DE102004008397B4 - Positives aktives Elektrodenmaterial, Verfahren zur Herstellung eines positiven aktiven Elektrodenmaterials und Lithium-Sekundärzelle - Google Patents

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Abstract

Positives aktives Elektrodenmaterial für die Verwendung in wiederaufladbaren Lithiumionenbatterien,
dadurch gekennzeichnet, dass
das positive aktive Elektrodenmaterial die allgemeine Formel LiaNi1-x-y-zMnxCoyMzO2, aufweist,
wobei M = Nb und/oder Ta und
1.00 ≤ a ≤ 1.15
0.5 < x + y + z < 1.0
0.1 < x < 0.5
0.01 < y < 0.3
0 < z < 0.10
ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein positives aktives Elektrodenmaterial für die Verwendung in wiederaufladbaren Lithiumionenbatterien, eine Lithium-Sekundärzelle mit dem erfindungsgemäßen Elektrodenmaterial sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Es besteht in zunehmenden Maße ein Bedarf an wiederaufladbaren Lithium-Batterien als Stromquelle für tragbare elektronische Geräte wie beispielsweise Laptops oder Mobiltelefone. Lithiumbatterien verfügen über sehr große volumen- und gewichtsbezogene Energiedichten (z. Zt ca. 300 Wh/l bzw. ca. 120 Wh/kg), weisen hohe Zeltspannungen (ca. 4 V) und relativ niedrige Selbstentladungsraten auf.
  • Batterien mit metallischem Lithium sind im allgemeinen weniger geeignet, da die Zyklenlebensdauer in der Regel nur unzureichend ist und darüber hinaus bestehen Sicherheitsbedenken bei der Verwendung von metallischem Lithium.
  • Aus diesem Grund stehen derzeit Lithiumionenbatterien im Mittelpunkt der Betrachtung. Die positive Elektrode einer Lithiumionenbatterie kann aus LiCoO2, LiNiO2 oder LiMn2O4 bestehen, die negative Elektrode aus Graphit oder Koks und der Separator aus einem porösen Kunststoff. Die Lithiumionen werden in diesen Elektroden reversibel ein- und ausgelagert. Beim Ladevorgang wandern die Ionen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode, während des Entladens dann in die entgegengesetzte Richtung.
  • In Zukunft werden Batterien hinsichtlich ihrer Verwendung in elektrischen Fahrzeugen und als Energiespeicher in einem vergrößerten Ausmaß eingesetzt werden. Dabei spielt das Kathodenmaterial bei der Bestimmung der Leistungsfähigkeit und der Sicherheit von Lithiumionenbatterien eine wichtige Rolle.
  • Derzeit wird fast ausschließlich LiCoO2 als aktives positives Elektrodenmaterial in Lithiumionenbatterien verwendet. Jedoch besteht ein Bedarf an Alternativmaterialien, welche aus Ausgangsmaterialien hergestellt werden, die preiswerter und darüber hinaus auch weniger toxisch sind, wobei sie die gleiche oder sogar eine bessere Leistungsfähigkeit insbesondere für große Batterien aufweisen.
  • Für wiederaufladbare Lithiumionenbatterien ist LiCoO2 das Kathodenmaterial der Wahl. Es weist eine Schichtstruktur mit der Raumgruppe R-3m auf, zeigt eine gute Anfangskapazität und eine gute Zyklenstabilität. Allerdings ist LiCoO2 relativ teuer und bei der Verwendung von LiCoO2 bei großen Batterien bestehen darüber hinaus Bedenken bezüglich der Sicherheit.
  • Anstelle von LiCoO2 kommen mehrere Alternativen in Betracht.
  • Zum einen kann LiNiO2 als Alternativmaterial eingesetzt werden. Es weist analog zu LiCoO2 eine Schichtstruktur mit der Raumgruppe R-3m auf, ist relativ preiswert und weist eine höhere Kapazität auf. Allerdings ist die Herstellung von LiNiO2 im großtechnischem Maßstab mit Schwierigkeiten verbunden und darüber hinaus bestehen Sicherheitsbedenken.
  • Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz von LiMn2O4 als Kathodenmaterial. LiMn2O4 liegt in der Spinellform vor, ist billiger als LiCoO2 und auch sicherer. Der Nachteil bei der Verwendung von LiMn2O4 liegt jedoch in der geringen Kapazität und auch bestehen Stabilitätsprobleme bei erhöhten Temperaturen.
  • Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Li(Ni,Mn,Co)O2-Materialien. Diese Materialien weisen jeweils Schichtstrukturen auf und kristallisieren in der Raumgruppe R-3m. Der Einsatz von Ni und Mn führt zu einer Kostenreduzierung und erhöht die Sicherheit, was auf den Einsatz von Mn zurückzuführen ist. Derartige Materialien weisen eine hohe Anfangskapazität auf, der Nachteil liegt jedoch in der unzureichenden Zyklenstabilität.
  • Diese zuletzt genannten Kathodenmaterialien sind äußerst vielversprechend und stehen bei Forschung und Entwicklung derzeit weltweit im Mittelpunkt des Interesses. Nach unserer Erfahrung zeigen diese Materialien hohe Anfangskapazitäten, aber nur eine geringe Zyklenstabilität, insbesondere Materialien, welche einen niedrigen Co-Gehalt aufweisen.
  • Es ist bekannt, dass die elektrochemische Leistungsfähigkeit von positiven Elektrodenmaterialien durch Dotierung verbessert werden kann. Die Auswahl und die Anwendbarkeit der Dotierungselemente ist in hohem Maße von der Art des positiven Elektrodenmaterials abhängig. Bekannt ist es, mit B, Al und Mg zu dotieren.
  • So beschreibt die WO 01/41238 A1 ein Elektrodenmaterial für positive Elektroden wiederaufladbarer Batterien, welches auf einem Lithium-Übergangsmetallmischoxid mit mindestens zwei Übergangsmetallen (z. B. Nickel und/oder Mangan) basiert, eine Schichtstruktur aufweist und beispielsweise mit Aluminium und/oder Bor dotiert ist. Dieses Elektrodenmaterial zeigt sich durch eine hohe Zyklenstabilität aus und ist dennoch kostengünstig herstellbar. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn das Elektrodenmaterial die Zusammensetzung LiMn0.5Ni0.4Al0.1O2 aufweist. Dieses Elektrodenmaterial ist als positive Elektrode bezüglich der spezifischen Ladung (Ah/kg) über 200 Zyklen stabil.
  • In dem Artikel von R. Alcantara, P. Lavela, J. L. Tirado, R. Stoyanova, E. Zhecheva, J. Solid State Chem., Vol 134, 1997, S. 265–273 wird beschrieben, dass eine signifikante Verbesserung unter Erhalt der Kapazität beobachtet wurde, wenn LiCoO2 mit Bor dotiert wird.
  • In dem Artikel von Jaephil Cho, Chem. Mater. Vol. 12, 2000, S. 3089–3094 wird beschrieben, dass für LiNiO2 ein verminderter Kapazitätsverlust beobachtet wird, wenn mit Magnesium dotiert wird.
  • In dem Artikel von C. Delmas, L. Croguennec, MRS Bulletin, August 2002, S. 608–612 wird beschrieben, dass Mg-dotierte Li(Ni,Co)O2-Verbindungen ein verbessertes Zyklusverhalten im Vergleich zu nicht dotierten Materialien aufweisen.
  • Die EP 1 130 665 A1 beschreibt ein aktives Material für eine positive Elektrode für eine Sekundärbatterie mit einem nichtwässrigen Elektrolyten, wobei das aktive Material ein Lithium-enthaltendes Mangankompositoxid mit einer geschichteten Kristallstruktur umfasst, welches durch die allgemeine Formel Li1-xMn1-yMyO2-δ wiedergegeben wird. Bei diesem Elektrodenmaterial ist eine verbesserte Zyklenstabilität zu beobachten, wenn M ausgewählt wird aus Co, Ni, Fe, Al, Ga, In, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Ce oder Cr.
  • Die EP 944 125 A1 beschreibt eine verbesserte Zyklenstabilität für LiaCobMcNi1-b-cO2 (0.02 ≤ b + c ≤ 0.5) im Vergleich zu der unsubstituierten Verbindung, wenn M ausgewählt wird aus B, Mg, Al, Si, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Ga, Ge, Y, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In und Sn.
  • Aus der DE 690 16 143 T2 sind zudem Elektrodenmaterialien bekannt, wobei diese Elektrodenmaterialien allerdings kein Nickel enthalten. Zudem ist bei den Verbindungen in der DE 690 16 143 T2 mit LixCo(1-y)MyO2 mit y ≤ 0.3 Cobalt der Hauptbestandteil.
  • Die vorliegende Erfindung hingegen beansprucht Verbindungen, bei denen der Anteil an Cobalt möglichst gering ist, während Nickel zugegen ist.
  • Durch die vorliegende Erfindung werden neue Elektrodenmaterialien mit wertvollen Eigenschaften zur Verfügung gestellt, die aus der DE 690 16 143 T2 weder bekannt sind noch dort für den Fachmann nahegelegt sein können.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, dotierte Elektrodenmaterialien anzugeben, die die Zyklenstabilität im Vergleich zu nicht dotierten Materialien beträchtlich erhöhen. Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
  • Es wird ein positives aktives Elektrodenmaterial für die Verwendung in wiederaufladbaren Lithiumionenbatterien bereitgestellt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das positive aktive Elektrodenmaterial die Formel LiaNi1-x-y-zMnxCoyMzO2, aufweist,
    wobei M = Nb und/oder Ta und
    1.00 ≤ a ≤ 1.15
    0.5 < x + y + z < 1.0
    0.1 < x < 0.5
    0.01 < y < 0.3
    0 < z < 0.10
    ist.
  • Überraschenderweise wurde gefunden, dass durch die Dotierung von Verbindungen der Formel LiaNi1-x-yMnxCoyO2 (1.00 ≤ a ≤ 1.15, 0.5 < x + y < 1.0, 0.1 < x < 0.5) mit geringen Mengen von etwa 1 mol% Nb und/oder Ta die Zyklenstabilität im Vergleich zu undotierten Materialien beträchtlich verbessert werden kann. Darüber hinaus wurde gefunden, dass die Zyklenstabilität durch die Dotierung mit Nb und/oder Ta sogar besser ist als bei Dotierung mit B, Al oder Mg.
  • Als bevorzugt hat sich herausgestellt, wenn 0 < z < 0.05 und ganz besonders bevorzugt ist es, wenn 0 < z < 0.03 ist.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem die erfindungsgemäßen Materialien hergestellt werden.
  • Dieses Ziel wird erreicht, indem eine Lithiumverbindung, eine Nickelverbindung, Manganoxid, Cobaltoxid und Niobium- und/oder Tantaloxid in einem geeigneten Verhältnis miteinander vermischt werden, diese Mischung einer Wärmebehandlung unterzogen wird und anschließend zerkleinert und zu einem Pulver vermahlen wird.
  • Als Lithiumverbindung kann dabei Lithiumcarbonat oder Lithiumhydroxid eingesetzt werden.
  • Als Nickelverbindung kann dabei Nickelcarbonat oder Nickelhydroxid eingesetzt werden.
  • Die erfindungsgemäßen Lithiumkomplexoxide, deren Eigenschaften in den Beispielen näher beschrieben werden und auch die Vergleichsverbindungen, werden über Feststoffverfahren hergestellt. Es werden kommerzielle Oxide, Hydroxide und Carbonate der entsprechenden Elemente verwendet. Lithiumcarbonat, Nickelcarbonat, Manganoxid, Cobaltoxid und eine Verbindung des Dotierelements (Borsäure, Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Niobium(V)oxid oder Tantal(V)oxid) werden in einem geeigneten Verhältnis miteinander vermischt.
  • Unter einem geeigneten Verhältnis versteht man ein Verhältnis, welches eingesetzt wird, um die erfindungsgemäßen Materialien herzustellen.
  • Nachdem die Materialien miteinander vermischt worden sind, werden sie bei einer Temperatur von 800°C–1200°C wärmebehandelt.
  • Dabei ist es bevorzugt, wenn die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 900°C–1000°C durchgeführt wird.
  • Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise in einer oxidierenden Atmosphäre durchgeführt, d. h. in Luftatmosphäre oder in einer Luftatmosphäre, der Sauerstoff zugemengt worden. Dabei beträgt der Zeitraum zwischen 4 und 20 h. Bevorzugt ist, wenn die Wärmebehandlung in einem Zeitraum von 8–12 h durchgeführt wird.
  • Anschließend wird die Mischung zu einem Pulver mit definierter Korngröße vermahlen. Dazu kann eine Mahlvorrichtung, die dem Fachmann bekannt ist, verwendet werden. Beispielsweise kann zum Vermahlen eine Kugelmühle eingesetzt werden.
  • Das so erhaltene Pulver weist eine Partikelgröße von d90 < 20 μm auf.
  • Die Phasenidentität und die Reinheit der Produkte wurde unter Verwendung von Röntgendiffraktometrie (XRD) überprüft.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Lithium-Sekundärzelle bereitzustellen, in der die erfindungsgemäßen Materialien eingesetzt werden.
  • Dieses Ziel wird erreicht, indem eine Lithium-Sekundärzelle mit einer positiven Elektrode, die Lithiumionen reversibel absorbiert und freisetzt, einer negativen Elektrode, die Lithium oder eine Lithium enthaltende Verbindung enthält und einen nichtwäßrigen Elektrolyten bereitgestellt wird, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das positive aktive Elektrodenmaterial die Formel LiaNi1-x-y-zMnxCoyMzO2, aufweist,
    wobei M = Nb und/oder Ta und
    1.00 ≤ a ≤ 1.15
    0.5 < x + y + z < 1.0
    0.1 < x < 0.5
    0.01 < y < 0.3
    0 < z < 0.10
    ist.
  • Bevorzugt ist es, wenn 0 < z < 0.05 und ganz besonders bevorzugt ist es, wenn 0 < z < 0.03 ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Beispiele beschrieben, die die Erfindung nicht einschränken.
  • Beispiele
  • Es wurden folgende Lithiumkomplexoxide hergestellt: LiNi0.45Mn0.45Co0.10O2 (1) Li[Ni0.45Mn0.45Co0.10]0.99B0.01O2 (2a) Li[Ni0.45Mn0.45Co0.10]0.99Al0.01O2 (3a) Li[Ni0.45Mn0.45Co0.10]0.95Al0.05O2 (3b) Li[Ni0.45Mn0.45Co0.10]0.99Mg0.01O2 (4a) Li[Ni0.45Mn0.45Co0.10]0.95Mg0.05O2 (4b) Li[Ni0.45Mn0.45Co0.10]0.99Nb0.01O2 (5a) Li[Ni0.45Mn0.45Co0.10]0.95Nb0.05O2 (5b) Li[Ni0.45Mn0.45Co0.10]0.99Ta0.01O2 (6a) Li[Ni0.45Mn0.45Co0.10]0.95Ta0.05O2 (6b)
  • Verbindung 1 ist die undotierte Ausgangsverbindung und dient als Vergleichsverbindung. Die Verbindungen 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a und 6b enthalten 1 oder 5 mol% Al, Mg, Nb und Ta. Im Falle von B konnte nur das 1-% dotierte Material hergestellt werden (Verbindung 2a). Bei dem Versuch, mit höheren Bor-Anteilen zu dotieren, wurde mittels Röntgenbeugung (XRD) Li3BO3 als sekundäre Phase beobachtet. Für die anderen Verbindungen wurde die Phasenreinheit mittels Röntgenbeugung (XRD) bestätigt.
  • Für die elektrochemischen Testverfahren wurden Elektroden unter Verwendung eines Standardverfahrens, umfassend die Schritte des Vermischens der Oxide mit einem Bindelmittelsystem, Carbon black und Graphit und einem organischen Lösemittel, Aufstreichen der Mischung auf eine Aluminiumfolie und Trocknen hergestellt. Es wurde eine Rundelektrode ausgestanzt. Es wurde mit dieser Elektrode, einem Separator, einem Elektrolyt und einer Lithiumfolie, die als Gegenelektrode fungiert, eine elektrochemische Zelle aufgebaut.
  • Anschließend wurde die Zelle zwischen 3.0 und 4.4 V vs. Li/Li+ betrieben. Es wurden in der Regel 30 Zyklen unter Verwendung des folgenden Programms durchgeführt: Für die Zyklen 1–2 bzw. 1–3 wurde ein spezifischer Strom von 10 mA/g verwendet, für die nächsten Zyklen wurde 30 mA/g angelegt. Zwischen den Zyklen 21–24 bzw. 21–25 wurde ein Strom von 75 mA/g verwendet.
  • Die Verbindungen 1, 2a, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 6a wurden unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens elektrochemisch getestet. Die Tabelle 1 zeigt die gemessenen Entladungskapazitäten im 4. und im 30. Zyklus. Das undotierte Material 1 startet bei 146 mAh/g und zeigt nur eine mäßige Zyklenstabilität mit einem Verlust von 9 mAh/g bis zum 30. Zyklus. Die dotierten Verbindungen 2a, 3a, 4a, 5a und 6a weisen in etwa die gleichen Ausgangswerte im 4. Zyklus auf. Die Dotierung mit 1% B zeigt einen geringen positiven Einfluß auf die Zyklenstabilität, während die Dotierung mit 1% Al nahezu keinen Effekt zeigt und die Dotierung mit 1% Mg sogar einen negativen Effekt zeigt. Auf der anderen Seite erhöht die Dotierung mit 1% Nb die Zyklenstabilität beträchtlich: von dem 4. Zyklus bis zum 30. Zyklus wird nur ein Verlust von 2 mAh/g beobachtet. Der Einfluß der Dotierung mit 1% Ta ist nicht so hoch wie der von Nb, aber diese Verbindung verhält sich immer noch besser als die Vergleichsbeispiele. Die Dotierung mit 5% Al und Mg verschlechtert das elektrochemische Leistungsverhalten beträchtlich.
  • Die Tabelle 1 zeigt die Entladungskapazitäten nach dem 4. und dem 30. Zyklus Tabelle 1: Entladungskapazitäten nach dem 4. und dem 30. Zyklus
    Verbindung Dotierung Entladungskapazität 4. Zyklus [mAh/g] Entladungskapazität 30. Zyklus [mAh/g]
    Vergleichsbeispiel 1 - 146 137
    Vergleichsbeispiel 2a 1% B 146 140
    Vergleichsbeispiel 3a 1% Al 147 138
    Vergleichsbeispiel 3b 5% Al 136 127
    Vergleichsbeispiel 4a 1% Mg 141 134
    Vergleichsbeispiel 4b 5% Mg 118 113
    Erfindungsgemäßes Beispiel 5a 1% Nb 148 146
    Erfindungsgemäßes Beispiel 6a 1% Ta 147 143
  • Die 1 zeigt die Zykluskurven für die undotierte Verbindung und die mit 1% dotierten Materialien 2a, 3a, 4a und 5a.

Claims (14)

  1. Positives aktives Elektrodenmaterial für die Verwendung in wiederaufladbaren Lithiumionenbatterien, dadurch gekennzeichnet, dass das positive aktive Elektrodenmaterial die allgemeine Formel LiaNi1-x-y-zMnxCoyMzO2, aufweist, wobei M = Nb und/oder Ta und 1.00 ≤ a ≤ 1.15 0.5 < x + y + z < 1.0 0.1 < x < 0.5 0.01 < y < 0.3 0 < z < 0.10 ist.
  2. Positives aktives Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 0 < z < 0.05 ist.
  3. Positives aktives Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 0 < z < 0.03 ist.
  4. Verfahren zur Herstellung eines positiven aktiven Elektrodenmaterials nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lithiumverbindung, eine Nickelverbindung, Manganoxid, Cobaltoxid und Niobium- und/oder Tantaloxid in einem geeigneten Verhältnis miteinander vermischt werden, diese Mischung einer Wärmebehandlung unterzogen wird und anschließend zerkleinert und zu einem Pulver vermahlen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 800°C–1200°C durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 900°C–1000°C durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach den Ansprüchen 4–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in oxidierender Atmosphäre durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach den Ansprüchen 4–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einem Zeitraum von 4–20 h durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einem Zeitraum von 8–12 h durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach den Ansprüchen 4–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung in einer Mahlvorrichtung vermahlen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung in einer Kugelmühle vermahlen wird.
  12. Lithium-Sekundärzelle mit einer positiven Elektrode, die Lithiumionen reversibel absorbiert und freisetzt, einer negativen Elektrode, die Lithium oder eine Lithium enthaltende Verbindung enthält und einem nichtwäßrigen Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, dass das positive aktive Elektrodenmaterial die allgemeine Formel LiaNi1-x-y-zMnxCoyMzO2, aufweist, wobei M = Nb und/oder Ta und 1.00 ≤ a ≤ 1.15 0.5 < x + y + z < 1.0 0.1 < x < 0.5 0.01 < y < 0.3 0 < z < 0.10 ist.
  13. Lithium-Sekundärzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass 0 < z < 0.05 ist.
  14. Lithium-Sekundärzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass 0 < z < 0.03 ist.
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