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Die
vorliegende Erfindung betrifft pulverförmige Verbindungen der Formel
NibM1cM2d(O)x(OH)y(SO4)z, ein
Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung als Vorstoff
für elektrochemische
Anwendungen.
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Eine
Vielzahl verschieden dotierter oder gecoateter Nickelverbindungen
werden seit geraumer Zeit untersucht und synthetisiert, um sie entweder
als Aktivmasse für
NiMH-Batterien oder
als Vorstoff für
verschiedenste Lithiummischmetalloxide einzusetzen. Beispiele für solche
Verbindungen sind cogefällte
Hydroxide wie ein Ni
0.50Co
0.20Mn
0.30(OH)
2, beschrieben
in
US 2002/0053663
A1 , oder ein mit Al(OH)
3 gecoatetes
NiCo(OH)
2, wie in
EP 1637503 A1 beschrieben.
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Die
aus den nickelhaltigen Vorstoffen synthetisierten Lithiummischmetalloxide
dienen, neben dem bereits seit längerem
im Einsatz befindlichen Lithiumcobaltoxid, als Kathodenaktivmaterial
für Lithium-Ionen-Sekundärbatterien.
Aufgrund seiner sehr hohen Energiedichte dominiert dieser Typ Sekundärbatterie
in der heutigen Zeit den Batteriemarkt bezüglich mobiler elektronischer
Geräte
wie Handys, Laptops oder auch Digitalkameras. Beispielverbindungen
für solche
Lithiummischmetalloxide sind LiNi0.80Co0.15Al0.05O2 oder auch LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2. Cogefällte
als auch gecoatete Nickelverbindungen eignen sich in besonderem
Maße als Vorstoffe
für die
Lithiummischmetalloxide, da bereits auf der Stufe des Vorstoffes
eine homogene Verteilung der einzelnen Elemente erzielt werden kann.
Eine homogene Verteilung aller metallischen Elemente im Endprodukt
ist für
die Produkteigenschaften in der Batterie von grösster Bedeutung.
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Bei
der geforderten, hohen Energiedichte der Speichermedien (NiMH-Batterien
als auch Lithium-Ionen-Sekundärbatterien)
kann zwischen der volumetrischen Energiedichte, ausgedrückt in Wattstunden/Liter (Wh/l),
und der gravimetrischen Energiedichte, ausgedrückt in Wh/kg, unterschieden
werden. Die volumetrische Energiedichte der Sekundärbatterie
wird unter anderem durch die Elektrodendichte (g/cm3)
sowohl auf Seite der Kathode als auch auf Seite der Anode beeinflusst.
Je höher
die Elektrodendichte der Kathode bzw. Anode, desto höher wird
die volumetrische Energiedichte des Speichermediums. Die Elektrodendichte
wird wiederum sowohl durch den Herstellungsprozess der Elektrode
als auch durch das eingesetzte Kathodenaktivmaterial beeinflusst.
Je höher
die Dichte des Kathodenmaterials (z.B. bestimmt als Klopfdichte
oder auch als Pressdichte), desto höher fällt die Elektrodendichte bei
ansonsten gleichbleibenden Bedingungen während der Elektrodenfertigung
(z.B. Verfahren zur Elektrodenfertigung, Elektrodenzusammensetzung)
aus. Diese Erkenntnis spiegelt sich bereits in einigen Schriften
wider. Für
die Dichte der Lithiummischmetalloxide als Kathodenmaterial für Li-Sekundärbatterien
spielt auch die Dichte des entsprechenden Vorstoffes (z.B. ein cogefälltes Ni(OH)2 oder ein gecoatetes Ni(OH)2)
eine wichtige Rolle.
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Da
bei der Elektrodenpräparation
ein gewisser Druck angewandt wird, muss die am Pulver ermittelte Klopfdichte
oder auch Rütteldichte
jedoch nicht unbedingt direkte Rückschlüsse auf
die Elektrodendichte unter Verwendung dieses Pulvers zulassen. Eine
unter einem definierten Druck ermittelte Pressdichte eines Pulvers stellt
eine Größe dar,
die zuverlässigere
Rückschlüsse auf
eine Elektrodendichte mit diesem Pulver zulässt. Voraussetzung für die vorgenannte
Messung der Pressdichte als auch für die Elektrodenfertigung sollte
dabei sein, dass die Partikel während
der Komprimierung nicht zerbrechen. Ein Zerbrechen der Partikel
würde zum einen
eine unkontrollierte Fertigung der Elektrode bedeuten, und des weiteren
würde eine
solche Zerkleinerung der Partikel bei der Elektrodenherstellung
zu Inhomogenitäten
führen.
So würden
die inneren Bruchflächen
der zerkleinerten Partikel einen nicht so guten Kontakt mit dem
Binder und dem Leitzusatz der Elektrode aufweisen wie die äußere Oberfläche der
Partikel.
US 2004/023113
A1 beschäftigt
sich mit der Bestimmung der Pressdichte und Druckfestigkeit von
Kathodenpulvern.
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Darin
werden Substanzen der allgemeinen Formel Li
xM(1-y)N
yO
2 als Kathodenaktivmaterial
für Lithium-Sekundärzellen
genannt, wobei 0.2 ≤ x ≤ 1.2, 0 ≤ y ≤ 0.7 bedeuten.
M ist hierbei ein Übergangsmetall,
und N ist ein Übergangsmetall
abweichend von M, oder ein Erdalkalimetall. In
US 2004023113 wird besonderen Wert
darauf gelegt, dass die Korngrössenverteilung
eine definierte Form haben muss, damit der Kompressionsfluss durch
das Partikelbett während
der Pressung zur Elektrodenfertigung besonders schonend ist, und dass
dadurch auch die Dichte der Elektrode optimiert werden kann. Neben
der Partikelgrössenverteilung
wird auch noch erwähnt,
dass die Partikel des Pulvers möglichst
kleine Poren aufweisen sollten, wobei das Porenvolumen der Poren
bis zu einem Durchmesser von 1 µm
einen Wert von 0,03 cm
3/g nicht überschreiten
sollte (gemessen durch Hg-Porosimetrie).
Es werden jedoch keine besonderen verfahrenstechnischen Maßnahmen geschildert,
um diese genannten Produktparameter zu erzielen. Bei der Bestimmung
der Pressdichte wird das Pulver unter einem Druck von 0,3 t/cm
2 gepresst.
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Bei
den Beispielen werden hauptsächlich
Lithiumcobaltoxide beschrieben. Bei dem bereits genannten Pressdruck
von 0,3 t/cm2 werden Pressdichten im Bereich
von 2,58-3,32 g/cm3 erreicht.
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Neben
der Pressdichte selbst wird desweiteren Wert darauf gelegt, dass
nach der Pressung des Materials der Volumenanteil der Partikel kleiner
1 µm nicht
größer als
0,1% ist. Eine signifikante Zunahme der feinen Partikel nach der
Pressung würde
darauf hindeuten, dass während
der Druckausübung
Partikel zerstört werden.
Ein solches Phänomen
würde die
Homogenität
der Elektrode gefährden.
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Es
ist jedoch davon auszugehen, dass ein Druck von 0,3 t/cm
2 nicht den Drücken entspricht, welche tatsächlich bei
der Elektrodenfertigung angelegt werden. Bei der Elektrodenfertigung
muss das Material mindestens einem Druck von 1t/cm
2 standhalten
können.
In
JP 2001-80920 A wird
in Beispiel 1 bei der Elektrodenfertigung ein Druck von 2 t/cm
2 angegeben.
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In
JP 2001-80920 A wird
die Druckfestigkeit von Lithiummischmetalloxiden (LNCO) erwähnt, welche drei
metallische Komponenten neben Lithium beinhalten, und ebenfalls
als Aktivmaterialien für
Lithium-Sekundärbatterien
zum Einsatz kommen.
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Die
so gefertigten Materialien weisen eine Druckfestigkeit von 0,001-0,01
N auf. Gemäß dieser
Schrift ist es wünschenswert,
dass die Partikel bei der Elektrodenfertigung in ihre primären Bestandteile
zerfallen, was der Argumentation der
US 2004023113 zugegen läuft. Gemäß
JP 2001-80920 A muss
das in kleinere Bestandteile zerfallene Material eine gewisse Fliessfähigkeit
aufweisen, damit sich die Partikel gleichmäßig auf der Elektrode verteilen
können.
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In
US 2005/0220700 A1 wird
ebenfalls die Druckfestigkeit von Lithiummischmetalloxiden diskutiert. Die
Verbindungen weisen dabei die Formel Li
pNi
xCo
yMn
zM
qO
2-aF
a auf.
Während
in der
US 2004/023113
A1 lediglich ein Wert von 0,3 t/cm
2 zur
Druckfestigkeit angegeben wird sind in der
US 2005/0220700 A1 für die Lithiummischmetallverbindungen
Druckfestigkeiten von mindestens 50 MPa angegeben, was 0,5 t/cm
2 entspricht. Allerdings ist die Formel für die relevanten
Verbindungen in
US
2005/0020700 A1 deutlich enger gefasst als die in
US 2004/023113 A1 .
So ist Mangan fester Bestandteil aller Verbindungen in
US 2005/0020700 A1 .
US 2005/0220700 A1 geht
nicht näher
darauf ein, wieso die aufgeführten
Verbindungen eine besondere Druckfestigkeit aufweisen. Lediglich
ein definierter Korngrössenbereich
sowie ein definierter Bereich für
die spezifische Oberfläche
der Materialien wird genannt. Es werden keine verfahrenstechnischen
Besonderheiten erwähnt,
welche das Material besonders druckbeständig machen.
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Es
ist offensichtlich, dass auch die Eigenschaften des nickelhaltigen
Vorstoffes zur LNCO-Synthese die
Druckfestigkeit des Endproduktes beeinflussen wird. So ist davon
auszugehen, dass ein druckbeständigerer
Vorstoff auch ein druckfesteres Endprodukt liefert. Parameter im
Vorstoff, wie z.B. die Porosität
oder auch die äussere
Form der Partikel, spielen ein grosse Rolle, welche hinterher die
Druckfestigkeit des Endproduktes mit beeinflussen.
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In
den genannten Schriften werden jedoch keine Angaben zur Druckfestigkeit
der nickelhaltigen Vorstoffe zur LNCO-Synthese gemacht.
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Wie
bereits erwähnt
werden sowohl dotierte als auch gecoatete Nickelhydroxide nicht
nur als Vorstoff zur LNCO-Synthese, sondern auch direkt als Aktivmaterial
für NiMH-Batterien
eingesetzt. Auch bei dieser Anwendung ist eine gewisse Druckfestigkeit
erforderlich.
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Die
Schrift
JP 2002-304992 erwähnt die
Druckfestigkeit von Nickelhydroxiden, welche in sekundären Alkalibatterien
Anwendung als Aktivmaterial finden. Primäres Ziel der Schrift ist es
ein Nickelhydroxid mit verbesserten Leistungsdaten und verbesserten
Hochtemperatureigenschaften darzustellen. Im Rahmen dieser Aufgabe
wurde herausgefunden, dass die innnere Struktur der Partikel, und
damit auch die Druckfestigkeit der Partikel, einen Einfluss auf
die Leistungsdaten sowie die Hochtemperatureigenschaften des Nickelhydroxides nehmen.
Gemäss
der Schrift ist eine hohe interne, radiale Ordung der Partikel von
nöten,
um gute Anwendungseigenschaften erzielen zu können. Diese eben genannte interne,
radiale Ordnung geht mit einer niedrigen Druckfestigkeit einher.
Somit ist gemäss
vorliegender Schrift eine maximale Druckfestigkeit, gemessen am Einzelpartikel
mit einem Gerät
MCTM-200 der Firma Shimadzu, von maximal 40 MPa für die Nickelhydroxide wünschenswert.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es nickelhaltige Verbindungen als
Vorstoff für
elektrochemische Anwendungen bereitzustellen, bei welchen die Sekundärpartikel
bei der Weiterverarbeitung nicht zerbrochen bzw. nicht zerkleinert
werden. Ein Erhalt der Sekundärteilchen
bei der Weitenverarbeitung ist für
die spätere
Produkthomogenität
von grosser Bedeutung. Gleichzeitig sollen mit einem solchen nickelhaltigen
Vorstoff hohe Elektrodendichten sowie gute elektrochemische Eigenschaften
im Endprodukt erzielt werden. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines nickelhaltigen
Vorstoffes bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird durch eine pulverförmige
Verbindung der Formel NibM1cM2d(O)x(OH)y(SO4)z (später auch
NMOS, Nickelhydroxid, oder Mischhydroxid genannt), wobei M1 mindestens
ein Element ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Fe, Co, Cr, Mg, Cu und/oder deren Mischungen,
und/oder M2 mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe Mn, Al,
B, Ca, Sr, Ba, Si, Zn und/oder deren Mischungen bedeuten und 0.3 ≤ b ≤ 0.94, 0.02 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤ 0.5 und 0.01 ≤ x ≤ 0.9, 1.1 ≤ y ≤ 1,99 und
0.001 ≤ z ≤ 0.03 sind,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass deren Sekundärteilchen
eine Druckfestigkeit von mindestens 50 MPa aufweisen.
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Die
Sekundärteilchen
der pulverförmigen
NMOS Verbindung weisen bevorzugt eine Druckfestigkeit von mindestens
100 MPa, besonders bevorzugt mindestens 150 MPa auf. Verbindungen,
welche Teil der Erfindung sind, werden in der Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1
Verbindung | b | M1 | c | M2 | d | x | y | z |
1 | 0.333 | Co | 0.333 | Mn | 0.333 | 0.80 | 1.16 | 0.018 |
2 | 0.50 | Co | 0.20 | Mn | 0.30 | 0.75 | 1.22 | 0.015 |
3 | 0.77 | Co | 0.13 | Mn | 0.10 | 0.15 | 1.83 | 0.009 |
4 | 0.80 | Co+Mg | 0.10 | Mn | 0.10 | 0.11 | 1.88 | 0.007 |
5 | 0.70 | Co | 0.10 | Mn+Zn | 0.20 | 0.16 | 1.83 | 0.006 |
6 | 0.30 | Co | 0.30 | Mn+Zn | 0.40 | 0.65 | 1.32 | 0.015 |
7 | 0.80 | Co | 0.17 | Al | 0.03 | 0.02 | 1.97 | 0.005 |
8 | 0.75 | Co+Fe | 0.20 | Al | 0.05 | 0.03 | 1.96 | 0.006 |
9 | 0.93 | Co | 0.02 | Zn | 0.05 | 0.01 | 1.98 | 0.003 |
10 | 0.94 | Co | 0.02 | Zn | 0.04 | 0.01 | 1.99 | 0.002 |
11 | 0.60 | Mg | 0.10 | Mn | 0.30 | 0.10 | 1.89 | 0.004 |
12 | 0.45 | Mg | 0.10 | Mn | 0.45 | 0.20 | 1.78 | 0.009 |
13 | 0.333 | Co | 0.333 | Mn | 0.333 | 0.55 | 1.43 | 0.012 |
14 | 0.45 | Co | 0.10 | Mn | 0.45 | 0.50 | 1.48 | 0.009 |
15 | 0.40 | Co+Mg | 0.20 | Mn | 0.40 | 0.35 | 1.64 | 0.007 |
16 | 0.95 | Co | 0.02 | Zn | 0.03 | 0.01 | 1.98 | 0.003 |
17 | 0.60 | Co | 0.20 | Mn | 0.20 | 0.12 | 1.87 | 0.005 |
18 | 0.91 | Co | 0.02 | Zn | 0.07 | 0.02 | 1.97 | 0.004 |
19 | 0.92 | Co | 0.04 | Zn | 0.04 | 0.02 | 1.98 | 0.002 |
20 | 0.80 | Co | 0.16 | Al | 0.04 | 0.01 | 1.99 | 0.001 |
21 | 0,98 | Co | 0,024 | | | 0,01 | 1,98 | 0,003 |
22 | 0,91 | Co | 0,09 | | | 0,04 | 1,95 | 0,004 |
23 | 0,86 | Co | 0,14 | | | 0,06 | 1,92 | 0,003 |
24 | 0,81 | Co | 0,19 | | | 0,01 | 1,98 | 0,007 |
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Unter
Sekundärteilchen
werden kompakte Partikel verstanden, welche sich aus einer Vielzahl
von Primärteilchen,
die auf REM-Aufnahmen gut sichtbar sind, zusammensetzen. Die Form
der Teilchen kann beliebig sein. Bevorzugt weisen die Teilchen eine
sphäroidische
Form auf. Primärpartikel
sind Teilchen, die aus Keimen während
eines Kristallisationsprozesses entstanden sind.
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Die
Druckfestigkeit der Sekundärteilchen
gemäß der Erfindung
kann nach der in
US
2004/0023113 A1 , Seite 6, Beispiel 1, genannten Methode
bestimmt werden.
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Die
erfindungsgemäßen pulverförmigen Nickelhydroxide
zeichnen sich durch ihre sehr niedrige Porosität aus. Erfindungsgemäß weisen
die pulverförmigen
Nickelhydroxide eine Porosität
von bis zu 0,05 cm3/g, bevorzugt bis zu
0,04 cm3/g, besonders bevorzugt bis zu 0,03
cm3/g auf. Die Porosität wird nach ASTM D 4222 bestimmt.
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Die
erfindungsgemäßen pulverförmigen Nickelhydroxide
können
sowohl in sphäroidischer
als auch in regulärer
(nicht-sphäroidischer)
Teilchenform hergestellt werden.
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Die
bevorzugten erfindungsgemäßen Pulver
zeichnen sich besonders durch die sphäroidische Teilchenform der
Sekundärteilchen
aus, deren Formfaktor einen Wert von größer als 0,8, besonders bevorzugt von
größer 0,9
aufweist.
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Der
Formfaktor der Sekundärteilchen
kann nach der in
US 5476530 ,
Spalten 7 und 8 und Abbildung 5 genannten Methode bestimmt werden.
Diese Methode ermittelt einen Formfaktor der Teilchen, welcher ein Maß für die Sphärizität der Partikel
ist. Der Formfaktor der Sekundärteilchen
kann außerdem
aus den REM-Aufnahmen der Materialien bestimmt werden.
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Der
Formfaktor wird durch die Evaluierung des Teilchenumfangs sowie
der Teilchenfläche
und der Bestimmung des aus der jeweiligen Größe abgeleiteten Durchmessers
bestimmt. Die genannten Durchmesser ergeben sich aus
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Der
Formfaktor der Teilchen f leitet sich ab aus dem Teilchenumfang
U und der Teilchenfläche
A gemäß:
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Im
Falle eines idealen sphärischen
Teilchens sind dA und du gleich groß und es
würde sich
ein Formfaktor von genau eins ergeben.
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Vorzugsweise
weisen die erfindungsgemäßen pulverförmigen Nickelhydroxide
einen D10-Wert, gemessen nach ASTM B 822, der sich nach der Pressung
der Pulver bei einem Druck von 50 MPa um nicht mehr als 0,5 µm, bevorzugt
um nicht mehr als 1,0 µm
gegenüber
dem Ausgangspulver verändert.
Die Änderung
des D10-Wertes durch die Pulverpressung gilt als Indikator für die Beurteilung
der Druckfestigkeit der erfindungsgemäßen pulverförmigen Verbindung nach einer
Pressung.
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Eine
Verkleinerung des D10-Wertes nach der Pressung bedeutet, dass eine
Fraktion der Teilchen in kleinere Teilchen zerbrochen wurde. Somit
stellt die Änderung
des D10-Wertes ein quantitatives Maß zur Bestimmung der Druckfestigkeit
der erfindungsgemäßen Pulver
dar.
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Die
pulverförmigen
Nickelhydroxide gemäß der Erfindung
weisen eine normierte Breite der Korngrößenverteilung, gemessen nach
der Formel (1)
worin D Durchmesser der Sekundärteilchen
bedeutet, von kleiner 1,4, besonders bevorzugt von kleiner 1,2 auf.
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Vorzugsweise
weisen die pulverförmigen
Lithiummischmetalloxide gemäß der Erfindung
eine Pressdichte von mindestens 2,4 g/cm3.
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Die
pulverförmigen
Nickelhydroxide gemäß der Erfindung
zeichnen auch dadurch aus, dass sie eine Klopfdichte von mindestens
2,0 g/cm3, besonders bevorzugt von mindestens
2,3 g/cm3, gemessen nach ASTM B527, aufweisen.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein neues Verfahren zur Herstellung
pulverförmiger
Metallhydroxide enthaltend folgende Schritte:
- a.
Bereitstellung von Eduktlösungen,
- b. Dosierung von Eduktlösungen
aus Schritt a) in einen Reaktor,
- c. Reaktion der Eduktlösungen
in einer hochturbulenten Reaktionszone des Reaktors, in welcher
die durch den Rührer
erzeugten Strömungen
frontal aufeinander treffen,
- d. Austrag der Produktsuspension aus dem Reaktor über einen
freien Überlauf,
- e. Filtration, Waschung und Trocknung des Materials.
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Nach
dem Verfahren gemäß der Erfindung
können
Metallhydroxide aus der Gruppe der Metalle wie Al, Ti, Zr, Hf, Fe,
Co, Ni, Zn, Cu, Ag hergestellt werden. Ausgegangen wird dabei von
Eduktlösungen
aus wasserlöslichen
Salzen von Mineralsäuren,
z.B. Schwefelsäure,
Salzsäure
oder Salpetersäure
der vorbenannten Metalle und/oder deren Mischungen.
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Die
Eduktlösungen
können
hergestellt werden indem die betreffenden Metallchloride, Metallsulfate oder
Metallnitrate in Wasser aufgelöst
oder die Metalle in den entsprechenden Mineralsäuren gelöst werden. Die Alkalilaugen
werden in der gewünschten
Konzentration als wässrige
Lösung
bereitgestellt.
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Das
Verfahren eignet sich bevorzugt zur Herstellung von Nickelhydroxiden
gemäß der Erfindung.
Als Vorstoffe können
wasserlösliche
Metallsalze, z.B. Nickelsulfat, Nickelnitrat, Nickelhalogenide,
wie z.B. Chloride bzw. Fluoride und/oder deren Mischungen eingesetzt
werden.
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Die
Herstellung der Nickelhydroxide gemäß der Erfindung wird bevorzugt
in einem in 1 dargestellten Reaktor (1)
durch Fällungskristallisation
aus wässrigen
Nickelsalzlösungen
bei einem pH-Wert von 8-14, bevorzugt von 9-13, durch die Zufuhr
von Alkalihydroxydlösungen
und gegebenenfalls Ammoniak, gasförmig oder als wässrige Lösung, durchgeführt. Als
Alkalihydroxidlösungen
werden bevorzugt Natriumhydroxid, sowie Kaliumhydroxid eingesetzt.
Obwohl die Fällungskristallisation
batchweise oder semi-kontinuierlich erfolgen kann, wird diese vorzugsweise
kontinuierlich durchgeführt.
Bei dem kontinuierlichen Verfahren erfolgt die gleichzeitige Zufuhr
von Metallsalzlösung,
Alkalihydroxydlösung
und Ammoniaklösung
zum Reaktor und ein kontinuierlicher Abzug der Produktsuspension über einen
freien Überlauf
oder eine Pumpe.
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Eine
sehr wichtige Rolle bei dem Verfahren gemäß der Erfindung spielt sowohl
die Dosierung von Eduktlösungen
als auch die Erzeugung und Aufrechterhaltung einer hochturbulenten
Reaktionszone im Reaktor. Zur intensiven Durchmischung der Eduktlösungen und
Erzielung einer homogenen Suspension ist der Reaktor mit einem Rührwerk (2)
mit variabler Drehzahl ausgestattet.
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Eine
Besonderheit des bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Reaktors
besteht darin, dass auf einer gemeinsamen mittig angebrachten Rührerwelle
(3) drei Propeller (4a), (4b) und (4c)
in verschiedenen Ebenen angeordnet sind. Es können mehr-flügeligen
Propeller eingesetzt werden. Bevorzugt werden jedoch die drei-flügeligen
Propeller. Es wurde gefunden, dass die Eigenschaften der Produkte
von der Einleitstelle der Eduktlösungen
im Reaktor, dem Abstand der Propellerebenen und dem Anstellwinkel
der Propellerflügel
abhängen.
Druckfeste und dichte Nickelhydroxide gemäß der Erfindung lassen sich
herstellen, wenn die Zufuhr der Eduktlösungen, später auch Feedlösungen genannt,
in einer Zone zwischen 2 Propellern erfolgt, die aufeinandertreffende
Strömungen
erzeugen. Es wurde gefunden, daß sich
besonders druckfeste und dichte Nickelhydroxide in einem kontinuierlich
betriebenen Reaktor sehr gleichmäßig herstellen
lassen, wenn die Zufuhr der Feedlösungen zwischen dem mittleren
und oberen Propeller erfolgt und bei einem von oben betrachtet im
mathematisch positiven (links herum) Sinne rotierenden Propeller
die Anstellwinkel der Flügel
des Propellers gegen die horizontale Rührebene des oberen und unteren
Propellers 30 bis 60°,
bevorzugt 40 bis 60°,
besonders bevorzugt 45 bis 55° beträgt, und
der Anstellwinkel der Flügel
des mittleren Propellers 120 bis 150°, bevorzugt 130 bis 150°, besonders
bevorzugt 135 bis 145° beträgt. Bei
dieser Konfiguration erzeugen der obere und der untere Propeller
eine nach unten gerichtete Strömung,
der mittlere Propeller, eine nach oben gerichtete Strömung. Die
Zufuhr der Feedlösungen
zwischen dem oberen und miitleren Propeller erfolgt also in einer
Zone besonders hoher Turbulenz, da dort 2 Strömungen frontal aufeinander
prallen. Die nach unten gerichtete Strömung des unteren Propellers
verhindert, dass sich am Boden des Reaktors Feststoffpartikel ablagern
können.
Damit eine sehr gute Durchmischung der Feedlösungen und eine sehr homogene
Suspension im Reaktor gewährleistet
werden, müssen
die vertikalen Anordnungen der 3 Propeller zueinander und zur Füllstandshöhe des Reaktors
innerhalb gewisser Bereiche liegen. Im Folgenden werden mit (a),
(b) und (c) die Höhen
des unteren, mittleren und oberen Propellers über dem Reaktorboden bezeichnet
sowie mit (h) die Füllstandshöhe des Reaktors.
Es wurde gefunden, dass sich besonders druckfeste und dichte Nickelhydroxide herstellen
lassen, wenn für
den unteren Propeller das Verhältnis
0,1 ≤ a/h ≤ 0,3, für den mittleren
Propeller 0,4 ≤ b/h ≤ 0,6 und für den oberen
Propeller 0,7 ≤ c/h ≤ 0,9 beträgt. Besonders
bevorzugt sind die Bereiche von 0,2 ≤ a/h ≤ 0,3, 0,4 ≤ b/h ≤ 0,5 und 0,7 ≤ c/h ≤ 0,8. In Abhängigkeit von der speziellen
Aufgabenstellung, wie beispielsweise Dichte der erzeugten Feststoffpartikel
und mittlerem Teilchendurchmesser können die Winkelgeschwindigkeit
und Durchmesser der Propeller gemäß den bekannten Regeln der
Technik gewählt
werden. So ist es ohne weiteres möglich, dass die Propeller auf
den 3 verschiedenen Ebenen verschiedene Durchmesser haben können.
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Die
erfindungsgemäßen, besonders
druckfesten Nickelhydroxide lassen sich besonders vorteilhaft in dem
beschriebenen Reaktor herstellen.
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Gegenstand
der Erfindung ist weiterhin ein Reaktor zur Durchführung von
Fällungsreaktionen,
der dadurch gekennzeichnet ist, dass er ein Rührwerk beinhaltet, welches
auf einer gemeinsamen Welle 3 Propeller in 3 verschiedenen
horizontalen Ebenen besitzt und dass ein Propeller eine zu den beiden
anderen Propellern gegenläufige
Strömung
erzeugt.
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Die
pulverförmigen
Verbindungen gemäß der Erfindung
eignen sich besonders als Vorstoffe zur Herstellung von Aktivmaterialien
für Lithium-Sekundärbatterien.
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Die
Erfindung wird weiterhin durch die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele
erläutert.
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Beispiele
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Die
in den folgenden Beispielen hergestellten Nickelhydroxide wurden,
wie in den Beispielen angeben, hinsichtlich verschiedener physikalischer
Eigenschaften untersucht. Wenn nicht anders vermerkt, wurde dabei wie
folgt vorgegangen:
- – D10, D50 und D90-Werte wurden
nach ASTM B 822 mittels Laserbeugung unter Verwendung eines Master-Sizer
Sµ der
Firma MALVERN gemessen,
- – BET
(spezifische Oberfläche)
nach ASTM D 3663,
- – Klopfdichte
nach ASTM B 527,
- – Porosität nach ASTM
D 4222 bestimmt.
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Die
Herstellung der erfindungsgemäßen Produkte
erfolgte in dem in 1 dargestellten Reaktor (1) durch
Fällungskristallisation
aus wässriger
Lösung.
Zur intensiven Durchmischung der Eduktlösungen und Erzielung einer
homogenen Suspension ist der Reaktor mit einem Rührwerk (2) mit variabler
Drehzahl ausgestattet. Auf einer gemeinsamen Welle (3)
sind drei Propeller (4a), (4b) und (4c)
in verschiedenen Ebenen angeordnet, wobei die Propeller (4a)
und (4c) eine nach unten gerichtete Strömung erzeugen und durch Propeller (4b)
eine nach oben gerichtete Strömung
erzeugt wird.
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Zur
Einstellung einer konstanten Temperatur ist der Reaktor mit einem
geregelten Wärmeaustauscher (5)
ausgestattet. Der Reaktor wird kontinuierlich betrieben, indem mit
der Pumpe (6) Metallsulfatlösung, Pumpe (7) Ammoniaklösung und
Pumpe (8) Natronlauge permanent zudosiert werden und die
entstandene Suspension aus dem Reaktor über den freien Überlauf
(9) abfließt.
Dieser Überlauf
gewährleistet,
daß das
Suspensionsvolumen stationär
bei 40 Liter gehalten wird. In Abhängigkeit des anfallenden Volumenstroms
der Suspension und damit der mittleren Verweilzeit wurde bei den
Versuchen solange gewartet, bis 6 Verweilzeiten vergangen waren
und dann die innerhalb der nächsten
beiden Verweilzeiten anfallende Suspension für die weitere Aufarbeitung
gesammelt. Die Aufarbeitung erfolgte durch Filtration über eine
Nutsche, waschen mit 2 Liter Wasser, 2 Liter verdünnter Natronlauge
(1g/l) und nochmals mit 2 Liter Wasser pro kg Produkt und anschließender Trocknung
des Filterkuchens auf Hordenblechen im Trockenschrank (mit Heißluft) bei
80°C bis zur
Gewichtskonstanz.
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Beispiel 1
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Der
Reaktor (1) wurde bei einer Temperatur von 50°C und mit
einer Rührerdrehzahl
von 600 UpM betrieben. Es wurden 2717 g/h Metallsulfatlösung mit
einer Konzentration von (109,6g/l Ni, 2,84g/l Co, 7,58g/l Zn), 143g/h
Ammoniaklösung
(225g/l NH3) sowie 1621g/h Natronlauge (274,6g/l NaOH) kontinuierlich
zudosiert. Nach Ablauf von 50 h hatte der Reaktor seinen stationären Zustand
erreicht und die dann ablaufende Suspension wurde über 20h
gesammelt und wie oben beschrieben aufgearbeitet. Man erhielt 8,01
kg trockenes Produkt der Formel Ni0,9192CO0,0238Zn0,0570O0,0101(OH)1,9839(SO4)0,0031 mit einem
Restfeuchtegehalt von 0,20%. Die physikalischen Eigenschaften des
Produktes sind in Tabelle 2 angegeben. Das elektrochemische Verhalten
des Nickelhydroxids in wiederaufladbaren Nickel-Metall-Hydrid-Testzellen
ist in 4 zu sehen. Aufgetragen ist die relative Ladekapazität (%EES)
des Einelektronenschrittes (Ni(II)→Ni(III); über der Zyklenzahl. 2 zeigt
eine REM-Aufnahme des Produktes.
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5g
des in Beispiel 1 erhaltenen Materials wurden in einer Stempelpresse
einem Druck von 50 MPa ausgesetzt. Das Verhalten des Materials ist
ebenfalls in Tabelle 2 zu sehen. 3 zeigt
die REM-Aufnahme nach dem Pressen.
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Der 3 kann
entnommen werden, dass im wesentlichen die sphäroidischen Sekundärpartikel
nach dem Pressen ihre Form beibehalten haben, und nicht in Fragmente
eines sphäriodischen
Partikels zerbrochen wurden. Hieraus ist ersichtlich, dass ein Materialbett
aus der hier vorgestellten Verbindung einem Druck von 50 MPa standhält, ohne
dass die Partikel zerbrochen werden.
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Vergleichsbeispiel 1
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Der
Versuch wurde analog zu Beispiel 1 durchgeführt, mit dem einzigen Unterschied,
daß ein
konventioneller Reaktor anstelle des erfindungsgemäßen Reaktors
(1) verwendet wurde. Nach dem Trocknen erhielt man 8,014
kg Produkt der Formel Ni0,9191Co0,0238Zn0,0571O0,0203(OH)1,9712(SO4)0,0044 mit einem Restfeuchtegehalt von 0,22%.
Die physikalischen Eigenschaften des Produktes sind wieder in Tabelle
1 angegeben. Die elektrochemische Ausnutzung des Einelektronenschritts
in einer NiMeH-Testzelle ist auch in Diagramm 1 dargestellt.
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Man
erkennt, dass der Abfall der Ladungskapazität nach dem Maximum im 2. Zyklus
bei dem erfindungsgemäßen Produkt
geringer ist als bei dem, nach dem Stand der Technik hergestellten.
Außerdem
weist das erfindungsgemäße Produkt
eine etwas höhere
Ladungskapazität
auf. Erfahrungsgemäß setzen
sich diese in Testzellen gemessenen Trends bei der Anwendung in
Batterien, wo über
einige Hundert Zyklen geladen und entladen wird fort. Weiterhin
hat das erfindungsgemäße Material
aufgrund der höheren
Klopfdichte und Pressdichte zusätzlich
noch eine höhere
Volumenkapazität.
Das bedeutet, dass der Vorteil des erfindungsgemäßen Materials gegenüber dem
Stand der Technik sogar noch größer ist,
als in 4 dargestellt. Die physikalischen Eigenschaften
des Produktes sind in Tabelle 2 angegeben.
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5g
des in Vergleichsbeispiel 1 erhaltenen Materials wurden wiederum
in einer Stempelpresse einem Druck von 50 MPa ausgesetzt. Das Verhalten
des Materials ist ebenfalls in Tabelle 2 zu sehen. Das Material weist
eine hohe Pressdichte auf und die Partikelgrößenverteilung der Agglomerate ändert sich
nur sehr geringfügig.
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Beispiel 2
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Der
Reaktor (1) wurde bei einer Temperatur von 45°C und mit
einer Rührerdrehzahl
von 900 UpM betrieben. Es wurden 1490 g/h Metallsulfatlösung mit
einer Konzentration von (40,81g/l Ni, 40,98 g/l Co, 38,20 g/l Mn),
95g/h Ammoniaklösung
(225g/l NH3) sowie 1010 g/h Natronlauge
(232,7 g/l NaOH) kontinuierlich zudosiert. Nach Ablauf von 90 h
hatte der Reaktor seinen stationären
Zustand erreicht und die dann ablaufende Suspension wurde über 36h
gesammelt und wie beschrieben aufgearbeitet. Man erhielt 8,005 kg
trockenes Produkt der Formel Ni0,3333Co0,3334Mn0,3333O0,2101(OH)1,7744(SO4)0,0078 mit einem
Restfeuchtegehalt von 0,25%. Die physikalischen Eigenschaften des
Produktes sind wieder in Tabelle 2 angegeben.
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5g
des in Beispiel 2 erhaltenen Materials wurden wiederum in einer
Stempelpresse einem Druck von 50 MPa ausgesetzt. Das Verhalten des
Materials ist ebenfalls in Tabelle 2 zu sehen.
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Vergleichsbeispiel 2
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Analog
Beispiel 2, nur in einem konventionellen Rührreaktor wurde das Mischhydroyxoxysulfat
der Metalle Ni,Co und Mn hergestellt. Man erhielt 7,995 kg trockenes
Produkt der Formel Ni0,3334Co0,3333Mn0,3333O0,3011(OH)1,6811(SO4)0,0095 mit einem Restfeuchtegehalt von 0,26%.
Die physikalischen Eigenschaften des Produktes sind der Tabelle
2 zu entnehmen.
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5g
des in Vergleichsbeispiel 2 erhaltenen Materials wurden wiederum
in einer Stempelpresse einem Druck von 50 MPa ausgesetzt. Das Verhalten
des Materials ist ebenfalls in Tabelle 2 zu sehen.
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Mit
dem Material lassen sich nicht so hohe Pressdichten erzielen, wie
mit dem erfindungsgemäßen Nickelhydroxid.
Dies liegt daran, dass das Vergleichsmaterial bereits eine deutlich
geringere Klopfdichte aufweist als das erfindungsgemäße, nach
Beispiel 2 hergestellte Material. Dieser Unterschied bleibt beim
Pressen erhalten