DE102011106326B3 - Process for the preparation of nanoparticulate lithium transition metal phosphates; nanoparticulate lithium transition metal phosphate and cathode with it - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines nanopartikulären Lithiumübergangsmetallphosphats LiMPO4 ausgehend von mit Kohlenstoff beschichtetem Lithiumübergangsmetallphosphat, bei dem anschließend die Kohlenstoffschicht entfernt wird.The present invention relates to a process for preparing a nanoparticulate lithium transition metal phosphate LiMPO4 starting from carbon-coated lithium transition metal phosphate, in which the carbon layer is subsequently removed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von nanopartikulären Lithiumübergangsmetallphosphaten, ein Lithiumübergangsmetallphosphat erhältlich durch das erfindungsgemäße Verfahren, eine Kathode enthaltend als Aktivmaterial das durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältliche Lithiumübergangsmetallphosphat und eine Sekundärlithiumionenbatterie, enthaltend eine derartige Kathode.The present invention relates to a process for the preparation of nanoparticulate lithium transition metal phosphates, a lithium transition metal phosphate obtainable by the process according to the invention, a cathode containing as active material the lithium transition metal phosphate obtainable by the process according to the invention and a secondary lithium ion battery containing such a cathode.

Dotierte und nichtdotierte gemischte Lithiummetalloxide, insbesondere Lithiumübergangsmetallphosphate haben mittlerweile eine große Bedeutung als Elektrodenmaterialien in sogenannten Lithiumionenbatterien erlangt. Beispielsweise werden Lithiumionenakkumulatoren, auch Sekundärlithiumionenbatterien genannt, als vielversprechende Batteriemodelle für batteriegetriebene Kraftfahrzeuge betrachtet. Lithiumionenbatterien finden zudem Anwendung beispielsweise in Elektrowerkzeugen, Computern und Mobiltelefonen. In diesen Batterien bestehen dabei insbesondere die Elektroden und die Elektrolyte aus lithiumhaltigen Materialien.Doped and undoped mixed lithium metal oxides, in particular lithium transition metal phosphates, have meanwhile acquired great importance as electrode materials in so-called lithium-ion batteries. For example, lithium ion batteries, also called secondary lithium ion batteries, are considered to be promising battery models for battery-powered motor vehicles. Lithium ion batteries are also used, for example, in power tools, computers and mobile phones. In these batteries, in particular the electrodes and the electrolytes consist of lithium-containing materials.

Seit den Publikationen von Goodenough et al. (J. Electrochem. Soc., 144, 1188–1194, 1997) fand insbesondere Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) großes Interesse zur Verwendung als Kathodenmaterial in wiederaufladbaren Sekundärlithiumionenbatterien. Lithiumeisenphosphat bietet gegenüber herkömmlichen auf Spinellen oder Schichtoxiden basierten Lithiumverbindungen, wie Lithiummanganoxid, Lithiumkobaltoxid und Lithiumnickeloxid höhere Sicherheitseigenschaften im delithiiertem Zustand wie sie insbesondere für den zukünftigen Einsatz von Batterien bei Elektroautos, elektrisch betriebenen Werkzeugen in der Zukunft nötig sind.Since the publications by Goodenough et al. (J. Electrochem.Soc., 144, 1188-1194, 1997), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) in particular has been of great interest for use as a cathode material in rechargeable secondary lithium ion batteries. Lithium iron phosphate offers higher safety properties in the delithiated state than conventional spinel or layer oxide based lithium compounds, such as lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide and lithium nickel oxide, as needed in particular for the future use of batteries in electric cars, electrically powered tools in the future.

Das reine Lithiumeisenphosphatmaterial wurde durch das sogenannte ”carbon coating” (Ravet et al., Meeting of Electrochemical Society, Honolulu, 17.–31. Oktober 1999, EP 1 049 182 B1 ) verbessert, wobei eine erhöhte Kapazität des mit Kohlenstoff beschichteten Materials bei Raumtemperatur erhalten wird (ca. 160 mAh/g).The pure lithium iron phosphate material was prepared by the so-called "carbon coating" (Ravet et al., Meeting of Electrochemical Society, Honolulu, 17-31 October 1999, EP 1 049 182 B1 ), whereby an increased capacity of the carbon-coated material is obtained at room temperature (about 160 mAh / g).

Nachteilig an Lithiumeisenphosphat ist insbesondere das Vorliegen des Redoxpaars Fe2+/Fe3+, das gegenüber Li/Li+ ein bedeutend niedrigeres Redoxpotential (3,45 V gegen Li/Li+) als beispielsweise das Redoxpaar Co3+/Co4+ in LiCoO2 aufweist (3,9 V gegen Li/Li+).A disadvantage of lithium iron phosphate is, in particular, the presence of the redox couple Fe 2+ / Fe 3+ , which has a significantly lower redox potential than Li / Li + (3.45 V versus Li / Li + ) than, for example, the redox couple Co 3+ / Co 4+ in FIG LiCoO 2 (3.9 V vs. Li / Li + ).

Insbesondere Lithiummanganphosphat LiMnPO4 ist in Anbetracht seines gegen Li/Li+ höheren Mn2+/Mn3+ Redoxpaars (4,1 Volt) von Interesse. LiMnPO4 wurde auch von Goodenough et al. im US 5,910,382 A beschrieben.In particular, lithium manganese phosphate LiMnPO 4 is of interest in view of its Li / Li + higher Mn 2+ / Mn 3+ redox couple (4.1 volts). LiMnPO 4 was also reported by Goodenough et al. in the US 5,910,382 A described.

Lithiumkobaltphosphat, LiCoPO4, fand in der EP 571 858 A1 Erwähnung als potentielles Kathodenmaterial in Sekundärlithiumionenbatterien.Lithium cobalt phosphate, LiCoPO 4 , was found in the EP 571 858 A1 Mentioned as a potential cathode material in secondary lithium ion batteries.

Generell gelten Lithiumübergangsmetallphosphate als sichere Elektrodenmaterialien im Gegensatz zu beispielsweise Lithiummanganoxid oder Lithiumkobaltoxid. Im Gegensatz zu den vorstehenden Oxiden, die auch als sogenannte Schichtoxide bezeichnet werden, sind sie im geladenen Zustand auch bei höheren Temperaturen stabil und reagieren nicht unter Sauerstoff- und Wärmeabgabe.In general, lithium transition metal phosphates are considered to be safe electrode materials as opposed to, for example, lithium manganese oxide or lithium cobalt oxide. In contrast to the above oxides, which are also referred to as so-called layer oxides, they are stable in the charged state even at higher temperatures and do not react under oxygen and heat emission.

Allerdings unterliegen Lithiumübergangsmetallphosphate im Vergleich zu den rein oxidischen Kathodenmaterialien Lithiummanganoxid, Lithiumkobaltoxid gewissen kristallchemischen Einschränkungen in Bezug auf ihr elektrochemisches Verhalten.However, lithium transition metal phosphates are subject to certain crystal chemical limitations in their electrochemical behavior compared to the purely oxide cathode materials lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide.

Bei der elektrochemischen Delithiierung/Lithiierung (Ladung/Entladung) verläuft die Lithiumdiffusion entlang eindimensionaler Transportwege durch das Gitter. Strukturelle Fehlordnungen, die zum Blockieren dieser Kanäle führen, beeinträchtigen das elektrochemische Verhalten der Materialien sehr stark. Die elektronische Leitfähigkeit verläuft über das sogenannte ”Polaronenhopping” und ist durch die geringe Zahl der Ladungsträger begrenzt. Auch in fehlordnungsfreien Kristallen ist die ionische und elektronische Leitfähigkeit der Lithiumübergangsmetallphosphate generell gering.Electrochemical delithiation / lithiation (charge / discharge) involves lithium diffusion along one-dimensional transport paths through the lattice. Structural dislocations that cause these channels to block greatly affect the electrochemical behavior of the materials. The electronic conductivity is via the so-called "Polaronenhopping" and is limited by the small number of charge carriers. Even in disorder-free crystals, the ionic and electronic conductivity of lithium transition metal phosphates is generally low.

Es wurden bislang verschiedene Ansätze vorgeschlagen, um die Leitfähigkeit zu verbessern. Ein Ansatz ist beispielsweise das Einbringen leitfähiger Komponenten in die fertige Elektrodenformulierung, ein anderer die Verwendung der schon vorstehend beschriebenen kohlenstoffbeschichteten Verbindungen. Eine weitere Variante ist die sogenannte Nanoskalierung der Aktivmaterialien, die insbesondere in das mikrostrukturelle Design der Kristallpartikel eingreift.Various approaches have been proposed to improve conductivity. One approach is, for example, introducing conductive components into the finished electrode formulation, another is the use of the carbon-coated compounds already described above. Another variant is the so-called nanoscaling of the active materials, which in particular intervenes in the microstructural design of the crystal particles.

Insbesondere ist die Eigenschaft der sogenannten „Nanoskaligkeit”, d. h. eine geringe Primärkristallitgröße für Lithiumübergangsmetallphosphate eine wesentliche Voraussetzung zur Optimierung ihrer Kapazität und ihrer Ladungs/Entladungscharakteristik. Kleinere Kristallite haben kürze Diffusions- und Leitwege und sind hierdurch besser elektrochemisch belastbar. Insbesondere für Lithiumeisenphosphat und Lithiummanganphosphat ist bekannt, dass die Nanoskaligkeit eine notwendige Voraussetzung für eine gute elektrochemische Ausnutzung des Übergangsmetalls ist.In particular, the property of so-called "nanoscale", i. H. a low primary crystallite size for lithium transition metal phosphates is an essential prerequisite for optimizing their capacity and their charge / discharge characteristics. Smaller crystallites have short diffusion and conduction paths and are therefore better electrochemical loadable. In particular, for lithium iron phosphate and lithium manganese phosphate is known that the nanoscale is a necessary prerequisite for a good electrochemical utilization of the transition metal.

Leitfähige Zusätze können wie schon gesagt sowohl in hochdisperser mechanische Verteilung, als Beschichtung auf den Partikeloberflächen oder als Partikel aus einem Verbund aus LiFePO4 und leitfähiger Komponente vorliegen. Neben Kohlenstoff als Leitadditiv wurden auch schon Kupfer und Silber in fein verteilter Form vorgeschlagen. Die Beschichtung von LiMPO4-Partikeln erfolgt üblicherweise durch die Umsetzung von zersetzlichen (organischen) Kohlenstoff-Vorläuferverbindungen auf Lithiumübergangsmetallphosphaten LiMPO4 ( EP 1 049 182 B1 ).Conductive additives can, as already mentioned, be in highly dispersed mechanical distribution, as a coating on the particle surfaces or as particles of a composite of LiFePO 4 and conductive component. In addition to carbon as a conductive additive, copper and silver have also been proposed in finely divided form. The coating of LiMPO 4 particles is usually carried out by the reaction of decomposable (organic) carbon precursor compounds on lithium transition metal phosphates LiMPO 4 ( EP 1 049 182 B1 ).

Die Kombination aus Verbesserung der Leitfähigkeit durch Zusatz leitfähiger Substanzen wie Kohlenstoff bzw. Kohlenstoffvorläuferverbindungen und Kristallitgröße führt zu sogenannten Nanokompositsystemen, bei denen insbesondere die Begrenzung des Kristallitwachstums durch die entstehenden Zersetzungsprodukte der Kohlenstoffvorläuferverbindungen wichtig ist, die als sogenannte Sinterungsinhibitoren wirken.The combination of conductivity improvement by addition of conductive substances such as carbon or carbon precursor compounds and crystallite size leads to so-called nanocomposite systems, in which in particular the limitation of crystallite growth by the resulting decomposition products of the carbon precursor compounds is important, which act as so-called sintering inhibitors.

Ebenso ist es zur Verbesserung der elektronischen Eigenschaften von LiMPO4 Verbindungen möglich, wie beispielsweise schon von Goodenough im US 6,514,640 B1 vorgeschlagen, die Übergangsmetalle M teilweise durch Fremdionen zu substituieren, das heißt zu dotieren.It is also possible to improve the electronic properties of LiMPO 4 compounds, as already described by Goodenough US 6,514,640 B1 proposed to partially substitute, that is to dope, the transition metals M by foreign ions.

Generell werden an Primärkristallite die physikalischen Anforderungen eines hohen Ordnungsgrades sowie eine geringe Kristallitgröße gestellt. Aus verfahrenstechnischer Sicht ist es jedoch schwierig, beide Faktoren gleichzeitig zu beeinflussen, da die Einflussfaktoren auf beide Parameter gegenläufig sind.In general, the physical requirements of a high degree of order and a small crystallite size are placed on primary crystallites. From a process engineering point of view, however, it is difficult to influence both factors at the same time, since the factors influencing both parameters are in opposite directions.

Kleine Kristallite erhält man üblicherweise bei niedrigen Temperaturen, allerdings werden die erforderlichen Umsetzungszeiten beim Kalzinierungsprozess sehr lang, das heißt man erhält eine niedrige Zeitausbeute.Small crystallites are usually obtained at low temperatures, however, the required reaction times in the calcination process are very long, that is, one obtains a low time yield.

Außerdem kann eine vollständige Umwandlung der Ausgangsverbindungen nicht immer gewährleistet werden, insbesondere bei Festkörperverfahren. Hinzu kommt, dass Fehlstellen in den gebildeten Kristallen verbleiben können, die sich negativ auf die Produktqualität im Hinblick auf ihre elektronischen Eigenschaften auswirken.In addition, full conversion of the starting compounds can not always be guaranteed, especially in solid state processes. In addition, defects can remain in the formed crystals, which negatively affect the product quality in terms of their electronic properties.

Kalziniert man dagegen bei höheren Temperaturen, verläuft die Umsetzung schneller, gleichzeitig heilen Fehlstellen besser aus. Allerdings wachsen auch die Primärkristallite stärker, was sich negativ auf die elektronischen Eigenschaften der Materialien auswirkt.On the other hand, if you calcine at higher temperatures, the reaction will be faster, and at the same time, defects will heal better. However, the primary crystallites also grow more strongly, which has a negative effect on the electronic properties of the materials.

Prinzipiell können große Kristalle zwar in einem Folgeschritt durch Mahlprozesse verkleinert werden, diese Prozesse sind jedoch aufwändig und mit einem hohen Energieeintrag verbunden, der üblicherweise meistens zu erneuten Ausbildungen von Fehlstellen führt. Die Ausheilung der Fehlstellen, die durch die nach der Synthese der Verbindung durchgeführten Mahlprozesse ausgebildet werden, kann wiederum nur in einem nachfolgenden Temperprozess stattfinden.In principle, large crystals can indeed be reduced in a subsequent step by grinding processes, but these processes are complex and associated with a high energy input, which usually usually leads to renewed formation of defects. The annealing of the defects that are formed by the milling processes carried out after the synthesis of the compound can in turn only take place in a subsequent annealing process.

Es bestand daher die Aufgabe, ein neues Verfahren bereitzustellen, bei dem nanokristalline nanopartikuläre Lithiumübergangsmetallphosphate erhalten werden können, ohne dass die Primärkristallite Fehlstellen aufweisen und die somit eine hohe elektronische Aktivität aufweisen.It was therefore an object to provide a novel process in which nanocrystalline nanoparticulate lithium transition metal phosphates can be obtained without the primary crystallites have defects and thus have a high electronic activity.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem ausgehend von einem mit Kohlenstoff beschichteten Lithiumübergangsmetallphosphat als Ausgangsmaterial ein nanopartikuläres kohlenstofffreies Lithiumübergangsmetallphosphat LiMPO4 erhalten wird, bei dem die Kohlenstoffschicht des Ausgangsmaterials ganz oder teilweise entfernt wird.This object is achieved by a process in which, starting from a carbon-coated lithium transition metal phosphate as starting material, a nanoparticulate carbon-free lithium transition metal phosphate LiMPO 4 is obtained in which the carbon layer of the starting material is completely or partially removed.

Nachdem schon das Ausgangsmaterial, das mit Kohlenstoff beschichtete Lithiumübergangsmetallphosphat eine sehr geringe (Primär)Kristallitgröße aufweist, da der Kohlenstoff als Sinterinhibitor in einem ersten Verfahrensschritt zur Herstellung des Ausgangsmaterials, die weiter unten beschrieben wird, wirkt, kann das kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial im erfindungsgemäßen Verfahren bei relativ niedrigen Temperaturen an Luft getempert werden, wobei die vorhandene Kohlenstoffschicht ganz oder auch nur teilweise oxidativ entfernt wird.Since the starting material, the carbon-coated lithium transition metal phosphate has a very small (primary) crystallite size, since the carbon acts as a sintering inhibitor in a first process step for the preparation of the starting material, which will be described below, the carbonaceous starting material in the process according to the invention at relatively low temperatures are annealed in air, wherein the existing carbon layer is completely or even partially removed by oxidation.

Grundsätzlich ist es für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht wichtig, wie das kohlenstoffbeschichtete Ausgangsmaterial hergestellt wurde. Es kann sich dabei sowohl um festkörperchemisch, naßchemisch wie auch um hydrothermal oder mittels Sol-Gel Synthese oder Flammenpyrolyse hergestelltes Lithiumübergangsmetallphosphat handeln, das entweder schon als kohlenstoffbeschichtetes Material erhalten wird ( EP 1 049 182 B1 ), oder aber in einem zweiten Verfahrensschritt nachträglich beschichtet wird ( WO 2005/051840 A1 ).In principle, it is not important for the performance of the process according to the invention how the carbon-coated starting material was prepared. It can be either solid-state, wet-chemical or hydrothermal or by sol-gel synthesis or flame pyrolysis prepared lithium transition metal phosphate, which is either already obtained as a carbon-coated material ( EP 1 049 182 B1 ), or is subsequently coated in a second process step ( WO 2005/051840 A1 ).

Es ist in Weiterbildungen der Erfindung möglich, die Herstellung der Ausgangsverbindung und Entfernung der Kohlenstoffschicht in einem einzigen Verfahrensschritt durchzuführen, bzw. in einem einzigen Reaktor durchzuführen, indem z. B. das kohlenstoffbeschichtete Lithiumübergangsmetallphosphat festkörperchemisch hergestellt wird und anschließend an Luft getempert wird, wobei die Kohlenstoffschicht wieder entfernt wird.It is possible in developments of the invention to carry out the preparation of the starting compound and removal of the carbon layer in a single process step, or perform in a single reactor by z. B. the carbon-coated lithium transition metal phosphate is solid-state chemically prepared and then annealed in air, wherein the carbon layer is removed again.

Als Temperaturen für den Temperschritt werden üblicherweise Temperaturen von 300°C bis 500°C gewählt. Bei den gewählten erfindungsgemäßen niedrigeren Temperaturen findet überraschenderweise keine Änderung der Kristallitgröße des Ausgangsmaterials statt. Hier verläuft die Oxidation des Kohlenstoffs selektiv. In Abhängigkeit von der Temperzeit können sogar je nach Temperatur Restkohlenstoffgehalte eingestellt werden, die zwischen 0,5 bis 5 Gew.-% schwanken.Temperatures of 300 ° C to 500 ° C are usually selected as temperatures for the annealing step. Surprisingly, no change in the crystallite size of the starting material takes place at the selected lower temperatures according to the invention. Here runs the oxidation of the Carbon selective. Depending on the annealing time, depending on the temperature, residual carbon contents which vary between 0.5 to 5% by weight can be adjusted.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiter gelöst durch ein nanopartikuläres Lithiumübergangsmetallphosphat, erhältlich durch das erfindungsgemäße Verfahren.The object of the invention is further achieved by a nanoparticulate lithium transition metal phosphate obtainable by the process according to the invention.

Überraschenderweise weist das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene Lithiumübergangsmetallphosphat eine Primärkristallitgröße von < 100 nm auf, so dass das erfindungsgemäße Lithiumübergangsmetallphosphat hervorragende elektronische Eigenschaften bei Verwendung als Aktivmaterial in Kathoden von Sekundärlithiumionenbatterien aufweist. In Weiterbildungen der Erfindung betragen die Primärkristallitgrößen < 90 nm oder < 85 nm.Surprisingly, the lithium transition metal phosphate obtained by the process according to the invention has a primary crystallite size of <100 nm, so that the lithium transition metal phosphate according to the invention has excellent electronic properties when used as active material in cathodes of secondary lithium ion batteries. In developments of the invention, the primary crystallite sizes are <90 nm or <85 nm.

Das erfindungsgemäß erhaltene Lithiumübergangsmetallphosphat weist in Ausführungsformen der Erfindung eine monomodale Teilchengrößenverteilung auf, was sich zum Einsatz als Elektrodenmaterial besonders eignet, da das Material sehr homogen istIn embodiments of the invention, the lithium transition metal phosphate obtained according to the invention has a monomodal particle size distribution, which is particularly suitable for use as an electrode material, since the material is very homogeneous

Das Übergangsmetall im erfindungsgemäß erhältlichen Lithiumübergangsmetallphosphat ist erfindungsgemäß ausgewählt aus mindestens einem Übergangsmetall aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Eisen, Mangan, Nickel. In bevorzugten Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ist das Übergangsmetall Kobalt oder Mangan. Das Lithiumübergangs-metallphosphat ist somit Lithiumkobaltphosphat LiCoPO4 oder Lithiummanganphosphat LiMnPO4.The transition metal in the lithium transition metal phosphate obtainable according to the invention is selected according to the invention from at least one transition metal from the group consisting of cobalt, iron, manganese, nickel. In preferred embodiments of the present invention, the transition metal is cobalt or manganese. The lithium transition metal phosphate is thus lithium cobalt phosphate LiCoPO 4 or lithium manganese phosphate LiMnPO 4 .

Der vorliegend verwendete Begriff „ein Lithiumübergangsmetallphosphat” bzw. „ein Lithiumübergangsmetallphosphat LiMPO4” bedeutet im Rahmen dieser Erfindung, dass das Lithiumübergangsmetallphosphat dotiert oder nicht-dotiert vorliegen kann.In the context of this invention, the term "a lithium transition metal phosphate" or "a lithium transition metal phosphate LiMPO 4 " as used herein means that the lithium transition metal phosphate may be doped or undoped.

Unter einem dotierten Lithiumübergangsmetallphosphat wird vorliegend eine Verbindung der Formel LiM'yMxPO4 verstanden, wobei M = Fe, Co, Ni oder Mn ist, insbesondere Co oder Mn, M' von M verschieden ist und wenigstens ein Metallkation darstellt aus der Gruppe bestehend aus Co, Ni, Mn, Fe, Nb, Ti, Ru, Zr, B, Zn, Mg, Ca, Cu, Cr oder Kombinationen davon, bevorzugt aber Co, Ni, Mn, Fe, Ti, B, Mg, Zn, Ca und Nb darstellt, in anderen Weiterbildungen der Erfindung Mg, Nb, oder Zn ist, x ist eine Zahl < 1 und > 0,001 und y ist eine Zahl > 0,001 und < 0,99. Typische bevorzugte Verbindungen sind z. B. LiNbyFexPO4, LiMgyFexPO4 LiByFexPO4 LiMnyFexPO4, LiMgyCoxPO4, LiCoyFexPO4, LiMnzCoyFexPO4, LiMnyCoxPO4, LiMgyFexMn1-x-yPO4, LiZnyFexMn1-x-yPO4, LiMgyCoxMn1-x-yPO4, LiZnyCoxMn1-x-yPO4, LiZnyCoxPO4 mit 0,001 ≤ x, y, z ≤ 1).Under a doped lithium transition metal phosphate is a compound of the formula LiM is 'y M x PO understood 4, wherein M = Fe, Co, Ni or Mn, in particular Co or Mn, M' in the present of M different and at least one metal cation from the group consisting of Co, Ni, Mn, Fe, Nb, Ti, Ru, Zr, B, Zn, Mg, Ca, Cu, Cr or combinations thereof, but preferably Co, Ni, Mn, Fe, Ti, B, Mg, Zn , Ca and Nb, in other embodiments of the invention Mg, Nb, or Zn, x is a number <1 and> 0.001 and y is a number> 0.001 and <0.99. Typical preferred compounds are, for. LiNb y Fe x PO 4 , LiMg y Fe x PO 4 LiB y Fe x PO 4 LiMn y Fe x PO 4 , LiMg y Co x PO 4 , LiCo y Fe x PO 4 , LiMn z Co y Fe x PO 4 , LiMn y Co x PO 4 , LiMg y Fe x Mn 1-xy PO 4 , LiZn y Fe x Mn 1-x- yPO 4, LiMg y Co x Mn 1-xy PO 4 , LiZn y Co x Mn 1-xy PO 4 , LiZn y Co x PO 4 with 0.001 ≤ x, y, z ≤ 1).

Das dotierte oder nicht dotierte Lithiumübergangsmetallphosphat hat, wie schon vorstehend gesagt, ganz besonders bevorzugt entweder eine geordnete oder modifizierte Olivinstruktur.The doped or undoped lithium transition metal phosphate most preferably has either an ordered or modified olivine structure, as stated above.

Lithiumübergangsmetallphosphate in geordneter Olivinstruktur lassen sich strukturell in der rhombischen Raumgruppe Pnma (Nr. 62 der Internationalen Tabellen) beschreiben, wobei die kristallografische Aufstellung der rhombischen Elementarzelle hier so gewählt sei, dass die a-Achse die längste Achse und die c-Achse die kürzeste Achse der Elementarzelle Prima ist, so dass die Spiegelebene m der Olivinstruktur senkrecht zur b-Achse zu liegen kommt. Dann ordnen sich die Lithiumionen des Lithium-Metall-Phosphates in Olivinstruktur parallel zur Kristallachse [010] bzw. senkrecht zur Kristallfläche {010} an, die damit auch die bevorzugte Richtung für die eindimensionale Lithiumionenleitung ist.Structurally, lithium transition metal phosphates in ordered olivine structure can be described in the rhombic space group Pnma (No. 62 of the International Tables), where the crystallographic arrangement of the rhombic unit cell is chosen such that the a axis is the longest axis and the c axis the shortest axis the unit cell Prima is such that the mirror plane m of the olivine structure is perpendicular to the b-axis. Then, the lithium ions of the lithium metal phosphate in Olivinstruktur arrange parallel to the crystal axis [010] or perpendicular to the crystal surface {010}, which is thus the preferred direction for the one-dimensional lithium ion conduction.

Der Begriff „Modifizierte Olivinstruktur” bedeutet, dass eine Modifikation entweder an den anionischen (z. B. Phosphat durch Vanadat) und/oder kationischen Stellen im Kristallgitter erfolgt, wobei die Substitution durch aliovalente oder gleiche Ladungsträger erfolgt, um eine bessere Diffusion der Lithiumionen und eine verbesserte elektronische Leitfähigkeit zu ermöglichen.The term "modified olivine structure" means that there is a modification either to the anionic (eg, phosphate by vanadate) and / or cationic sites in the crystal lattice, with substitution by aliovalent or like charge carriers, to provide better diffusion of the lithium ions and to allow improved electronic conductivity.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass erfindungsgemäßes Kohlenstofffreies nicht dotiertes und dotiertes Lithiumkobaltphosphat oder Lithiummanganphosphat bei Verwendung als Aktivmaterial in Kathoden von Sekundärlithiumionenbatterien üblichen kohlenstoffhaltigen entsprechenden Derivaten nicht unterlegen ist. Überraschenderweise benötigen diese Materialien keinen Leitmittelzusatz und unterscheiden sich dabei von den analogen Eisenverbindungen.Surprisingly, it has been found that inventive carbon-free undoped and doped lithium cobalt phosphate or lithium manganese phosphate is not inferior when used as the active material in cathodes of secondary lithium ion batteries conventional carbon-containing corresponding derivatives. Surprisingly, these materials do not require any additive addition and differ from the analogous iron compounds.

Dabei wurden für Kobalt in LiCoPO4 mehr als 95% des theoretischen CoII-CoIII-Übergangs erzielt.More than 95% of the theoretical Co II -Co III transition was achieved for cobalt in LiCoPO 4 .

Die vorliegende Erfindung betrifft weiter eine Elektrode für eine Sekundärlithiumionenbatterie, die ein erfindungsgemäßes Lithiumübergangsmetallphosphat, insbesondere nicht-dotiertes oder dotiertes Lithiumkobaltphosphat LiCoPO4 oder nicht dotiertes oder dotiertes Lithiummanganphosphat LiMnPO4 als Aktivmaterial enthält.The present invention further relates to an electrode for a lithium secondary lithium ion battery, which contains a lithium transition metal phosphate according to the invention, in particular non-doped or doped lithium cobalt phosphate LiCoPO 4 or non-doped or doped lithium manganese phosphate LiMnPO 4 as the active material.

Die erfindungsgemäße Elektrode enthält weiter einen Binder. Als Binder kann jeder dem Fachmann an sich bekannte Binder eingesetzt werden, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polyvinylidendifluorid-Hexafluorpropylen Copolymere (PVDF-HFP), Ethylen-propylen-dien-ter-Polymere (EPDM), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen Copolymere, Polyethylenoxide (PEO), Polyacrylnitrile (PAN), Polymethylmethacrylate (PMMA), Carboxymethylcellulosen (CMC) deren Derivate und Mischungen davon.The electrode according to the invention further contains a binder. As binders it is possible to use any binder known per se to the person skilled in the art, such as, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene difluoride (PVDF), polyvinylidene difluoride-hexafluoropropylene copolymers (PVDF-HFP), Ethylene-propylene-diene terpolymers (EPDM), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers, polyethylene oxides (PEO), polyacrylonitriles (PAN), polymethyl methacrylates (PMMA), carboxymethylcelluloses (CMC), their derivatives, and mixtures thereof.

In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält die Elektrode weiter eine Lithium-Metall-Sauerstoffverbindung, ausgewählt aus dotierten oder nicht dotierten Lithium-Metall-Oxiden, Lithium-Metall-Phosphaten (die von den erfindungsgemäßen verschieden sind), Lithium-Metall-Vanadaten und Mischungen davon. Es ist natürlich auch möglich, dass zwei, drei oder noch mehr weitere, verschiedene Lithium-Metall-Sauerstoffverbindungen enthalten sind. Es versteht sich für den Fachmann, dass natürlich nur Lithium-Metall-Sauerstoffverbindungen, die die gleiche Funktionalität aufweisen (also als aktives Kathodenmaterial fungieren können) in einer derartigen Elektrodenformulierung enthalten sein können.In further embodiments of the present invention, the electrode further contains a lithium metal-oxygen compound selected from doped or undoped lithium metal oxides, lithium metal phosphates (other than those of the invention), lithium metal vanadates, and mixtures from that. It is of course also possible that two, three or even more, different lithium metal oxygen compounds are included. It will be understood by those skilled in the art that, of course, only lithium metal oxygen compounds that have the same functionality (that is, act as a cathode active material) may be included in such an electrode formulation.

Die Lithium-Metall-Sauerstoffverbindung ist bevorzugt ausgewählt aus dotiertem oder nicht dotiertem Lithiummanganoxid, Lithiumkobaltoxid, Lithiumeisenmanganphosphat, Lithiummanganphosphat. Die zweite Lithium-Metall-Sauerstoffverbindung ist insbesondere in speziellen Kathodenformulierungen von Vorteil und liegt typischerweise in einer Menge von ca. 3–50% bezogen auf das erfindungsgemäße Lithiumübergangsmetallphosphat vor.The lithium metal oxygen compound is preferably selected from doped or undoped lithium manganese oxide, lithium cobalt oxide, lithium iron manganese phosphate, lithium manganese phosphate. The second lithium-metal-oxygen compound is particularly advantageous in particular cathode formulations and is typically present in an amount of about 3-50% based on the lithium transition metal phosphate according to the invention.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen und Figuren erläutert, ohne dass diese als einschränkend verstanden werden sollen.The invention is explained below with reference to examples and figures, without these being to be understood as limiting.

1 zeigt die Variation des Kohlenstoffgehalts von erfindungsgemäßen LiCoPO4 in Abhängigkeit von der Temperatur im erfindungsgemäßen Verfahren. 1 shows the variation of the carbon content of LiCoPO 4 according to the invention as a function of the temperature in the process according to the invention.

2 zeigt den Lade/Entladeverlauf von erfindungsgemäßem kohlenstofffreien LiCoPO4 im ersten Zyklus. 2 shows the charge / discharge of inventive carbon-free LiCoPO 4 in the first cycle.

3 zeigt die spezifische Kapazität von verschiedenen erfindungsgemäß erhaltenen Lithiumkobaltphosphaten. 3 shows the specific capacity of various lithium cobalt phosphates obtained according to the invention.

4 zeigt REM Aufnahmen von kohlenstofffreiem Lithiumkobaltphosphat, erhältlich nach einem direkten Festkörperverfahren des Standes der Technik (4a) und dem erfindungsgemäßen Verfahren (4b). 4 shows SEM images of carbon-free lithium cobalt phosphate, obtainable by a direct solid state process of the prior art ( 4a ) and the method according to the invention ( 4b ).

Ausführungsbeispieleembodiments

1. Herstellung von Elektroden1. Preparation of electrodes

Zur Elektrodenpräparation wurde Aktivmaterial (60 Gew.-%) mit AB100 (20 Gew.-%) als Leitzusatz sowie Hostaflon (20 Gew.-%) als Binder versetzt. Die einzelnen Komponenten wurden im Achatmörser vermörsert.For electrode preparation, active material (60% by weight) was mixed with AB100 (20% by weight) as conductive additive and also Hostaflon (20% by weight) as binder. The individual components were mortared in agate mortar.

Von der daraus erhaltenen Elektrodenmasse wurden etwa 50–52 mg Proben in eine Aluminiumnetztasche eingebracht und diese bei einem Druck von 10 t für 10 s verpresst.From the resulting electrode mass, about 50-52 mg samples were placed in an aluminum mesh pocket and pressed at a pressure of 10 tons for 10 seconds.

Die gepresste Elektrode wurde bei 130°C unter Vakuum über einen Zeitraum von 8–12 h getrocknet und anschließend in Testzellen mit überschüssigem Elektrolyt gegen Lithium als Referenzelektrode und Gegenelektrode vermessen.The pressed electrode was dried at 130 ° C under vacuum over a period of 8-12 h and then measured in test cells with excess electrolyte against lithium as a reference electrode and counter electrode.

Als Elektrolyt wurde ein Gemisch aus Ethylencarbonat/Dimethylcarbonat (EC:DMC 1:1 wt-% mit 1 M LiPF6 als Leitsalz (LP1-U33/U34 UBE, LP30-17 Merck) eingesetzt.The electrolyte used was a mixture of ethylene carbonate / dimethyl carbonate (EC: DMC 1: 1 wt% with 1 M LiPF 6 as conductive salt (LP1-U33 / U34 UBE, LP30-17 Merck).

Die elektrochemische Charakterisierung erfolgte mittels galvanostatischer Messung in einem Potentialbereich von 3.0 V–5.3 V bei einer Lade-/Entladerate von C/20.The electrochemical characterization was carried out by galvanostatic measurement in a potential range of 3.0 V-5.3 V at a charge / discharge rate of C / 20.

2. Herstellung der Ausgangsverbindungen2. Preparation of the starting compounds

Die Herstellung der Ausgangsverbindungen d. h. des kohlenstoffbeschichteten LiCoPO4 und LiMnPO4 erfolgte entweder auf festkörpersynthetischem Weg ( JP H09-134724 A , EP 571858 A1 , EP 1049182 B1 ), auf naßchemischem Weg ( EP 1379468 B1 ) oder auf hydrothermalen Weg ( WO 2006/097324 A2 ).The preparation of the starting compounds, ie the carbon-coated LiCoPO 4 and LiMnPO 4 was carried out either by solid-state synthesis ( JP H09-134724 A . EP 571858 A1 . EP 1049182 B1 ), wet-chemical way ( EP 1379468 B1 ) or by hydrothermal route ( WO 2006/097324 A2 ).

Die Kohlenstoffbeschichtung erfolgte entweder in situ gemäß der EP 1049182 B1 oder nach Isolierung des nicht kohlenstoffbeschichteten Zwischenprodukts (z. B. wie in der WO 2006/097324 A2 und der EP 1379468 B1 ).The carbon coating was done either in situ according to the EP 1049182 B1 or after isolation of the non-carbon coated intermediate (e.g., as in U.S. Pat WO 2006/097324 A2 and the EP 1379468 B1 ).

3). Herstellung erfindungsgemäßer Lithiumübergangsmetallphosphate3). Preparation of inventive lithium transition metal phosphates

3.1 Herstellung von LiCoPO4 und LiMnPO4 3.1 Preparation of LiCoPO 4 and LiMnPO 4

Das wie in Abschnitt 2 erhaltene kohlenstoffbeschichtete LiCoPO4 und LiMnPO4 (Kohlenstoffgehalt ca. 5 Gew.-%) wurde anschließend während 20 Stunden an Luft bei 400°C getempert. Man erhielt dabei ein kohlenstofffreies LiCoPO4. Das Resultat war unabhängig von der Herstellung (d. h. naßchemisch, festkörperchemisch oder hydrothermal) des ursprünglich eingesetzten LiCoPO4 bzw. LiMnPO4 gleich. Auch die Art des Aufbringens der Kohlenstoffbeschichtung, d. h. direkt über Kohlenstoffvorläufer in Mischung mit den Ausgangsstoffen der Lithiumübergangsmetallphosphate, oder aber auf das schon synthetisierte Lithiumübergangsmetallphosphat ließ keine Unterschiede erkennen.The carbon-coated LiCoPO 4 and LiMnPO 4 (carbon content about 5% by weight) obtained as in section 2 were then tempered for 20 hours in air at 400 ° C. This gave a carbon-free LiCoPO 4 . The result was the same regardless of the preparation (ie, wet chemical, solid-state chemical or hydrothermal) of the LiCoPO 4 or LiMnPO 4 originally used. Also, the nature of the application of the carbon coating, ie directly on carbon precursor in mixture with the starting materials of the lithium transition metal phosphates, or on the already synthesized lithium transition metal phosphate showed no differences.

Wie aus 1 ersichtlich ist, kann in Abhängigkeit von der Temperatur der Restkohlenstoffgehalt des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Produktes LiCoPO4 eingestellt werden. Bei einer Temperatur von 300°C wird noch kein Kohlenstoff entfernt, bei Temperaturen um 400°C wird ein kohlenstofffreies Produkt erhalten. Das gleiche Ergebnis wurde für LiMnPO4 erhalten. Auch hier hatte die Syntheseart des Lithiumübergangsmetallphosphats keinen Einfluss auf das Ergebnis.How out 1 can be seen, depending on the temperature of the residual carbon content of the product obtained by the process according to the invention LiCoPO 4 can be adjusted. At a temperature of 300 ° C, no carbon is removed, at temperatures around 400 ° C, a carbon-free product is obtained. The same result was obtained for LiMnPO 4 . Again, the synthetic nature of the lithium transition metal phosphate had no effect on the result.

2 zeigt den Lade/Entladeverlauf einer Elektrode mit erfindungsgemäßen kohlenstofffreien LiCoPO4 (Ausgangsmaterial erhalten gemäß der EP 1379468B1 ) als Aktivmaterial ohne weiteren Leitmittelzusatz im ersten Zyklus gemessen gegen Li/Li+. Das LiCoPO4 wies dabei eine Primärkristallitgröße von 80 nm auf. Bei der Entladung wurde ein Wert von 155 mAh/g erreicht. Reinst LiCoPO4 hat eine spezifische Kapazität von 167 mAh/g. Die vermessene Probe wies jedoch eine Li3PO4-Nebenphase von 3 bis 4 Gew.-% auf. Daher beträgt die praktische spezifische Kapazität der vermessenen Probe 163 mAh/g. Demnach stellen 155 mAh/g ca. 95% der erwarteten spezifischen Kapazität des hergestellten Kathodenmaterials LiCoPO4 von 163 mAh/g aus. 2 shows the charge / discharge of an electrode with carbon-free LiCoPO 4 according to the invention (starting material obtained according to the EP 1379468B1 ) as active material without further additive addition in the first cycle measured against Li / Li + . The LiCoPO 4 had a primary crystallite size of 80 nm. The discharge reached a value of 155 mAh / g. Purest LiCoPO 4 has a specific capacity of 167 mAh / g. However, the measured sample had a Li 3 PO 4 minor phase of 3 to 4% by weight. Therefore, the practical specific capacity of the measured sample is 163 mAh / g. Thus, 155 mAh / g represent about 95% of the expected specific capacity of the prepared cathode material LiCoPO 4 of 163 mAh / g.

3 zeigt den Einfluss der Kristallitgröße auf die spezifische Kapazität erfindungsgemäß erhaltenen LiCoPO4 und mit Kohlenstoff beschichtetem LiCoPO4 als Aktivmaterial in einer Elektrode. Es ist daraus ersichtlich, dass die kleinere Kristallitgröße von 63 nm des erfindungsgemäß erhaltenen LiCoPO4 auch ohne Kohlenstoffbeschichtung in der Elektrodenformulierung bessere Ergebnisse zeigt, als mit Kohlenstoff beschichtetes Material mit etwas größerer Kristallitgröße von 83 nm. 3 shows the influence of the crystallite size on the specific capacity LiCoPO 4 obtained according to the invention and carbon-coated LiCoPO 4 as active material in an electrode. It can be seen from this that the smaller crystallite size of 63 nm of the LiCoPO 4 obtained according to the invention, even without carbon coating in the electrode formulation, shows better results than carbon-coated material with a somewhat larger crystallite size of 83 nm.

Die Materialien mit Kristallitgrößen von 304 bzw. 391 nm zeigen schlechtere Resultate und belegen den Einfluss der Kristallitgröße auf die elektronischen Eigenschaften dieser Materialien. Die Kristallitgrößen wurden als Primärkristallitgrößen aus röntgenographischen Messungen an einem Bruker-AXS Gerät (Software TOPAS 4.2) bestimmt.The materials with crystallite sizes of 304 and 391 nm show inferior results and prove the influence of crystallite size on the electronic properties of these materials. The crystallite sizes were determined as primary crystallite sizes from X-ray diffraction measurements on a Bruker AXS instrument (Software TOPAS 4.2).

4 zeigt in 4a den Vergleich der Teilchenmorphologie von kohlenstofffreien LiCoPO4 erhältlich nach einem Festkörperverfahren des Standes der Technik ( EP 571 858 A1 ); und in 4b von kohlenstofffreien LiCoPO4 erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Das erfindungsgemäß erhaltene Produkt weist dabei eine deutlich geringere Primärkristallitgröße auf als das Produkt hergestellt nach dem Verfahren des Standes der Technik. 4 shows in 4a Comparison of particle morphology of carbon-free LiCoPO 4 obtainable by a solid state process of the prior art ( EP 571 858 A1 ); and in 4b of carbon-free LiCoPO 4 obtainable by the process according to the invention. The product obtained according to the invention has a significantly lower primary crystallite size than the product prepared by the process of the prior art.

Claims (14)

Verfahren zur Herstellung eines nanopartikulären Lithiumübergangsmetallphosphats LiMPO4, ausgehend von mit Kohlenstoff beschichtetem Lithiumübergangsmetallphosphat, bei dem anschließend die Kohlenstoffschicht ganz oder teilweise entfernt wird.Process for the preparation of a nanoparticulate lithium transition metal phosphate LiMPO 4 starting from carbon-coated lithium transition metal phosphate, in which the carbon layer is subsequently completely or partially removed. Verfahren nach Anspruch 1, bei denen das Übergangsmetall M in LiMPO4 ausgewählt wird aus mindestens einem aus der Gruppe bestehend aus Co, Fe, Mn, Ni.The method of claim 1, wherein the transition metal M in LiMPO 4 is selected from at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Mn, Ni. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kohlenstoffschicht oxidativ entfernt wird.The method of claim 1 or 2, wherein the carbon layer is removed by oxidation. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Entfernung über Erhitzen des mit Kohlenstoff beschichteten Lithiumübergangsmetallphosphats bei einer Temperatur im Bereich von 300 bis 500°C erfolgt.The process of claim 3, wherein the removal is accomplished by heating the carbon-coated lithium transition metal phosphate at a temperature in the range of 300 to 500 ° C. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Erhitzen über einen Zeitraum von 2 bis 16 Stunden durchgeführt wird.The method of claim 4, wherein the heating is carried out for a period of 2 to 16 hours. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mit Kohlenstoff beschichtete Lithiumübergangsmetallphosphat einen Gesamtkohlenstoffgehalt von 0,5 bis 5 Gew.-% aufweist.A method according to any one of the preceding claims, wherein the carbon-coated lithium transition metal phosphate has a total carbon content of 0.5 to 5% by weight. Nanopartikuläres Lithiumübergangsmetallphosphat, erhältlich durch das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6.Nanoparticulate lithium transition metal phosphate obtainable by the process according to one of the preceding claims 1 to 6. Lithiumübergangsmetallphosphat nach Anspruch 7 mit einer Primärkristallitgröße < 100 nm.Lithium transition metal phosphate according to claim 7 having a primary crystallite size <100 nm. Lithiumübergangsmetallphosphat nach Anspruch 8 mit einer monomodalen Teilchengrößenverteilung.Lithium transition metal phosphate according to claim 8 having a monomodal particle size distribution. Lithiumübergangsmetallphosphat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, bei dem das Übergangsmetall mindestens eines aus der Gruppe bestehend aus Co, Fe, Mn, Ni ist.The lithium transition metal phosphate of any one of preceding claims 7 to 9, wherein the transition metal is at least one of Co, Fe, Mn, Ni. Lithiumübergangsmetallphosphat nach Anspruch 10 mit der Formel LiCoPO4 oder LiMnPO4.The lithium transition metal phosphate of claim 10 having the formula LiCoPO 4 or LiMnPO 4 . Lithiumübergangsmetallphosphat nach einem der vorgehenden Ansprüche 7 bis 11, das mit weiteren Fremdionen dotiert ist, die ausgewählt sind aus der Gruppe Co, Ni, Mn, Fe, Nb, Ti, Ru, Zr, B, Zn, Mg, Ca, Cu, Cr oder Kombinationen davon.The lithium transition metal phosphate according to any of the preceding claims 7 to 11, which is doped with further foreign ions selected from the group Co, Ni, Mn, Fe, Nb, Ti, Ru, Zr, B, Zn, Mg, Ca, Cu, Cr or combinations thereof. Kathode für eine Sekundärlithiumionenbatterie, enthaltend als Aktivmaterial ein Lithiumübergangsmetallphosphat nach einem der Ansprüche 7 bis 12. Cathode for a secondary lithium ion battery, containing as active material a lithium transition metal phosphate according to one of claims 7 to 12. Kathode nach Anspruch 13, wobei das Lithiumübergangsmetallphosphat dotiertes oder nichtdotiertes LiCoPO4 ist.The cathode of claim 13, wherein the lithium transition metal phosphate is doped or undoped LiCoPO 4 .
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