates fewer phases additional.
This makes it possible to differentiate an argyrodite synthesized from Li2SO4 from an argyrodite prepared from Li20 or any other source of oxygen as precursor.
Figures 9 and 10 respectively show 6Li NMR and 31P NMR spectra.
obtained for argyrodite of formula Li4.8P54.100.3C11.6 obtained from Li2SO4 precursors (Argyrodite 7).
It is possible to observe on the 6Li NMR spectrum presented in Figure 9 a peak at 1.2 ppm corresponding to an argyrodite phase with six lithiums and one chlorine, a second peak at 0.2 Date Received/Date Received 2022-10-12 ppm corresponding to an argyrodite phase with a structure having an excess of chlorine and a third peak at -1.1 ppm corresponding to LiCI.
It is possible to observe on the 31P NMR spectrum presented in Figure 10 a main peak corresponding to argyrodite and three secondary peaks corresponding to phases of P2S64-, P02S2 and PO3S. Figure 10 also shows an enlargement of the peak main showing that it is decomposed into three peaks corresponding to a (P1), two (P2) and three (P3) chlorine in the secondary structure of phosphorus. The excess simultaneous of P1 and P3 confirm the presence of two types of argyrodites, with low and a strong chlorine fraction.
Thus, a substantial decrease in lithium levels can lead to presence of least two phases of argyrodites.
Figures 11 and 12 respectively show 6Li NMR and 31P NMR spectra.
obtained for argyrodite of formula Li5,4PS4,100,3C10,8Bro,8 (Argyrodite 13) and formula Li5,4PS4,100,3C11,0Bro,510,1 (Argyrodite 16) obtained from the precursor Li2SO4. Peak main on the 6Li NMR spectra presented in Figure 11 corresponds to argyrodite. He is possible to observe on the 31P NMR spectra presented in Figure 12 a main peak corresponding to argyrodite and the presence of weak secondary peaks corresponding to phases of P2S64- and P02S2. This confirms the results obtained by diffraction of X-rays, namely obtaining a pure oxidized argyrodite phase from Li2SO4 what whatever the halide composition.
Example 4 ¨ Generation of H2S during exposure of inorganic compounds having an argyrodite type structure in air Security tests were carried out to assess the impact of argyrodite on the generation of H2S. Approximately 10 mg (3 mg) of argyrodite powder was placed in a sealed cell under an inert atmosphere.
A flow of air was introduced into the sealed cell at a flow rate of approximately 0.3 Umin, to a controlled temperature of approximately 24.5 C (0.5 C) and has a hygrometry controlled with one with a humidity level of 50% (5%). The concentration of gaseous H2S
generated at been measured approximately every 15 seconds with a multigas detector (MSA
ALTAIR™
Date Received/Date Received 2022-10-12 5X) previously calibrated and placed at the cell outlet. From these data, the volume of H2S gas generated normalized by the mass of argyrodite was calculated.
The results of these analyzes are presented in Figure 13. Figure 13 shows a graph of the volume of H2S gas generated per gram of argyrodite powder (mL/g) as a function of time (hours) for Argyrodites 2 (Li5,4PS4,100,3C11,6) (dotted line), 7 (Li4,8PS4,100,3C11,6) (em-dash-dot line), 8 (Li5,4PS4,401,6) (dashed line), 11 (Li6PS5CI) (solid line), 13 (Li5,4PS4,100,3C10,8Bro,8) (dot dash line point) and 16 (Li5,4PS4,100,3C11,0Bro,510,1) (small dash line) prepared in Example 1.
It is possible to observe that a classic argyrodite of the Li6PS5CI type (Argyrodite 11) generates a substantially higher volume of H2S gas than an argyrodite doped with chlorine of type Li5,4PS4,4C11,6 (Argyrodite 8), demonstrating the interest of chlorine doping on security. It is also possible to observe that argyrodites at basis of Li2SO4 precursor also makes it possible to reduce the volume of gaseous H2S
as this is the case for argyrodite Li5,4PS4,100,3C11,6 (Argyrodite 2). The addition of bromine and/or iodine from the previous composition while maintaining the same rate oxygen and lithium makes it possible to once again reduce the generation of H2S. Finally, the Figure 13 shows that an argyrodite type structure generated from the precursor Li2SO4 comprising a significant reduction in lithium (Argyrodite 7) makes it possible to reduce increase the volume of gaseous H2S generated, and thus improve safety while in reducing production costs through a lower quantity of Li2S
used and by the absence or reduction of the annealing step.
Example 5 ¨ Ionic conductivity of inorganic compounds having a argyrodite-like structure a) Preparation of symmetrical cells for conductivity measurements ionic Symmetrical cells were assembled according to the following procedure in order to to measure the ionic conductivity of inorganic compounds having a structure of kind argyrodite prepared in Example 1.
Pellets were prepared by compressing 160 mg of compound powder inorganic material having an argyrodite type structure prepared in Example 1 between two stainless steel electrodes under a pressure of 360 MPa. The pellets placed between Date Received/Date Received 2022-10-12 two stainless steel electrodes were then assembled into cells of conductivity sealed in glove box under maintained inert atmosphere to one pressure of 20 M Pa.
The symmetrical cells were assembled according to the indicated configurations At Table 2.
Table 2. Symmetric cell configurations Value Value Value Value Symmetric Cell Argyrodite Argyrodite of t of w of z of y Cell 1 Argyrodite 1 Li5.4PS4.300.1C11.6 1.6 0 0 0.1 Cell 2 Argyrodite 2 Li5.4PS4.100.3C11.6 1.6 0 0 0.3 Cell 3 Argyrodite 3 Li5.4PS3.900.5C11.6 1.6 0 0 0.5 Cell 4 Argyrodite 4 Li5.4PS3.6500.75C11.6 1.6 0 0 0.75 Cell 5 Argyrodite 5 Li5.7PS4.400.3C11.3 1.3 0 0 0.3 Cell 6 Argyrodite 6 Li5.1PS4.400.3C11.3 1.3 0 0 0.3 Cell 7 Argyrodite 7 Li4.8PS4.100.3C11.6 1.6 0 0 0.3 Cell 8 1.6 0 0 0 Argyrodite 8 Li5,4PS4,4C11,6 (comparative cell) Cell 9 1.6 0 0 0.3 Argyrodite 9 Li5,4PS4,100,3C11,6 (comparative cell) Cell 10 1.6 0 0 0.5 Argyrodite 10 Li5.4PS3.900.5Cl1.6 (comparative cell) Cell 12 Argyrodite 12 Li5,4PS4,100,3C11,oBro,6 1.0 0 0.6 0.3 Cell 13 Argyrodite 13 Li5,4PS4,100,3Clo,8Bro,8 0.8 0 0.8 0.3 Cell 14 Argyrodite 14 Li5,4PS4,100,3Clo,6Br1,o 0.6 0 1.0 0.3 Cell 15 Argyrodite 15 Li5.4PS4.100.3Br1.6 0 0 1.6 .. 0.3 Cell 16 Argyrodite 16 Li5,4PS4,100,3C11,0Bro,510,1 1.0 0.1 0.5 0.3 Cell 17 Argyrodite 17 Li5,4PS4,100,3C10,75Bro,7510,1 0.75 0.1 0.75 0.3 Cell 18 Argyrodite 18 Li5.4PS4.100.3C10.7Bro.710.2 0.7 0.2 0.7 0.3 Cell 19 Argyrodite 19 Li5,4PS4,100,3C11,0Bro,410.2 1.0 0.2 0.4 0.3 Cell 20 Argyrodite 20 Li5.4PS4.100.3C11.6 1.6 0 0 0.3 Cell 21 Argyrodite 21 Li5,4PS4,100,3Clo,8Bro,8 0.8 0 0.8 0.3 b) Measurement of ionic conductivity of symmetric cells Ionic conductivity measurements of symmetrical cells assembled at The example 5(a) were carried out with a VMP-300 multichannel potentiostat (BioLogic).
THE
measurements were carried out frequency range from 7 MHz to 200 mHz under a amplitude of 50 mV in a temperature range from -10 C to 70 C
(uphill and downhill, every 10 C).
Each ionic conductivity measurement was obtained after stabilization of approximately one hour from oven temperature to temperature. Conductivity ionic was extracted based on an equivalent circuit used to extract the resistance associated with Date Received/Date Received 2022-10-12 measured pellet. The lines were obtained for the symmetrical cells prepared for Example 5(a). The slope of these lines corresponds to the activation energy and has a value of approximately 0.3 eV.
Figure 14 presents the results of ionic conductivity measured in function of the temperature for Cells 1 (.), 2 (A), 3 (*), 4 (*) and 8 (o). He is possible to observe in Figure 14 that the ionic conductivity of the poorest argyrodites in oxygen (y 0.3) (Cells 1 and 2) is similar to that of oxide-free argyrodite (Cell 8).
A decrease in conductivity is observed for the most argyrodites rich in oxygen (y> 0.3) (Cells 3 and 4). It should be noted that the ionic conductivity argyrodite of formula Li5,4PS4,100,3C11,6 (Cell 2) prepared from Li2SO4 is substantially identical to that of argyrodite free of oxide (Cell 8).
Figure 15 presents the results of ionic conductivity measured in function of the temperature for Cells 2 (A), 5 (o), 6 (.) and 7 (*). Figure 15 shows values of substantially similar ionic conductivity for Cells 5 and 6 including respectively Argyrodites 5 and 6 (t = 1.3 and y = 0.3) obtained by two syntheses different (respectively Equations (3) and (4)). For t = 1.6 and y =
0.3, Figure 15 also shows substantially higher ionic conductivity values Weak To Cell 7 including Argyrodite 7 in comparison with those of Cell 2 including Argyrodite 2. As can be observed, thanks to the precursor Li2SO4, it is possible to modulate the composition (for example, the level of lithium, oxygen and of sulfur) of an oxysulfurized lithium argyrodite while remaining substantially in the same range of ionic conductivity. It is also possible to observe that one significant lithium deficiency induces a reduction in conductivity ionic.
Figure 16 presents the results of ionic conductivity measured in function of the temperature for Cells 2 (o), 3 (.), 9 (A) and 10 (*). Figure 16 shows that for the same composition, the ionic conductivity of the argyrodites obtained at go from precursor Li2SO4 (Argyrodites 2 and 3) is significantly greater than that of argyrodites obtained from the Li2O precursor (Argyrodites 9 and 10). As demonstrated in Figure 8, the use of Li2SO4 type precursor allows better incorporation oxygen within the argyrodite structure and this results in a increase of conductivity as demonstrated by the results in Figure 16.
Date Received/Date Received 2022-10-12 Figure 17 presents the results of ionic conductivity measured in function of the temperature for Cells 2 (.), 12 (.), 13 (A), 14 (#) and 15 (*). There Figure 17 shows that the modulation of composition from the two halogens (i.e., the chlorine and bromine) does not substantially modify the ionic conductivity, in now from high conductivities. It should be noted that the Argyrodite 14 presents the best conductivity.
Figure 18 presents the results of ionic conductivity measured in function of the temperature for Cells 16 (.), 17 (.), 18 (A) and 19 (*). Figure 18 show that incorporation of the three halogens (i.e., chlorine, bromine and iodine) in the presence of Li2SO4 does not substantially modify the ionic conductivity, in now from high conductivities. It is possible to observe that an iodine level of 0.1 provides better conductivity than at a higher rate.
Thus by combining the different analyses, thanks to the Li2SO4 precursor, it is possible to obtain oxysulfurized argyrodites having the same conductivities ionic that those without oxide and improved compared to the use of the precursor Li2O. Moreover, he is possible to modulate the composition of argyrodites based on Li2SO4 with different halide rate and type while maintaining high ionic conductivity.
Moreover, this modulation makes it possible to improve security while maintaining good properties of conduction.
Figure 19 presents the ionic conductivity results measured in function of the temperature for Cells 2 (o), 20 (.), 13 (A) and 21 (*). Figure 19 show that whatever the composition of the argyrodite based on Li2SO4, the increase in volume synthesis makes it possible to slightly increase the ionic conductivity. This demonstrates that the proposed solutions can be easily applied at scale industrial, and this, without loss of performance.
Example 6 ¨ Electrochemical stability of inorganic compounds having a argyrodite-like structure a) Preparation of pseudo-batteries for stability measurements electrochemical Pseudo-batteries were assembled according to the following procedure in order to determine the electrochemical stability of Argyrodites 2 and 9 prepared in Example 1.
Date Received/Date Received 2022-10-12 5% by mass of VGCFs were mixed with 95% by mass of Argyrodites 2 and 9 in order to obtain composite positive pseudo-electrodes, and thus observe reactions redox tests substantially representative of the final compositions electrodes composite positives that can be used in battery configuration.
Solid electrolytes composed of the same argyrodites were then placed on the surface of the composite positive pseudo-electrodes. Electrodes negative of metallic lithium were then deposited on the surface of the electrolytes solid.
Assemblies comprising a composite positive pseudo-electrode, a electrolyte solid and a negative metallic lithium electrode were then compressed and assembled in sealed cells closed in a glove box under atmosphere inert.
The pseudo-batteries were assembled according to the configurations presented in the Table 3.
Table 3. Pseudo-battery configurations Composition of the pseudo-composite positive electrode Composition Composition Pseudo-battery Material argyrodite the electrolyte the electrode Conductive Argyrodite negative solid electronic Li5,4PS4,100,3C11,6 VGCFs Li5.4PS4.100.3C11.6 Lithium Cell 22 (Argyrodite 2) 5 cYo (Argyrodite 2) metallic 95 c/o mass mass Li5,4PS4,100,3C11,6 VGCFs Cell 23 Li5.4PS4.100.3C11.6 Lithium (Argyrodite 9) 5 cYo (Comparative cell) (Argyrodite 9) metallic 95 c/o mass mass b) Cyclic voltammetry The electrochemical stability in oxidation of pseudo-batteries such as described in Example 6(a) was measured using a VMP-300 multichannel potentiostat (BioLogic).
Figure 20 presents the cyclic voltammetry results obtained for the cell 22 and for Cell 23 (comparative battery) recorded at a speed of scan of 0.05 mV/s in the potential range of lithium oxide, nickel oxide, manganese and of cobalt (NMC), i.e. between 2.5 V and 4.2 V vs Li/Li + at a temperature about 30 C. The Date Received/Date Received 2022-10-12 Figure 20 presents the results obtained during the first four cycles for each of the two pseudo-batteries.
Figure 20 shows that no reaction with lithium metal could be observed, demonstrating the chemical and electrochemical stability of argyrodites with the lithium metallic. In the potential range of the NMC, it is possible to observe a weak redox reaction for the two pseudo-batteries, with a density of fluent weaker generated for Cell 22 including the argyrodite obtained in using Li2SO4 as precursor (0.3 pA/cm2) and polarization hysteresis weaker. He It is also possible to observe that this reaction is reversible. THE
argyrodites would therefore be substantially electrochemically stable in the range of potential of NMC with substantially improved electrochemical stability for argyrodite obtained using Li2SO4 as a precursor. Thus, argyrodite obtained in using Li2SO4 as a precursor is substantially stable on full range potential of a lithium metal battery.
Example 7 ¨ Electrochemical properties of inorganic compounds possessing an argyrodite type structure The electrochemical properties of Argyrodite 2 prepared in Example 1 have been studied.
a) Preparation of composite positive electrode material 35% by weight of Argyrodite 2 powder prepared in Example 1 were mixed at 65%
mass of LiNi particles0.6M no.2Co0.202 (NMC 622) and 5% by mass of a blend carbon black Li400 (Denkamc) and VGCFs (75:25 mass ratio). THE
powders dry were mixed using a vortex mixer (from vortex type) then with mortar in order to homogenize the positive electrode material composite.
b) Configuration of the electrochemical cell (Cell 24) The electrochemical cell was assembled according to the following procedure.
A solid electrolyte was prepared in 80 mg of argyrodite 2 powder prepared for Example 1 in a mold of 10mm in diameter under a pressure of 200 M Pa.
13 mg of the composite positive electrode material prepared in Example 7(a) have then been added in the mold on the solid electrolyte followed by a collector aluminum current.
Date Received/Date Received 2022-10-12 The contents of the mold including the solid electrolyte layer, the layer positive electrode composite and the aluminum current collector were then compressed under a pressure of 360 MPa for approximately 10 minutes. A lithium electrode metallic mm diameter on a stainless steel current collector was then added 5 facing the solid electrolyte layer and the whole was compressed under a pressure of 120 MPa for approximately 5 minutes.
The electrochemical cell was then assembled, in a cell of waterproof cycling closed in a glove box under an inert atmosphere maintained at a pressure of 20 MPa.
c) Electrochemical behavior of the electrochemical cell 10 Cell 24 assembled in Example 7(b) was cycled between 2.5 V and 4.5 V vs. Li/Li. THE
first five cycles were carried out at C/10, followed by four cycles at C/4, then the Aging experiments were carried out at a load current and dump constant of C/2 at a temperature of 30 C for a surface capacity of 1.8 mAh/cm2.
Figure 21 shows a graph of charge (.) and discharge capacity (o) and the coulombic efficiency (A) as a function of the number of cycles per 100 cycles.
Figures 22 and 23 show the discharge profiles at different charging currents and of dump. More particularly, Figures 22 and 23 respectively show A
graph of potential versus discharge capacity and time hours.
It is possible to observe that the electrochemical cell has C/10, C/4 and C/2 provided respectively a capacity of approximately 170 mAh.g-1, 160 mAh.g-1 and 150 mAh.g-1.
It is possible to observe substantial capacity retention after 100 cycles, thus allowing stability of performance in aging as demonstrated to the Figure 22. It is possible to observe adequate cyclability of the cell electrochemical at C/2 in charge and discharge at a temperature of 30 C demonstrating the beautiful stability electrochemical of Argyrodite 2 in potential and with respect to the material driver electronic (i.e., the mixture of Li400 carbon black and VGCFs) and the material electrochemically active (ie, NCM).
Several modifications could be made to either mode of achievements described above without departing from the scope of the present invention such Date Received/Date Received 2022-10-12 than envisaged. References, patents or scientific literature documents referred in this application are incorporated herein by reference in their completeness and all purposes.
Date Received/Date Received 2022-10-12
Claims (66)
lithium.
is,4P54,100,3C11,6, Li5APS3,900,50 1,6 , LisAP53,6500,75C11,6, Li5,7PS4,400,3C11,3, LisAP54,100,3C11,6, Lis,4 P53,900,501,6, LisAP54,100,3B ri ,6, LisAP54,100,3CIBro,6, LisAP54,100,3C10,8Bro,8, LisAP54,100,3C10,6Br, LisAP54,100,3CIBro,510,1, LisAP54,100,3C10,75Bro,7510,1, LisAP54,100,3C10,7Bro,710,2 et LisAP54,100,3CIBro,410,2. 10. Method according to claim 8, in which the type structure argyrodite is chosen from inorganic compounds having a structure of type argyrodite of formulas Lis,4P54,300,1Cl 1.6, I¨
is,4P54,100,3C11,6,Li5APS3,900,50 1.6, LisAP53,6500,75C11.6, Li5.7PS4,400,3C11.3, LisAP54,100,3C11,6, Lis,4 P53,900,501,6, LisAP54,100,3B ri ,6, LisAP54,100,3CIBro,6, LisAP54,100,3C10,8Bro,8, LisAP54,100,3C10,6Br, LisAP54,100,3CIBro,510,1, LisAP54,100,3C10,75Bro,7510,1, LisAP54,100,3C10,7Bro,710,2 and ReadAP54,100,3CIBro,410,2.
¨ -6-x-2yPS5-x-yOyZ1+x, dans laquelle M est le métal alcalin choisi parmi Li, Na et K, par exemple M est Li, Z est un atome d'halogène choisi parmi F, Cl, Br et I et x et y sont des nombres différents de zéro (par exemple, 0 < x ~ 1 et 0 < y ~ 1). 11. Method according to any one of claims 1 to 7, in which the structure argyrodite type has formula M
¨ -6-x-2yPS5-x-yOyZ1+x, in which M is the metal alkaline chosen from Li, Na and K, for example M is Li, Z is an atom halogen chosen from F, Cl, Br and I and x and y are numbers other than zero (by example, 0 < x ~ 1 and 0 < y ~ 1).
Date Reçue/Date Received 2022-1 0-1 2 15. Method according to any one of claims 1 to 14, in which the stage of grinding is carried out at a rotation speed included in the interval going from about 500 rpm to about 700 rpm.
Date Received/Date Received 2022-1 0-1 2
inorganique possédant une structure de type argyrodite est présent en tant qu'additif. 23. Electrode material according to claim 22, in which the compound inorganic having an argyrodite type structure is present as an additive.
inorganique possédant une structure de type argyrodite est présent en tant que matériau de revêtement. 24. Electrode material according to claim 22 or 23, in which the compound inorganic having an argyrodite type structure is present as covering material.
Date Received/Date Received 2022-1 0-1 2 metal fluoride, sulfur, selenium and a combination of two or more of these.
metal fluoride, metal sulfide, metal oxysulfide, carbon, silicon (Si), a silicon-carbon composite (Si-C), a silicon oxide (Si0x), a silicon oxide-carbon composite (SiOx-C), tin (Sn), composite tin-carbon (Sn-C), a tin oxide (SnO,), a tin oxide-carbon composite (SnOx-C), and a combination of at least two of these.
Date Reçue/Date Received 2022-1 0-1 2 33. Electrode material according to any one of claims 22 to 32, In wherein the electrochemically active material further comprises a material coating.
Date Received/Date Received 2022-1 0-1 2
glasses, glass ceramics, ceramics, nano ceramics, salts and a combination of at least two of these.
Date Reçue/Date Received 2022-1 0-1 2 43. Electrode material according to any one of claims 22 to 42, which further comprises a binder.
Date Received/Date Received 2022-1 0-1 2
l'une quelconque des revendications 22 à 44. 46. A self-supporting electrode comprising the electrode material such as set to any one of claims 22 to 44.
inorganic compound having an argyrodite type structure is present in as an additive.
inorganique possédant une structure de type argyrodite est présent en tant que matériau d'électrolyte solide inorganique. 54. Electrolyte according to claim 52 or 53, in which the compound inorganic having an argyrodite type structure is present as a material of inorganic solid electrolyte.
Date Reçue/Date Received 2022-1 0-1 2 55. Electrolyte according to any one of claims 47 to 54, which includes in in addition to at least one additional component.
Date Received/Date Received 2022-1 0-1 2
glass or ceramic particles and a combination of at least two of these this.
44. 57. An electrochemical cell comprising a negative electrode, a electrode positive and an electrolyte, in which at least one of the electrode positive or the negative electrode is as defined in claim 45 or 46 or understand an electrode material as defined in any one of the claims 22 to 44.
l'une quelconque des revendications 47 à 56. 58. An electrochemical cell comprising a negative electrode, a electrode positive and an electrolyte, in which the electrolyte is as defined in moon any of claims 47 to 56.
Date Reçue/Date Received 2022-1 0-1 2 66. Electrochemical accumulator according to claim 65, in which said An electrochemical accumulator is a so-called solid-state battery.
Date Received/Date Received 2022-1 0-1 2
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