DE102013206007A1 - Amorphized iron (III) phosphate - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines amorphen oder amorphisierten Eisen(III)phosphat-Anhydrats oder eines Kohlenstoff-Komposits von amorphem oder amorphisiertem Eisen(III)phosphat-Anhydrat, dadurch gekennzeichnet, dass man Eisen(III)orthophosphat der allgemeinen Formel FePO4 × 2 H2O oder Kohlenstoff-Komposit von Eisen(III)orthophosphat der allgemeinen Formel FePO4 × 2 H2O, wobei wenigstens 80 Gew.-% des Eisen(III)orthophosphats gemäß Pulverröntgenbeugungsanalyse mit CuKα-Strahlung in der Phosphosiderit(Metastrengit II)-Kristallstruktur vorliegen, bei einer Temperatur im Bereich von 140 bis 250°C bis auf einen Restwassergehalt von 0 bis 1 Gew.-%, welcher sowohl gebundenes Kristallwasser als auch freies Wasser umfasst, und bis auf einen Kristallwassergehalt ≤ 0,2 H2O dehydratisiert.Process for the preparation of an amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate or a carbon composite of amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate, characterized in that iron (III) orthophosphate of the general formula FePO4 × 2 H2O or carbon -Composite of iron (III) orthophosphate of the general formula FePO4 × 2 H2O, wherein at least 80% by weight of the iron (III) orthophosphate according to powder X-ray diffraction analysis with CuKα radiation is present in the phosphosiderite (metastrengite II) crystal structure, at a temperature in Range from 140 to 250 ° C down to a residual water content of 0 to 1 wt .-%, which includes both bound crystal water and free water, and dehydrated to a crystal water content ≤ 0.2 H2O.
Description
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Die Erfindung betrifft ein neuartiges strukturell amorphes oder amorphisiertes Eisen(III)phosphat-Anhydrat und einen Kohlenstoff-Komposit davon sowie ein Verfahren zur Herstellung. Das strukturell amorphe oder amorphisierte Eisenphosphat-Anhydrat ist geeignet für den direkten Einsatz als Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Akkumulatoren sowie als Vorstufe für die Herstellung von chemisch oder thermisch lithiiertem Eisenphosphat oder Kohlenstoff-Komposit davon.The invention relates to a novel structurally amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate and a carbon composite thereof and to a process for the preparation thereof. The structurally amorphous or amorphized iron phosphate anhydrate is suitable for direct use as a cathode material for lithium-ion accumulators as well as a precursor for the production of chemically or thermally lithiated iron phosphate or carbon composite thereof.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein lithiiertes Eisenphosphat und einen Kohlenstoff-Komposit davon sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung aus dem amorphen oder amorphisierten Eisen(III)phosphat-Anhydrat oder dessen Kohlenstoff-Komposit. Das Produkt ist unter anderem geeignet als Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Akkumulatoren.The invention further relates to a lithiated iron phosphate and a carbon composite thereof and to a process for its production from the amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate or its carbon composite. The product is suitable, among other things, as a cathode material for lithium ion accumulators.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind weit verbreitete Energiespeicher, insbesondere im Bereich mobiler Elektronik, da sich der Li-Ionen-Akkumulator durch eine hohe Energiedichte auszeichnet und eine hohe Nennspannung liefern kann, so dass der Lithium-Ionen-Akkumulator bei vergleichbarer Leistung deutlich kleiner und leichter ist als herkömmliche Akkumulatoren. Als Kathodenmaterialien haben sich Spinelle wie LiCoO2, LiNiO2, LiNi1-xCoxO2 und LiMnnO4 etabliert. Um die Sicherheit der Li-Ionen-Akkumulatoren zu erhöhen, vor allem in Bezug auf eine thermische Überlastung im Betrieb, wurde LiFePO4 als Kathodenmaterial entwickelt. Dieses Material zeichnet sich durch eine gute Leistung, hohe spezifische Kapazität sowie hohe thermische Stabilität im Betrieb aus. Eisenorthophosphat ist ein Ausgangsstoff für die Herstellung von LiFePO4-Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Akkumulatoren.Rechargeable lithium-ion batteries are widely used energy storage, especially in the field of mobile electronics, since the Li-ion battery is characterized by a high energy density and can deliver a high nominal voltage, so that the lithium-ion battery at comparable power significantly smaller and lighter than conventional accumulators. As cathode materials, spinels such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi 1-x Co x O 2 and LiMn n O 4 have been established. To increase the safety of Li-ion batteries, especially in terms of thermal overload during operation, LiFePO 4 was developed as a cathode material. This material is characterized by good performance, high specific capacity and high thermal stability during operation. Iron orthophosphate is a starting material for the production of LiFePO 4 cathode material for lithium ion accumulators.
An das Kathodenmaterial von Li-Ionen-Akkumulatoren werden hohe Reinheitsansprüche gestellt, da jede Kontamination, die während des Betriebes (Laden und Entladen) unerwünschte Redox-Reaktionen eingehen kann, die Leistung des Akkumulators nachteilig beeinflusst. Die Art und Konzentration der möglichen Kontaminationen hängt im Wesentlichen von der Qualität der zur Herstellung des Kathodenmaterials eingesetzten Rohstoffe und deren Herstellungsverfahren an sich ab. Im Herstellungsprozess des Kathodenmaterials können Maßnahmen zur nachträglichen Reduzierung von Verunreinigungen getroffen werden, was jedoch im Allgemeinen mit einer Erhöhung der Herstellungskosten verbunden ist. Es ist daher erstrebenswert, möglichst reine Ausgangsmaterialien bzw. Rohstoffe für die Herstellung des Kathodenmaterials zu verwenden. Neben der Reinheit der Ausgangsmaterialien beeinflussen auch deren Struktur und Morphologie die Qualität des daraus hergestellten Kathodenmaterials wesentlich.High purity requirements are placed on the cathode material of Li-ion accumulators, since any contamination that may undergo unwanted redox reactions during operation (charging and discharging) adversely affects the performance of the accumulator. The type and concentration of the possible contaminations depends essentially on the quality of the raw materials used for the production of the cathode material and their production process per se. In the manufacturing process of the cathode material, measures for the subsequent reduction of impurities can be made, but this is generally associated with an increase in the production costs. It is therefore desirable to use as pure starting materials or raw materials for the production of the cathode material. Besides the purity of the starting materials, their structure and morphology also significantly influence the quality of the cathode material produced therefrom.
Die
Reines Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) besitzt eine schlechte elektrische Leitfähigkeit, weshalb es in seiner reinen Form als Kathodenmaterial nur bedingt nutzbar ist. Es gibt daher verschiedene Ansätze, um die elektrische Leitfähigkeit von Lithium-Eisen-Phosphat zu verbessern. So beschreiben die
Die
Die Festkörpersynthese durch thermische Kalzinierung zur Herstellung von LFP bzw. LFP/C hat sich in den letzten Jahren etabliert. Im Vergleich zu Hydro- oder Solvothermalverfahren erfordert sie weit weniger apparatetechnischen Aufwand und ist deutlich kostengünstiger. Die Partikelgrößenkontrolle in der Festkörpersynthese durch thermische Kalzinierung ist allerdings schwierig, da verfahrensbedingt hohe Temperaturen im Bereich von 600 bis 700°C zum Einsatz kommen müssen, die ein ausgeprägtes Partikelwachstum und ein Zusammensintern des Kalziniergutes mit sich bringen können. Gerade dies soll aber bei der Herstellung von LFP vermieden werden, um die Diffusionswege für die Li-Ionen kurz zu halten.The solid-state synthesis by thermal calcination for the production of LFP or LFP / C has been established in recent years. Compared to hydro- or solvothermal processes, it requires far less apparatus-related effort and is significantly less expensive. The particle size control in the solid state synthesis by thermal calcination, however, is difficult, since process-related high temperatures in the range of 600 to 700 ° C must be used, which can bring a pronounced particle growth and sintering of the calcine with it. Just this should but avoided in the production of LFP in order to keep the diffusion paths for the Li ions short.
Die
Grundsätzlich erfordern Hydrothermalverfahren aufgrund der erforderlichen hohen Drücke in Abhängigkeit von der Zieltemperatur und dem gewählten Reaktionsmedium ein aufwendiges Prozessdesign und teure Ausrüstung. Einfache, drucklos ausgeführte Fällungsreaktionen weisen demgegenüber eindeutige Vorteile auf.Basically, due to the high pressures required, depending on the target temperature and the chosen reaction medium, hydrothermal processes require a complex process design and expensive equipment. Simple, depressurized precipitation reactions, however, have clear advantages.
Das amorphe Eisen(III)orthophosphat-Dihydrat wird gemäß
Das von
Dem Fachmann ist bekannt, dass Anionenkontaminationen in der Form von Sulfaten und/oder Nitraten in einer elektrochemischen Zelle zu Redoxreaktionen führen, die eine korrosive Wirkung auf Zellkomponenten und unerwünschte Wechselwirkungen mit dem Elektrolyten und/oder dem Anoden- und/oder Kathodenmaterial ausüben können.It is known to those skilled in the art that anionic contaminations in the form of sulfates and / or nitrates in an electrochemical cell result in redox reactions that can exert a corrosive effect on cell components and undesirable interactions with the electrolyte and / or the anode and / or cathode material.
Die bei
Um das kristalline LFP-Produkt zu erhalten, musste für mindestens 2 Stunden bei 600°C unter einer reduktiven Schutzatmosphäre von 5% Wasserstoff in Argon oder Stickstoff kalziniert werden. Dabei ändern sich Größe und Morphologie der Primärpartikel nur unwesentlich, allerdings führt die hohe Temperatur wie in der Veröffentlichung beschrieben unweigerlich zum Versintern der Primärpartikel. Die durch das Versintern erzeugten Diffusionsbarrieren für Lithiumionen wirken sich jedoch negativ auf die elektrochemische Qualität des Materials in Lithium-Ionen-Akkumulatoren aus. Zudem wird eine Porosität im Kathodenmaterial erzeugt, wodurch der Anteil an Aktivmaterial in den Arbeitskathoden der Batterien reduziert wird. Dies wirkt sich negativ auf die maximale Energiedichte bzw. die maximale Menge des aufzubringenden Aktivmaterials der Kathoden aus.To obtain the crystalline LFP product, it was necessary to calcine hydrogen in argon or nitrogen for at least 2 hours at 600 ° C under a reductive protective atmosphere of 5%. The size and morphology of the primary particles change only insignificantly, but the high temperature inevitably leads to sintering of the primary particles as described in the publication. However, lithium ion diffusion barriers produced by sintering adversely affect the electrochemical quality of the material in lithium-ion secondary batteries. In addition, a porosity is generated in the cathode material, whereby the proportion of active material in the working cathodes of the batteries is reduced. This has a negative effect on the maximum energy density or the maximum amount of active material of the cathodes to be applied.
In weiterer Literatur (
Eisen(III)orthophosphate in unterschiedlichen Hydratstufen lassen sich auch ohne vorherige Lithiierung direkt als Kathodenmaterialien in elektrochemischen Zellen einsetzen. Die oben genannten Arbeiten von
In den oben genannten Arbeiten wurde gezeigt, dass Hydratwasser enthaltende amorphe Eisen(III)phosphate gegenüber Anhydraten initial eine bessere elektrochemische Leistung aufweisen.
Aufgabetask
Die Aufgabe der Erfindung bestand daher in der Bereitstellung eines gegenüber dem Stand der Technik verbesserten und leicht sowie kostengünstig zugänglichen Eisenphosphats, welches sich durch elektrochemische oder chemische Lithiierung in ein Kathodenmaterial für Lithiumionen-Akkumulatoren oder sich durch thermische Nachbehandlung bei geringen Temperaturen und kurzen Kalzinierungszeiten in ein Lithiumeisenphosphat mit gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Eigenschaften überführen lässt.The object of the invention was therefore to provide a comparison with the prior art improved and easy and inexpensive accessible iron phosphate, which is by electrochemical or chemical Lithiierung in a cathode material for lithium ion batteries or by thermal treatment at low temperatures and short calcination times in a Lithium iron phosphate can be converted over the prior art improved properties.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines amorphen oder amorphisierten Eisen(III)phosphat-Anhydrats oder eines Kohlenstoff-Komposits von amorphem oder amorphisiertem Eisen(III)phosphat-Anhydrat, dadurch gekennzeichnet, dass man Eisen(III)orthophosphat der allgemeinen Formel FePO4 × 2 H2O oder Kohlenstoff-Komposit von Eisen(III)orthophosphat der allgemeinen Formel FePO4 × 2 H2O, wobei wenigstens 80 Gew.-% des Eisen(III)orthophosphats gemäß Pulverröntgenbeugungsanalyse mit CuKα-Strahlung in der Phosphosiderit(Metastrengit II)-Kristallstruktur vorliegen, bei einer Temperatur im Bereich von 140 bis 250°C bis auf einen Restwassergehalt von 0 bis 1 Gew.-%, welcher sowohl gebundenes Kristallwasser als auch freies Wasser umfasst, und bis auf einen Kristallwassergehalt ≤ 0,2 H2O dehydratisiert.The invention comprises a process for the preparation of an amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate or a carbon composite of amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate, characterized in that iron (III) orthophosphate of the general formula FePO 4 × 2 H 2 O or carbon composite of iron (III) orthophosphate of the general formula FePO 4 × 2 H 2 O, wherein at least 80% by weight of the iron (III) orthophosphate according to powder X-ray diffraction analysis with CuKα radiation in the phosphosiderite (Metastrengit II) crystal structure, at a temperature in the range of 140 to 250 ° C to a residual water content of 0 to 1 wt .-%, which comprises both bound water of crystallization and free water, and up to a water of crystallization ≤ 0.2 H. 2 O dehydrated.
Vorzugsweise liegen vor der Dehydratisierung wenigstens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt wenigstens 95 gew.-%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 99 Gew.-% des Eisen(III)orthophosphats gemäß Pulverröntgenbeugungsanalyse mit CuKα-Strahlung in der Phosphosiderit(Metastrengit II)-Kristallstruktur vor.Preferably at least 90% by weight, more preferably at least 95% by weight, most preferably at least 99% by weight of the iron (III) orthophosphate according to powder X-ray diffraction analysis with CuKα radiation in the phosphosiderite (Metastrengite II) are present before the dehydration. Crystal structure before.
Die Erfindung umfasst weiterhin amorphes oder amorphisiertes Eisen(III)phosphat-Anhydrat oder Kohlenstoff-Komposit von amorphem oder amorphisiertem Eisen(III)phosphat-Anhydrat, hergestellt oder herstellbar nach dem hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren.The invention further comprises amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate or carbon composite of amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate, prepared or preparable by the method of the invention described herein.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das amorphe oder amorphisierte Eisen(III)phosphat-Anhydrat oder der Kohlenstoff-Komposit von amorphem oder amorphisiertem Eisen(III)phosphat-Anhydrat im Pulverröntgenbeugungsdiffraktogramm Peaks bei 15,9 ± 0,5, 20,0 ± 0,5, 20,95 ± 0,5, 22,4 ± 0,5 und 28,85 ± 0,5 Grad Zwei-Theta, basierend auf CuKα-Strahlung, auf.In one embodiment of the invention, the amorphous or amorphized ferric phosphate anhydrate or the carbon composite of amorphous or amorphized ferric phosphate anhydrate in the powder X-ray diffraction pattern has peaks at 15.9 ± 0.5, 20.0 ± 0 , 5, 20.95 ± 0.5, 22.4 ± 0.5 and 28.85 ± 0.5 degrees two-theta based on CuKα radiation.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können hierin beschriebene Nachteile des Standes der Technik umgangen werden. Das in das Verfahren eingesetzte kristalline Eisen(III)orthophosphat bzw. der Kohlenstoff-Komposit von Eisen(III)orthophosphat mit Phosphosiderit(Metastrengit II)-Kristallstruktur sind bereits großtechnisch verfügbar. Durch die in der
Es wurde überraschend gefunden, dass sich die erfindungsgemäß eingesetzten kristallinen Prekursoren mit Phosphosiderit(Metastrengit II)-Kristallstruktur durch einfaches Erwärmen auf Temperaturen im Bereich von 140 bis 250°C bis auf einen Restwassergehalt im Bereich von 0 bis 1 Gew.-% entwässern lassen, wobei der Begriff Restwassergehalt sowohl gebundenes Kristallwasser als auch adsorbiertes Wasser umfasst. Besonders vorteilhaft sind Restwassergehalte von höchstens 0,5 Gew.-%. Dabei wird vor allem das im Phosphosiderit, welches ein Dihydrat ist, gebundene Kristallwasser im Wesentlichen vollständig entfernt. Bei dieser einfachen Entwässerung verliert der Phosphosiderit vollständig oder nahezu vollständig seinen ursprünglichen kristallinen Charakter unter Erhalt eines amorphen oder amorphisierten Eisen(III)phosphats.It has surprisingly been found that the crystalline precursors with phosphosiderite (Metastrengite II) crystal structure used according to the invention can be dewatered by simply heating to temperatures in the range from 140 to 250 ° C. to a residual water content in the range from 0 to 1% by weight. wherein the term residual water content comprises both bound water of crystallization and adsorbed water. Residual water contents of not more than 0.5% by weight are particularly advantageous. In particular, the water of crystallization bound in phosphosiderite, which is a dihydrate, is essentially completely removed. In this simple dehydration, the phosphosiderite completely or almost completely loses its original crystalline character to give an amorphous or amorphized iron (III) phosphate.
Der Begriff ”amorphisiertes” Eisen(III)phosphat-Anhydrat bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Eisen(III)phosphat-Anhydrat, das in der Pulverröntgenbeugungsanalyse nicht mehr die für ein überwiegend kristallines Material charakteristischen scharfen Peaks zeigt, sondern allenfalls relative niedrige und stark verbreiterte Peaks, die dem Fachmann zeigen, dass das Material überwiegend amorph ist. Ein Beispiel für ein solches Pulverröntgenbeugungsdiffraktogramm eines erfindungsgemäßen amorphisierten Eisen(III)orthophosphat-Anhydrats ist in
Das kristalline Ausgangsmaterial Phosphosiderit zeigt charakteristische Reflexe im Pulverröntgenbeugungsdiffraktogramm mit Peaks bei 13,68 ± 0,05, 18,18 ± 0,05, 24,75 ± 0,05, 32,25 ± 0,05, 32,35 ± 0,05, 34,94 ± 0,05, 35,22 ± 0,05, 42,80 ± 0,05 und 45,16 ± 0,05 Grad Zwei-Theta, basierend auf CuKα-Strahlung. Diese für Phosphosiderit charakteristischen Reflexe können im Pulverdiffraktogramm des erfindungsgemäßen amorphisierten Eisen(III)phosphat-Anhydrats nicht identifiziert werden. Es treten lediglich wenige sehr schwach ausgeprägte und extrem breite Reflexe bei 15,9 ± 0,5, 20,0 ± 0,5, 20,95 ± 0,5, 22,4 ± 0,5 und 28,85 ± 0,5 Grad Zwei-Theta, basierend auf CuKα-Strahlung, auf. Den nur schwach erkennbaren Reflexen kann aufgrund der extremen Reflexbreite und geringen Intensität nicht eindeutig eine bekannte Struktur zugewiesen werden. Eine Ursache für die im amorphisierten Produklt noch feststellbaren Reflexe im Röntgenbeugungsdiffraktogramm könnten geringe im erfindungsgemäßen Produkt verbliebene Anteile von Strengit sein, die im Ausgangsmaterial Phosphosiderit aufgrund ihrer geringen Intensität und wenig kristallinen Ausprägung nicht im Puverdiffraktogramm erkennbar waren (siehe
Der Erhalt des erfindungsgemäßen amorphisierten Eisen(III)phosphat-Anhydrats aus den eingesetzten Prekursoren war überraschend, da in der Literatur (
Das erfindungsgemäß eingesetzte Eisen(III)orthophosphat mit Phosphosiderit(Metastrengit II)-Kristallstruktur, welches nach den Verfahren der
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen amorphen oder amorphisierten Eisen(III)phosphat-Anhydrats bzw. dessen Kohlenstoff-Komposits liegt darin, dass es sich über die Vorstufe des kristallinen Phosphosiderits eindeutig und vollständig hinsichtlich seiner Stöchiometrie charakterisieren lässt. Dies ist bei den in der Literatur beschriebenen amorphen FePO4-Hydraten nicht der Fall, da sich hier zu keinem Zeitpunkt definierte Verbindungen charakterisieren lassen. Es können sich stöchiometrische Abweichung ergeben, wie z. B. die in der Literatur beschriebenen abweichenden Kristallwassergehalte, die sich nach einer weiteren Verarbeitung und in der späteren Verwendung als Kathodenmaterial negativ auf die Leistung des Kathodematerials auswirken, bedingt durch die Bildung von unerwünschten Sekundärphasen.An essential advantage of the amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate or its carbon composite according to the invention is that it can be clearly and completely characterized with regard to its stoichiometry via the precursor of the crystalline phosphosiderite. This is not the case with the amorphous FePO 4 hydrates described in the literature, since compounds which have not been defined at any time can be characterized here. There may be stoichiometric deviation, such. As in the literature described differing water of crystallization, which have a negative effect on the performance of the cathode material after further processing and in the later use as a cathode material, due to the formation of unwanted secondary phases.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sich das erfindungsgemäße amorphe oder amorphisierte Eisen(III)phosphat-Anhydrat bzw. dessen Kohlenstoff-Komposit und dessen Ausgangsverbindung großtechnisch sowie preiswert und ökologisch herstellen lassen.A further advantage of the invention is that the inventive amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate or its carbon composite and its starting compound can be produced industrially as well as inexpensively and ecologically.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Kohlenstoff-Komposit des erfindungsgemäßen amorphen oder amorphisierten Eisen(III)phosphat-Anhydrats seine elektrische Leitfähigkeit bei relativ geringem Kohlenstoffgehalt beibehält. Eine nachträgliche Beschichtung des amorphisierten Materials mit Kohlenstoff ist nicht erforderlich.Another advantage of the invention is that the carbon composite of the amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate of the present invention retains its electrical conductivity at relatively low carbon levels. Subsequent coating of the amorphized material with carbon is not required.
Das erfindungsgemäße amorphisierte Eisen(III)phosphat-Anhydrat bzw. dessen Kohlenstoff-Komposit lässt sich auch problemlos bereits während der Herstellung durch die Wahl einer höheren Trocknungstemperatur erhalten und kann direkt in den hierin beschriebenen Prozess zur Herstellung von LFP bzw. LFP/C eingebracht werden. Bislang waren nur Kohlenstoff-Komposite in kristalliner Form bekannt.The amorphized iron (III) phosphate anhydrate or its carbon composite according to the invention can also be obtained without difficulty during the production by selecting a higher drying temperature and can be introduced directly into the process described here for the production of LFP or LFP / C , So far, only carbon composites have been known in crystalline form.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen amorphen oder amorphisierten Eisen(III)phosphat-Anhydrats besteht darin, dass sich das Material chemisch und elektrochemisch lithiieren lässt. Das bekannte kristalline Material lässt sich hingegen nur thermisch lithiieren, was hohe Temperaturen erfordert und mit den bekannten Nachteilen verbunden ist, wie unerwünschtes Kristallwachstum und versintern der Primärpartikel.Another advantage of the amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate according to the invention is that the material can be lithiated chemically and electrochemically. By contrast, the known crystalline material can only be lithiated thermally, which requires high temperatures and is associated with the known disadvantages, such as undesired crystal growth and sintering of the primary particles.
Es wurde untersucht, ob sich das erfindungsgemäße amorphe oder amorphisierte Eisen(III)phosphat-Anhydrat direkt in Halbzellen als Kathodenmaterial gegen eine Lithiumanode oder unter Verwendung eine Lithium enthaltenden Elektrolyten unter elektrochemischer Lithiierung einsetzen lässt. Dabei zeigte sich zwar zunächst keine außerordentliche Aktivität des Materials, aber das Material ließ sich problemlos elektrochemisch Lithiieren und Delithiieren. Dabei zeigte das erfindungsgemäße amorphe oder amorphisierte Eisen(III)phosphat-Anhydrat eine mit steigender Zyklenzahl ansteigende spezifische Kapazität.It was investigated whether the amorphous or amorphized ferric phosphate anhydrate of the present invention can be used directly in half-cells as a cathode material against a lithium anode or using a lithium-containing electrolyte under electrochemical lithiation. Although initially there was no extraordinary activity of the material, the material was readily electrochemically lithiated and delithiated. In this case, the inventive amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate showed a rising with increasing number of cycles specific capacity.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen amorphen oder amorphisierten Eisen(III)phosphat-Anhydrats gegenüber kristallinem Material bei der Lithiierung beruhen vermutlich auf strukturellen Unterschieden der Materialien. Bei der Lithiierung wird Eisen(III) in Eisen(II) umgewandelt, und Lithiumionen lagern sich zum Ladungsausgleich in Hohlräume der Struktur. Das amorphe oder amorphisierte Material gemäß der Erfindung ist metastabil und weist vermutlich die erforderlichen Hohlräume bereits auf, in die sich die Lithiumionen relativ leicht einlagern können. Beim kristallinen Material sind diese erforderlichen Hohlräume zunächst nicht vorhanden oder mit Kristallwasser besetzt. Erst bei hohen Temperaturen findet eine thermische Umstrukturierung statt, durch welche die für die Einlagerung der Lithiumionen erforderlichen Hohlräume geschaffen werden. Dies ist vermutlich der Grund, weshalb das neue erfindungemäße amorphe oder amorphisierte Eisen(III)phosphat-Anhydrat direkt elektrochemisch oder chemisch lithiierbar ist, was mit einem entsprechenden kristallinen Material nach dem Stand der Technik nicht möglich ist. Das kristalline Material kann nur thermisch lithiiert werden.The advantages of the amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate of the present invention over crystalline material in lithiation are believed to be due to structural differences in the materials. In lithiation, iron (III) is converted to iron (II), and lithium ions are deposited in cavities of the structure to charge balance. The amorphous or amorphized material according to the invention is metastable and presumably already has the required cavities in which the lithium ions can deposit relatively easily. In the crystalline material, these required cavities are initially absent or occupied by water of crystallization. Only at high temperatures, a thermal restructuring takes place, through which the cavities required for the storage of lithium ions are created. This is presumably the reason why the novel amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate according to the invention can be lithiated directly electrochemically or chemically, which is not possible with a corresponding crystalline material according to the prior art. The crystalline material can only be lithiated lithically.
Wenn im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung von einem Restwassergehalt die Rede ist, so umfasst dieser sowohl gebundenes Kristallwasser als auch freies Wasser bzw. freie Feuchte oder Restfeuchte. Demgegenüber bezeichnet der Kristallwassergehalt nur das gebundene Kristallwasser. Ermittelt wird der Restwassergehalt erfindungsgemäß über die Bestimmung des Glühverlustes des Materials durch Erhitzen auf 800°C für 10 Minuten. Die Gewichtsdifferenz vor und nach dieser thermischen Behandlung bezeichnet den Glühverlust und somit den Restwassergehalt im Sinne dieser Erfindung.If a residual water content is mentioned in the context of the present invention, then this includes both bound water of crystallization and free water or free moisture or residual moisture. In contrast, the crystal water content refers only to the bound water of crystallization. The residual water content is determined according to the invention by determining the loss on ignition of the material by heating to 800 ° C. for 10 minutes. The weight difference before and after this thermal treatment denotes the loss on ignition and thus the residual water content in the sense of this invention.
Wie beschrieben, lässt sich das neue erfindungemäße amorphe oder amorphisierte Eisen(III)phosphat-Anhydrat direkt als Kathodenmaterial für Lithiumionen-Akkumulatoren einsetzen. Alternativ lässt sich das Material aber auch chemisch lithiieren und dann direkt als Kathodenmaterial einsetzen oder nach Umwandlung durch Kalzinierung in ein kristallines Material als Kathodenmaterial einsetzen.As described, the novel amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate according to the invention can be used directly as cathode material for lithium-ion accumulators. Alternatively, however, the material can also be lithiated chemically and then used directly as a cathode material or, after conversion by calcination into a crystalline material, used as the cathode material.
Die Erfindung umfasst daher weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines chemisch lithiierten Eisenorthophosphats oder Eisenorthophosphat-Kohlenstoff-Komposits, bei dem man
- a) Eisen(III)orthophosphat der allgemeinen Formel FePO4 × 2 H2O oder Kohlenstoff-Komposit von Eisen(III)orthophosphat der allgemeinen Formel FePO4 × 2 H2O, wobei wenigstens 80 Gew.-% des Eisen(III)orthophosphats gemäß Pulverröntgenbeugungsanalyse in der Phosphosiderit(Metastrengit II)-Kristallstruktur vorliegen, bei einer Temperatur im Bereich von 140 bis 250°C bis auf einen
Restwassergehalt von 0 bis 1 Gew.-%, welcher sowohl gebundenes Kristallwasser als auch freies Wasser umfasst, und bis auf einen Kristallwassergehalt ≤ 0,2 H2O dehydratisiert, - b) das dehydratisierte Eisen(III)phosphat oder den dehydratisierten Kohlenstoff-Komposit von Eisen(III)phosphat in Wasser oder wässrigem Lösungsmittel dispergiert und der
0,8Dispersion bis 1,2 Moläquivalente eines Lithiumsalzes zugibt oder das dehydratisierte Eisen(III)phosphat oder den dehydratisierten Kohlenstoff-Komposit von Eisen(III)phosphat in Wasser oder wässrigem Lösungsmittel dispergiert, welches 0,8bis 1,2 Moläquivalente eines Lithiumsalzes gelöst enthält, wobei sich Moläquivalente auf die molare Menge an Eisen(III) in der Dispersion und Lithium(I)-Ionen in dem Lithiumsalz beziehen, - c) die
0,9wässrige Dispersion mit bis 1,2 Elektronenäquivalenten eines Reduktons umsetzt, wobei ein Elektronenäquivalent Redukton die Menge an Redukton bedeutet, die erforderlich ist, um das in der Dispersion enthaltene Eisen(III) zu Eisen(II) zu reduzieren, - d) das erhaltene Umsetzungsprodukt bei einer Temperatur
im Bereich von 100bis 300°C und/oder unter vermindertem Druck kleiner als Atmosphärendruck trocknet.
- a) iron (III) orthophosphate of the general formula FePO 4 × 2 H 2 O or carbon composite of iron (III) orthophosphate of the general formula FePO 4 × 2 H 2 O, where at least 80% by weight of the iron (III) orthophosphate according to powder X-ray diffraction analysis in the phosphosiderite (Metastrengit II) crystal structure, at a temperature in the range of 140 to 250 ° C to a residual water content of 0 to 1 wt .-%, which comprises both bound water of crystallization and free water, and to dehydrated to a water of crystallization ≤ 0.2 H 2 O,
- b) the dehydrated iron (III) phosphate or the dehydrated carbon composite of iron (III) phosphate dispersed in water or aqueous solvent and the dispersion 0.8 to 1.2 molar equivalents of a lithium salt or the dehydrated iron (III) phosphate or dispersing the dehydrated carbon composite of iron (III) phosphate in water or aqueous solvent containing 0.8 to 1.2 molar equivalents of a lithium salt, with molar equivalents to the molar amount of iron (III) in the dispersion and lithium ( I) ions in the lithium salt,
- c) reacting the aqueous dispersion with 0.9 to 1.2 electron equivalents of a reductone, one electron equivalent of reductone representing the amount of reductone required to reduce the iron (III) present in the dispersion to iron (II),
- d) drying the resulting reaction product at a temperature in the range of 100 to 300 ° C and / or under reduced pressure less than atmospheric pressure.
Vorzugsweise liegen vor der Dehydratisierung wenigstens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt wenigstens 95 gew.-%, ganz besonders bevorzugt wenigstens 99 Gew.-% des Eisen(III)orthophosphats gemäß Pulverröntgenbeugungsanalyse in der Phosphosiderit(Metastrengit II)-Kristallstruktur vor.Preferably, at least 90% by weight, more preferably at least 95% by weight, most preferably at least 99% by weight of the iron (III) orthophosphate according to powder X-ray diffraction analysis in the phosphosiderite (Metastrengite II) crystal structure are present before dehydration.
Aus dem durch Dehydratisierung erhaltenen erfindungsgemäßen amorphisierten Eisen(III)phosphat-Anhydrat lässt sich aufgrund dessen besonderer Eigenschaften eine feine wässrige Dispersion herstellen, wobei einfaches Rühren des Feststoffes in Wasser als Matrix ohne Zusatz von Hilfsstoffen vollkommen ausreichend ist. Selbstverständlich ist dem Fachmann bekannt, dass verschiedene Technologien, wie die Verwendung einer Nassmühle, eines Ultraturrax, von Ultraschall und dergleichen sowie der Zusatz von oberflächenaktiven Substanzen, die Geschwindigkeit und Güte der Dispersionsbildung positiv beeinflussen können. Beim Einsatz von oberflächenaktiven Substanzen ist jedoch zu beachten, dass keine ionischen Kontaminationen eingebracht werden, die sich später negativ in einer Batterieanwendung auswirken. Die Feststoffkonzentration der Dispersion liegt bevorzugt im Bereich von 40 bis 60 Gew.-%.From the obtained according to the invention by dehydration amorphous iron (III) phosphate anhydrate can be prepared due to its special properties, a fine aqueous dispersion, with simple stirring of the solid in water as a matrix without addition of excipients is completely sufficient. Of course, it is known to those skilled in the art that various technologies, such as the use of a wet mill, an Ultraturrax, ultrasound and the like and the addition of surfactants, can positively influence the speed and quality of dispersion formation. However, when using surface-active substances, it should be noted that no ionic contaminants are introduced, which later have a negative effect in a battery application. The solids concentration of the dispersion is preferably in the range of 40 to 60 wt .-%.
In Stufe c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Eisen(III) zu Eisen(II) reduziert unter Verwendung eines oder mehrerer Reduktone. Reduktone sind organische Verbindungen, die an den beiden Kohlenstoffatomen einer C=C-Doppelbindung zwei Hydroxygruppen tragen („Endiole”) sowie zusätzlich direkt am benachbarten Kohlenstoffatom eine Carbonylgruppe aufweisen. Die Doppelbindung dieser Endiole ist wegen der Konjugation mit der Carbonylgruppe stabilisiert; daher liegt im tautomeren Gleichgewicht („Keto-Enol-Tautomerie”) hauptsächlich die Endiolform und nicht die Ketoform vor. Als vinyloge Carbonsäuren reagieren Reduktone sauer. Sie wirken stark reduzierend.In step c) of the process according to the invention, iron (III) is reduced to iron (II) using one or more reductones. Reductones are organic compounds which carry two hydroxy groups on the two carbon atoms of a C =C double bond ("endiols") and additionally have a carbonyl group directly on the adjacent carbon atom. The double bond of these endiols is stabilized because of conjugation with the carbonyl group; therefore, the tautomeric equilibrium ("keto-enol tautomerism") is mainly the endiol form and not the keto form. As vinylogous carboxylic acids, reductones are acidic. They have a strong reducing effect.
In diesem Zusammenhang bezeichnet ein Elektronenäquivalent Redukton die Menge an Redukton, die erforderlich ist, um ein Mol Eisen(III) zu reduzieren. Stellt ein Mol Redukton beispielsweise zwei Elektronen für eine Reduzierung bereit, wie etwa die Ascorbinsäure, so entspricht ein Elektronenäquivalent zur Reduzierung von einem Mol Eisen(III) einem halben Mol Redukton.In this context, one electron equivalent of reductone refers to the amount of reductone required to reduce one mole of iron (III). For example, if one mole of reductone provides two electrons for reduction, such as ascorbic acid, one equivalent of electron equivalent to one mole of iron (III) is equivalent to half a mole of reductone.
Bei der Reduktion des Fe(III) zu Fe(II) verändert sich augenblicklich die Farbe des Gemisches von weiß-gelblich nach schwarz im Falle des Eisen(III)phosphat-Anhydrat und von grau nach schwarz im Falle des Kohlenstoff-Komposits von Eisen(III)phosphat-Anhydrat. Gleichzeitig findet die Oxidation des organischen Reduktionsmittels statt zu Intermediaten in dessen oxidativem Abbauprozess.When the Fe (III) is reduced to Fe (II), the color of the mixture changes from white-yellowish to black in the case of ferric phosphate anhydrate and from gray to black in the case of the carbon composite of iron ( III) phosphate anhydrate. At the same time, the oxidation of the organic reducing agent takes place instead of intermediates in its oxidative degradation process.
Das zuvor dispergierte erfindungsgemäße amorphisierte Eisen(III)phosphat-Anhydrat wird bei der Reduktion nochmals in kleinere Einheiten auf Primärpartikelbasis zerteilt, was sich unter anderem dadurch zeigt, dass sich der erhaltene Feststoffanteil weder durch gängige Filtrationsmethoden noch durch Ultrazentrifugation abtrennen bzw. sedimentieren lässt.The previously dispersed amorphous iron (III) phosphate anhydrate according to the invention is again divided into smaller units on the basis of primary particles during the reduction, as evidenced inter alia by the fact that the solid fraction obtained can neither be removed nor sedimented by customary filtration methods or by ultracentrifugation.
Aus diesem Grund wird das gesamte Gemisch durch Entfernen des Wassers bei erhöhter Temperatur und/oder unter vermindertem Druck getrocknet. Vorteilhaft ist dabei eine permanente Durchmischung während des Trocknungsvorgangs, um keine Konzentrationsgradienten von eventuell gelösten Inhaltstoffen der Mischung zu erzeugen und eine höchstmögliche Homogenität des getrockneten Gemischs zu gewährleisten.For this reason, the entire mixture is dried by removing the water at elevated temperature and / or under reduced pressure. A permanent mixing during the drying process is advantageous in order to produce no concentration gradients of any dissolved ingredients of the mixture and to ensure the highest possible homogeneity of the dried mixture.
Die
Interessant ist dabei, dass das Röntgenbeugungsdiffraktogramm des bei 110°C getrockneten lithiierten Produkts eine vollkommen flache Kurve zeigt (
Die Trocknung des Gemisches kann wahlweise unter Normalatmosphäre und/oder unter Schutzatmosphäre und/oder unter vermindertem Druck erfolgen. Generell ist hierbei eine Durchmischung des Gemisches, z. B. im Trommeltrockner, während der Trocknung bevorzugt, um Entmischungsprozessen aufgrund der Löslichkeit einiger Komponenten in der wässrigen Phase entgegenzuwirken. So kann eine homogene Verteilung aller in diesem Gemisch vorhandenen Komponenten gewährleistet werden. Die Bildung von Sekundärphasen aufgrund von Konzentrationsgradienten bei nicht-homogener Verteilung der Komponenten während einer optionalen anschließenden Kalzinierung kann so vollständig unterdrückt werden. Das Röntgenbeugungsdiffraktogramm eines erfindungsgemäß hergestellten kalzinierten LFP/C zeigt ausschließlich die Reflexe von LFP und einen zusätzlichen Kohlenstoff-Reflex, der bei LFP nicht auftritt.The drying of the mixture can optionally be carried out under normal atmosphere and / or under protective atmosphere and / or under reduced pressure. In general, this is a thorough mixing of the mixture, for. As in the tumble dryer, during drying is preferred to counteract segregation processes due to the solubility of some components in the aqueous phase. This ensures a homogeneous distribution of all components present in this mixture. The formation of secondary phases due to concentration gradients with non-homogeneous distribution of the components during optional subsequent calcination can thus be completely suppressed. The X-ray diffraction pattern of a calcined LFP / C produced according to the invention shows exclusively the reflections of LFP and an additional carbon reflex, which does not occur in LFP.
Bei Trocknung unter Normalatmosphäre, bevorzugt ist hierbei eine Umlufttrocknung, kommt es bei höheren Temperaturen ab etwa 100°C, bevorzugt sind 100 bis 200°C Produkttemperatur, zur partiellen oberflächlichen Oxidation des zuvor durch das Redukton reduzierten Eisen(II). Andererseits kann dadurch der durch das Redukton eingebrachte Anteil an organischen Bestandteilen entfernt werden, da die oxidativen Abbauprodukte und Intermediate des Reduktons bei diesen Temperaturen flüchtig sind. Wird dieser Prozess unter Vakuum bzw. gegenüber Atmosphärendruck vermindertem Druck durchgeführt, kann eine Oxidation weitestgehend verhindert werden, und die organischen Bestandteile können zudem bei geringeren Temperaturen entfernt werden. Dieses Verfahren wird bevorzugt zur Herstellung von LFP/C mit geringem Kohlenstoffgehalt im Bereich von etwa 2 bis 4 Gew.-% eingesetzt.When drying under normal atmosphere, this is preferably a circulating air drying, it comes at higher temperatures from about 100 ° C, preferably 100 to 200 ° C product temperature, the partial surface oxidation of previously reduced by the reductone iron (II). On the other hand, as a result, the proportion of organic constituents introduced by the reductone can be removed, since the oxidative degradation products and intermediates of the reductone are volatile at these temperatures. If this process is carried out under vacuum or at atmospheric pressure reduced pressure, oxidation can be largely prevented, and the organic constituents can also be removed at lower temperatures. This process is preferably used to produce low carbon LFP / C in the range of about 2 to 4 wt%.
Die Trocknung unter Schutzatmosphäre, z. B. unter Stickstoff, oder im Vakuum bei 60 bis 350°C entfernt die organischen Bestandteile nur teilweise. So wurde ein Kohlenstoffgehalt von etwa 12 Gew.-% in einer unter Schutzatmosphäre kalzinierten Probe analysiert, die zuvor bei 60°C unter Vakuum getrocknet wurde.The drying under a protective atmosphere, for. B. under nitrogen, or in vacuo at 60 to 350 ° C, the organic components removed only partially. Thus, a carbon content of about 12% by weight was analyzed in a protective atmosphere calcined sample previously dried at 60 ° C under vacuum.
Aufgrund der möglichen elektrochemischen Lithiierung und des direkten Einsatzes des erfindungsgemäßen amorphisierten Eisen(III)phosphat-Anhydrats als Kathodenmaterial sowie der guten Leistung von aus dem erfindungsgemäßem amorphisiertem Eisen(III)phosphat-Anhydrat durch Kalzinierung hergestellten LFP bzw. LFP/C liegt der Schluss nahe, dass auch das chemisch lithiierte amorphe Eisen(III)phosphat-Anhydrat direkt als Kathodenmaterial in elektrochemischen Zellen eingesetzt werden kann. Der Vorteil des Einsatzes dieser Variante gegenüber den in der Literatur eingesetzten amorphen Eisen(III)phosphat-Hydraten liegt darin, dass bereits 1 bis 1,05 Moläquivalente Lithiumkationen in dieser Verbindung vorliegen und somit das zur Lithiierung notwendige Lithium nicht über den Elektrolyten bzw. über die Anode – typischerweise metallische Lithiumfolie – bereitgestellt werden muss. Der Vorteil gegenüber durch Kalzinierung erzeugtem LFP bzw. LFP/C liegt darin, dass eben auf die Kalzinierung verzichtet werden kann.On account of the possible electrochemical lithiation and the direct use of the amorphized iron (III) phosphate anhydrate according to the invention as cathode material and the good performance of LFP or L produced by the amorphous iron (III) phosphate anhydrate according to the invention by calcination, the conclusion is close in that the chemically lithiated amorphous iron (III) phosphate anhydrate can also be used directly as cathode material in electrochemical cells. The advantage of using this variant over the amorphous iron (III) phosphate hydrates used in the literature is that already 1 to 1.05 molar equivalents of lithium cations are present in this compound and thus the lithium required for lithiation is not available via the electrolyte or via the anode - typically metallic lithium foil - must be provided. The advantage over LFP or LFP / C produced by calcination lies in the fact that calcination can be dispensed with.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das getrocknete erfindungsgemäße lithiierte Eisen(III)phosphat-Anhydrat oder der Kohlenstoff-Komposit davon bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 800°C für eine Dauer von 1 bis 24 Stunden kalziniert.In one embodiment of the invention, the dried lithiated iron (III) phosphate anhydrate according to the invention or the carbon composite thereof is calcined at a temperature in the range of 400 to 800 ° C for a period of 1 to 24 hours.
Bevorzugt wird das Kalzinieren des getrockneten Produktes bei einer Temperatur im Bereich von 450 bis 700°C, vorzugsweise 500 bis 650°C und/oder für eine Dauer von 1 bis 12 Stunden, bevorzugt 2 bis 6 Stunden durchgeführt.Preferably, the calcination of the dried product is carried out at a temperature in the range of 450 to 700 ° C, preferably 500 to 650 ° C and / or for a period of 1 to 12 hours, preferably 2 to 6 hours.
Eine zu hohe Kalzinierungstemperatur hat den Nachteil, dass in verstärktem Maße Kristallwachstum und Versinterung auftritt. Eine zu niedrige Kalzinierungstemperatur hat den Nachteil, dass gegebenenfalls nicht-kristalline Bereiche im Produkt verbleiben und/oder ggf. organische Bestandteile in verstärktem Maße im Produkt verbleiben. Organische Bestandteile können eine elektrisch isolierende Wirkung aufweisen.Too high a calcination temperature has the disadvantage that crystal growth and sintering occur to a greater extent. A too low calcining temperature has the disadvantage that non-crystalline areas may remain in the product and / or organic components may possibly remain in the product to a greater extent. Organic constituents can have an electrically insulating effect.
Zur weiteren Reduktion des Kohlenstoffgehaltes in einem durch Kalzinierung hergestellten LFP bzw. LFP/C kann bei der Kalzinierung ein Sauerstoffpartialdruck eingestellt werden. Dabei kann der Sauerstoffpartialdruck so eingestellt werden, dass eine teilweise Oxidation von Fe2+ zu Fe2+ durch den im Gemisch vorhandenen organischen Anteil kompensiert wird. Dem Fachmann ist bekannt, dass organische Zusätze in Form von z. B. Kohlenwasserstoffen, Kohlenhydraten, Polymeren oder ähnlichem bzw. Graphit oder anderen Kohlenstoffmodifikationen eine effiziente Reduktion von Fe3+ zu Fe2+ bei einer Kalzinierung gewährleisten.For further reduction of the carbon content in an LFP or LFP / C produced by calcining, an oxygen partial pressure can be set during the calcination. In this case, the oxygen partial pressure can be adjusted so that a partial oxidation of Fe 2+ to Fe 2+ is compensated by the organic content present in the mixture. The skilled worker is aware that organic additives in the form of z. As hydrocarbons, carbohydrates, polymers or the like or graphite or other carbon modifications ensure efficient reduction of Fe 3+ to Fe 2+ in a calcination.
Die Kalzinierungstemperaturen und Verweilzeiten können so gewählt werden, dass die Bildung einer reinen LFP-Phase induziert wird. Die Versuche haben ergeben, dass bereits bei Temperaturen ≤ 550°C reine LFP-Phasen (siehe
Das so erhaltenen LFP bzw. dessen Kohlenstoff-Komposit LFP/C kann eine spezifische Oberfläche von > 80 m2/g aufweisen. Bei höheren Kalzinierungstemperaturen im Bereich von 600 bis 800°C tritt ein Partikelwachstum bedingt durch ein Versintern der eingebrachten Primärpartikel ein. Je nach gewählter Temperatur und Verweilzeit des Gemisches während der Kalzinierung lässt sich eine Partikelgrößenverteilung und Morphologie gezielt einstellen. Dabei wird auch die spezifische Oberfläche des LFP bzw. LFP/C verringert und lässt sich gezielt beeinflussen.The resulting LFP or its carbon composite LFP / C may have a specific surface area of> 80 m 2 / g. At higher calcination temperatures in the range of 600 to 800 ° C, particle growth occurs due to sintering of the introduced primary particles. Depending on the selected temperature and residence time of the mixture during calcination, a particle size distribution and morphology can be adjusted in a targeted manner. The specific surface of the LFP or LFP / C is also reduced and can be selectively influenced.
Aufgrund der kurzen Diffusionstrecken eines nanoskaligen Materials weist eine bei nicht mehr als 550°C kalzinierte LFP-Probe gute Leistung bei schnellen Entladeraten auf. Mehr als 50% der unter C/10 speicherbaren Energie lassen sich bei einer Entladerate von 20C (Entladung innerhalb von 3 Minuten) entnehmen. Ein Ladestrom von 1 C bedeutet, dass eine Zelle, deren Kapazität z. B. mit 2 Ah angegeben ist, mit einem Ladestrom von 2 A für 1 Stunde geladen wird und dann die Energiemenge 2 Ah enthält. Das Laden mit C/10 bedeutet, dass die Zelle mit einem zehntel des ihrer Kapazität entsprechenden Ladestromes geladen wurde, was allerdings dann auch 10 mal so lange dauert, d. h. 10 Stunden. Diese Konvention wird allgemein verwendet, um Zellen ohne Berücksichtigung der realen Kapazitäten vergleichen zu können. Das Laden mit C/10 ist bei Belastungstests üblich, da dies eine besonders schonende und vollständige Ladung bewirkt. Eine Entladerate von 20C bedeutet, dass die Entladung während 1/20-tel Stunde, d. h. in 3 Minuten erfolgt. LFP bzw. LFP/C mit geringen spezifischen Oberflächen, d. h. größeren Partikeln, ließen sich bei solch hohen Entladeraten nicht elektrochemisch ansprechen. Alle hergestellten Aktivmaterialien zeigen gute Zyklierbarkeit über 30 Lade/Entladevorgänge bei 0,5C/0,5C.Due to the short diffusion distances of a nanoscale material, an LFP sample calcined at not more than 550 ° C has good performance at fast discharge rates. More than 50% of the energy that can be stored under C / 10 can be taken out at a discharge rate of 20C (discharge within 3 minutes). A charging current of 1 C means that a cell whose capacity z. B. with 2 Ah, is charged with a charging current of 2 A for 1 hour and then contains the amount of
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der pH-Wert der wässrigen Dispersion des dehydratisierten Eisen(III)phosphats oder des dehydratisierten Kohlenstoff-Komposits von Eisen(III)phosphat vor der Zugabe des Lithiumsalzes und vor der Zugabe des Reduktons auf einen Wert ≤ 7,0, vorzugsweise ≤ 6,5, besonders bevorzugt ≤ 6,0 eingestellt und/oder gepuffert, wobei zum Einstellen und/oder Puffern des pH-Wertes bevorzugt organische Carbonsäuren und/oder deren Anhydride und/oder deren Lithiumsalze, besonders bevorzugt Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, n-Butansäure, Pentansäure und/oder deren Anhydride und/oder deren Lithiumsalze verwendet werden.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the pH of the aqueous dispersion of the dehydrated iron (III) phosphate or the dehydrated carbon composite of iron (III) phosphate before the addition of the lithium salt and before the addition of the reductone to a value ≤ 7.0, preferably ≤ 6.5, more preferably ≤ 6.0 set and / or buffered, wherein for adjusting and / or buffering the pH preferably organic carboxylic acids and / or their anhydrides and / or their lithium salts, particularly preferably formic acid , Acetic acid, propionic acid, n-butanoic acid, pentanoic acid and / or their anhydrides and / or their lithium salts.
Ist der pH-Wert der wässrigen Dispersion zu hoch, kann dies während der Zugabe des Lithiumsalzes, insbesondere bei LiOH, lokal zu pH-Werten > 7 führen, d. h. die lokale Pufferwirkung an der Eintropfstelle des LiOH ist unzureichend, wobei sich Eisenhydroxide bzw. Eisenoxidhydroxide und/oder Eisenoxidhydrate bilden können, die anschließend nicht wie gewünscht reagieren.If the pH of the aqueous dispersion is too high, this can lead locally to pH values> 7 during the addition of the lithium salt, in particular in the case of LiOH. H. the local buffering effect at the dropping point of the LiOH is insufficient, whereby iron hydroxides or iron oxide hydroxides and / or iron oxide hydrates may form which subsequently do not react as desired.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Lithiumsalz in einer Menge von 0,9 bis 1,1, besonders bevorzugt in einer Menge von 1,0 bis 1,05 Moläquivalenten in der wässrigen Dispersion eingesetzt und/oder das Redukton in einer Menge von 1,0 bis 1,05 Elektronenäquivalenten der wässrigen Dispersion eingesetzt.In a further preferred embodiment of the process according to the invention, the lithium salt is used in an amount of 0.9 to 1.1, more preferably in an amount of 1.0 to 1.05 molar equivalents in the aqueous dispersion and / or the reductone in an amount from 1.0 to 1.05 electron equivalents of the aqueous dispersion used.
Wird das Lithiumsalz in zu hoher Menge eingesetzt, können sich ggf. in einer späteren Kalzinierungsreaktion unerwünschte lithiumreiche Sekundärphasen bilden. Wird das Lithiumsalz in zu niedriger Menge eingesetzt, können sich ggf. in einer späteren Kalzinierungsreaktion unerwünschte lithiumarme Sekundärphasen bilden.If the lithium salt is used in too high an amount, unwanted lithium-rich secondary phases may possibly form in a later calcination reaction. If the lithium salt is used in too low an amount, unwanted lithium-poor secondary phases may possibly form in a later calcination reaction.
Wird das Redukton in zu hoher Menge eingesetzt, besteht die Gefahr, dass ein Überschuss an Redukton den weiteren Verlauf der Reaktionen negativ beeinflusst. Zudem ist dies ein unnötiger Kostenaspekt. Wird das Redukton in zu niedriger Menge eingesetzt, besteht die Gefahr, dass die Reduktion des Fe3+ nicht vollständig abläuft und damit keine stöchiometrische Menge an Lithiumionen eingelagert wird.If the reductone is used in excess, there is a risk that an excess of reductone will adversely affect the further course of the reactions. Moreover, this is an unnecessary cost aspect. If the reductone is used in an excessively low amount, there is a risk that the reduction of the Fe 3+ does not proceed completely and thus no stoichiometric amount of lithium ions is stored.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Lithiumsalz in der wässrigen Dispersion aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Lithiumhydroxid (LiOH), Lithiumcarbonat (Li2CO3), Lithiumacetat, Lithiumformiat und Gemischen davon.In a further preferred embodiment of the process according to the invention, the lithium salt in the aqueous dispersion is selected from the group consisting of lithium hydroxide (LiOH), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium acetate, lithium formate and mixtures thereof.
Die Verwendung dieser Lithiumsalze hat den Vorteil, dass durch das Lithiumsalz keine störenden Anionenkontaminationen in das Endprodukt eingebracht werden, wie beispielsweise Sulfationen oder Nitrationen. Organische Anionen, wie Acetat, werden beim späteren Kalzinieren oxidiert und/oder ausgetrieben.The use of these lithium salts has the advantage that the lithium salt does not introduce interfering anion contaminants into the final product, for example sulfate ions or nitrate ions. Organic anions, such as acetate, are oxidized and / or expelled during later calcining.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Redukton aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Tartronaldehyd (Hydroxypropandial), Ascorbinsäure, Reduktinsäure (2,3-Dihydroxy-2-cyclopentenon), Acetylformoin und Gemischen der vorgenannten, wobei das Redukton vorzugsweise Ascorbinsäure ist.In a further preferred embodiment of the process according to the invention, the reductone is selected from the group consisting of tartronaldehyde (hydroxypropanedial), ascorbic acid, reductic acid (2,3-dihydroxy-2-cyclopentenone), acetylformoin and mixtures of aforementioned, wherein the reductone is preferably ascorbic acid.
Die erfindungsgemäße Verwendung der vorgenannten Reduktone zur Reduzierung des Eisen(III) zu Eisen(II) hat gegenüber anderen bekannten Reduktionsmitteln den Vorteil, dass sie mit Wasser als Reaktionsmatrix kompatibel sind und auch hohe Löslichkeiten aufweisen, insbesondere im Vergleich mit Alkoholen.The inventive use of the abovementioned reductones for reducing the iron (III) to iron (II) has the advantage over other known reducing agents that they are compatible with water as a reaction matrix and also have high solubilities, in particular in comparison with alcohols.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Trocknen des Umsetzungsproduktes in Stufe d) unter Mischen. Durch permanentes Mischen während des Trocknungsvorgangs wird die Entstehung von Konzentrationsgradienten von eventuell gelösten Stoffen verhindert und eine hohe Homogenität des getrockneten Produktes gewährleistet.In a further preferred embodiment of the process according to the invention, the drying of the reaction product in stage d) takes place with mixing. By permanent mixing during the drying process, the formation of concentration gradients of any dissolved substances is prevented and ensures a high homogeneity of the dried product.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das in Stufe a) erhaltene dehydratisierte Eisen(III)phosphat oder der dehydratisierte Kohlenstoff-Komposit von Eisen(III)phosphat im Pulverröntgenbeugungsdiffraktogramm Peaks bei 15,9 ± 0,5, 20,0 ± 0,5, 20,95 ± 0,5, 22,4 ± 0,5 und 28,85 ± 0,5 Grad Zwei-Theta, basierend auf CuKα-Strahlung, auf. Dieses amorphisierte Produkt hat die hierin beschriebenen Vorteile.In a further preferred embodiment of the process according to the invention, the dehydrated iron (III) phosphate obtained in stage a) or the dehydrated carbon composite of iron (III) phosphate has peaks in the powder X-ray diffraction pattern at 15.9 ± 0.5, 20.0 ± 0 , 5, 20.95 ± 0.5, 22.4 ± 0.5 and 28.85 ± 0.5 degrees two-theta based on CuKα radiation. This amorphized product has the advantages described herein.
Erfindungsgemäß ganz besonders vorteilhaft ist das hierin eingesetzte Eisen(III)orthophosphat oder der Kohlenstoff-Komposit von Eisen(III)orthophosphat mit Phosphosiderit(Metastrengit II)-Kristallstruktur ein gemäß der
Die Herstellung von Eisen(III)orthophosphat mit Phosphosiderit(Metastrengit II)-Kristallstruktur gemäß
- 1. Herstellung von Eisen(III)orthophosphat der allgemeinen Formel FePO4 × nH2O (n ≤ 2,5), durch ein Verfahren, bei dem man Eisen(II)-, Eisen(III)- oder gemischte Eisen(II,III)-Verbindungen, ausgewählt unter Hydroxiden, Oxiden, Oxidhydroxiden, Oxidhydraten, Carbonaten und Hydroxidcarbonaten, mit Phosphorsäure mit einer Konzentration im Bereich von 5
% bis 50% umsetzt, nach der Umsetzung gegebenenfalls vorhandenes Eisen(II) durch Zugabe eines Oxidationsmittels in Eisen(III) überführt und festes Eisen(III)orthophosphat aus dem Reaktionsgemisch abtrennt. - 2. Vorzugsweise wird die Umsetzung der Eisenverbindungen mit Phosphorsäure bei einer Temperatur
im Bereich von 50°C bis 180°C, vorzugsweiseim Bereich von 60°C bis 150°C, besonders bevorzugtim Bereich von 70°C bis 120°C durchgeführt. - 3. Weiterhin vorzugsweise wird die Umsetzung der Eisenverbindungen mit Phosphorsäure unter intensivem Durchmischen durchgeführt.
- 4. Weiterhin vorzugsweise wird die Umsetzung der Eisenverbindungen mit Phosphorsäure für einen
Zeitraum von 0,5 min bis 120 min, vorzugsweise von 1min bis 60 min, besonders bevorzugtvon 2min bis 30 min durchgeführt. - 5. Weiterhin vorzugsweise wird die Umsetzung der Eisenverbindungen mit Phosphorsäure mit einer Konzentration
im Bereich von 8% bis 23% durchgeführt. - 6. Weiterhin vorzugsweise wird die Oxidation von gegebenenfalls vorhandenem Eisen(II) durch Zugabe von Wasserstoffperoxid (H2O2) oder durch Zuführung von Luft, reinem Sauerstoff oder Ozon durchgeführt.
- 7. Weiterhin vorzugsweise wird das Eisen(III)orthophosphat nach der Abtrennung aus dem Reaktionsgemisch bei erhöhter Temperatur und/oder unter vermindertem Druck getrocknet.
- 8. Weiterhin vorzugsweise liegen > 80 Gew.-%, vorzugsweise > 90 Gew.-%, besonders bevorzugt > 95 Gew.-% des Eisen(III)orthophosphats in der Metastrengit II-(Phosphosiderit-)Kristallstruktur vor.
- 9. Weiterhin vorzugsweise besitzt das Eisen(III)orthophosphat zumindest in einer Dimension eine mittlere Primärteilchengröße < 1 μm, vorzugsweise < 500 nm, besonders bevorzugt < 100 nm.
- 10. Weiterhin vorzugsweise weist das Eisen(III)orthophosphat eine Schüttdichte > 600 g/l, vorzugsweise > 800 g/l, besonders bevorzugt > 1000 g/l auf.
- 11. Weiterhin vorzugsweise weist das Eisen(III)orthophosphat einen Gehalt an Natrium und Kalium von jeweils < 300 ppm auf.
- 12. Weiterhin vorzugsweise weist das Eisen(III)orthophosphat einen Schwefelgehalt < 300 ppm auf.
- 13. Weiterhin vorzugsweise weist das Eisen(III)orthophosphat einen Nitratgehalt < 100 ppm auf.
- 1. Preparation of iron (III) orthophosphate of the general formula FePO 4 × nH 2 O (n ≦ 2.5), by a process in which iron (II), iron (III) or mixed iron (II, III) compounds, selected from hydroxides, oxides, oxide hydroxides, oxide hydrates, carbonates and hydroxide carbonates, with phosphoric acid having a concentration in the range of 5% to 50%, after the reaction optionally present iron (II) by adding an oxidizing agent in iron ( III) and solid iron (III) orthophosphate separated from the reaction mixture.
- 2. Preferably, the reaction of the iron compounds with phosphoric acid at a temperature in the range of 50 ° C to 180 ° C, preferably in the range of 60 ° C to 150 ° C, more preferably carried out in the range of 70 ° C to 120 ° C.
- 3. Further preferably, the reaction of the iron compounds with phosphoric acid is carried out with thorough mixing.
- 4. It is further preferred to carry out the reaction of the iron compounds with phosphoric acid for a period of from 0.5 minutes to 120 minutes, preferably from 1 minute to 60 minutes, more preferably from 2 minutes to 30 minutes.
- 5. Further preferably, the reaction of the iron compounds with phosphoric acid is carried out at a concentration in the range of 8% to 23%.
- 6. Further preferably, the oxidation of optionally present iron (II) by addition of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) or by supplying air, pure oxygen or ozone is performed.
- 7. Further preferably, the iron (III) orthophosphate is dried after separation from the reaction mixture at elevated temperature and / or under reduced pressure.
- 8. Further preferably,> 80 wt .-%, preferably> 90 wt .-%, particularly preferably> 95 wt .-% of iron (III) orthophosphats in the Metastrengit II (phosphosiderite) crystal structure before.
- 9. Further preferably, the iron (III) orthophosphate has an average primary particle size <1 μm, preferably <500 nm, particularly preferably <100 nm, at least in one dimension.
- 10. Further preferably, the iron (III) orthophosphate has a bulk density> 600 g / l, preferably> 800 g / l, more preferably> 1000 g / l.
- 11. Further preferably, the iron (III) orthophosphate has a content of sodium and potassium of <300 ppm.
- 12. Further preferably, the iron (III) orthophosphate has a sulfur content <300 ppm.
- 13. Further preferably, the iron (III) orthophosphate has a nitrate content <100 ppm.
Die Herstellung von Eisen(III)orthophosphat mit Phosphosiderit(Metastrengit II)-Kristallstruktur gemäß
- 1. Herstellung von Eisen(III)orthophosphat der allgemeinen Formel FePO4 × nH2O (n ≤ 2,5) durch ein Verfahren, bei dem man a) eine Fe2+-Ionen enthaltende wässrige Lösung herstellt, indem man oxidische Eisen(II)-, Eisen(III)- oder gemischte Eisen(II,III)-Verbindungen, ausgewählt unter Hydroxiden, Oxiden, Oxidhydroxiden, Oxidhydraten, Carbonaten und Hydroxidcarbonaten, zusammen mit elementarem Eisen in ein Phosphorsäure enthaltendes wässriges Medium einbringt und Fe2+-Ionen in Lösung bringt und Fe3+ mit elementarem Fe (in einer Komproportionierungsreaktion) zu Fe2+ umsetzt, b) Feststoffe von der phosphorsauren wässrigen Fe2 +-Lösung abtrennt, c) zu der phosphorsauren wässrigen Fe2 +-Lösung ein Oxidationsmittel zugibt, um Eisen(II) in der Lösung zu oxidieren, und Eisen(III)orthophosphat der allgemeinen Formel FePO4 × nH2O ausfällt.
- 2. Vorzugsweise gibt man der phosphorsauren wässrigen Lösung Fällungsreagenzien zu, um Feststoffe aus der Lösung auszufällen und von der phosphorsauren wässrigen Fe2 +-Lösung abzutrennen, und/oder scheidet in der phosphorsauren wässrigen Lösung gelöste Metalle elektrolytische aus der Lösung ab.
- 3. Weiterhin vorzugsweise führt man die Umsetzung der oxidischen Eisenverbindungen zusammen mit elementarem Eisen in Phosphorsäure enthaltendem wässrigem Medium (Stufe a) bei einer Temperatur im Bereich von 15°C bis 90°C, vorzugsweise
im Bereich von 20°C bis 75°C, besonders bevorzugt im Bereich von 25°C bis 65°C, und/oder unter intensivem Durchmischen durch. - 4. Weiterhin vorzugsweise führt man die Umsetzung der oxidischen Eisenverbindungen zusammen mit elementarem Eisen in Phosphorsäure enthaltendem wässrigem Medium (Stufe a) für einen Zeitraum von 1 min bis 120 min, vorzugsweise von 5
min bis 60 min, besonders bevorzugtvon 20min bis 40 min durch. - 5. Weiterhin vorzugsweise beträgt die Konzentration der Phosphorsäure in dem wässrigen Medium 5% bis 85%, vorzugsweise 10
% bis 40%, besonders bevorzugt 15% bis 30%, bezogen auf das Gewicht der wässrigen Lösung. - 6. Weiterhin vorzugsweise ist das Oxidationsmittel, welches zugegeben wird, um Eisen(II) in der Lösung zu oxidieren, eine wässrige Lösung von Wasserstoffperoxid (H2O2), bevorzugt mit einer Konzentration von 15
bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 30bis 40 Gew.-%. - 7. Alternativ ist das Oxidationsmittel, welches zugegeben wird, um Eisen(II) in der Lösung zu oxidieren, ein unter Luft, reinem Sauerstoff oder Ozon ausgewähltes gasförmiges Medium, welches in die wässrige Lösung eingeblasen wird.
- 8. Weiterhin vorzugsweise trennt man das Eisen(III)orthophosphat nach dem Ausfällen von der wässrigen Lösung ab und trocknet es vorzugsweise nach dem Abtrennen bei erhöhter Temperatur und/oder unter vermindertem Druck.
- 9. Weiterhin vorzugsweise besitzt das Eisen(III)orthophosphat zumindest in einer Dimension eine mittlere Primärteilchengröße < 1 μm, vorzugsweise < 500 nm, besonders bevorzugt < 300 nm, ganz besonders bevorzugt < 100 nm.
- 10. Weiterhin vorzugsweise weist das Eisen(III)orthophosphat eine Schüttdichte > 400 g/l, vorzugsweise > 700 g/l, besonders bevorzugt > 1000 g/l und/oder eine Stampfdichte > 600 g/l, vorzugsweise > 750 g/l, besonders bevorzugt > 1100 g/l auf.
- 11. Weiterhin vorzugsweise weist das Eisen(III)orthophosphat einen Gehalt an Natrium und Kalium von jeweils < 300 ppm, vorzugsweise < 200 ppm, besonders bevorzugt < 100 ppm auf und/oder einen Schwefelgehalt von < 300 ppm, vorzugsweise < 200 ppm, besonders bevorzugt < 100 ppm und/oder einen Nitratgehalt von < 300 ppm, vorzugsweise < 200 ppm, besonders bevorzugt < 100 ppm und/oder einen Gehalt an Metallen und Übergangsmetallen, ausgenommen Eisen, von jeweils < 300 ppm, vorzugsweise < 200 ppm, besonders bevorzugt < 100 ppm.
- 1. Preparation of iron (III) orthophosphate of the general formula FePO 4 × nH 2 O (n ≦ 2.5) by a process in which a) an aqueous solution containing Fe 2+ ions is prepared by oxidizing oxidic iron ( II), iron (III) or mixed iron (II, III) compounds selected from hydroxides, oxides, oxide hydroxides, oxide hydrates, carbonates and hydroxide carbonates, together with elemental iron in a phosphoric acid-containing aqueous medium is introduced and brings Fe 2+ ions in solution and Fe 3+ with elemental Fe (in a comproportionation) to Fe 2+ reacted, b) separating solids from the phosphoric acid aqueous Fe 2+ solution, c) the phosphoric acid aqueous Fe 2 + solution adds an oxidizing agent to oxidize iron (II) in the solution, and iron (III) orthophosphate of the general formula FePO 4 × nH 2 O precipitates.
- 2. Preferably is the phosphoric acid aqueous solution precipitation reagents to precipitate solids from the solution and separate + solution from the phosphoric acid aqueous Fe 2, and / or eliminated in the phosphoric acid aqueous solution dissolved metals electrolytic from the solution.
- 3. Further preferably, the reaction of the oxidic iron compounds is carried out together with elemental iron in aqueous medium containing phosphoric acid (step a) at a temperature in the range of 15 ° C to 90 ° C, preferably in the range of 20 ° C to 75 ° C, more preferably in the range of 25 ° C to 65 ° C, and / or under intense mixing by.
- 4. Further preferably, the reaction of the oxidic iron compounds together with elemental iron in aqueous medium containing phosphoric acid (step a) for a period of 1 min to 120 min, preferably from 5 min to 60 min, more preferably from 20 min to 40 min by.
- 5. Further preferably, the concentration of phosphoric acid in the aqueous medium is 5% to 85%, preferably 10% to 40%, particularly preferably 15% to 30%, based on the weight of the aqueous solution.
- 6. Further preferably, the oxidizing agent which is added to oxidize iron (II) in the solution, an aqueous solution of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), preferably at a concentration of 15 to 50 wt .-%, particularly preferred From 30 to 40% by weight.
- 7. Alternatively, the oxidizing agent added to oxidize iron (II) in the solution is a gaseous medium selected from air, pure oxygen or ozone, which is injected into the aqueous solution.
- 8. Furthermore, the iron (III) orthophosphate is preferably separated off after precipitation from the aqueous solution, and it is preferably dried after separation at elevated temperature and / or under reduced pressure.
- 9. Further preferably, the iron (III) orthophosphate has at least in one dimension an average primary particle size <1 .mu.m, preferably <500 nm, more preferably <300 nm, most preferably <100 nm.
- 10. Further preferably, the iron (III) orthophosphate has a bulk density> 400 g / l, preferably> 700 g / l, more preferably> 1000 g / l and / or a tamped density> 600 g / l, preferably> 750 g / l , particularly preferably> 1100 g / l.
- 11. Further preferably, the iron (III) orthophosphate has a content of sodium and potassium of <300 ppm, preferably <200 ppm, more preferably <100 ppm and / or a sulfur content of <300 ppm, preferably <200 ppm, especially preferably <100 ppm and / or a nitrate content of <300 ppm, preferably <200 ppm, more preferably <100 ppm and / or a content of metals and transition metals, except iron, of <300 ppm, preferably <200 ppm, more preferably <100 ppm.
Die Herstellung von Kohlenstoff-Komposit von Eisen(III)orthophosphat mit Phosphosiderit (Metastrengit II)-Kristallstruktur gemäß
- 1. Herstellung eines Eisen(III)orthophosphat-Kohlenstoff-Komposits, welcher Eisen(III)orthophosphat der allgemeinen Formel FePO4 × nH2O (n ≤ 2,5) enthält, bei dem man eine Kohlenstoffquelle in einer phosphorsauren wässrigen Fe2+-Ionen enthaltenden Lösung dispergiert und unter Zugabe eines Oxidationsmittels zu der Dispersion Eisen(III)orthophosphat-Kohlenstoff-Komposit (FOP/C) aus der wässrigen Lösung ausfällt und abtrennt.
- 2. Vorzugsweise wird die wässrige Fe2+-Ionen enthaltende Lösung hergestellt, indem man oxidische Eisen(II)-, Eisen(III)- oder gemischte Eisen(II,III)-Verbindungen, ausgewählt unter Hydroxiden, Oxiden, Oxidhydroxiden, Oxidhydraten, Carbonaten und Hydroxidcarbonaten, zusammen mit elementarem Eisen in ein Phosphorsäure enthaltendes wässriges Medium einbringt und Fe2+-Ionen in Lösung bringt und Fe3+ mit elementarem Fe (in einer Komproportionierungsreaktion) zu Fe2+ umsetzt und anschließend Feststoffe von der phosphorsauren wässrigen Fe2 +-Lösung abtrennt.
- 3. Weiterhin vorzugsweise umfasst die Kohlenstoffquelle elementaren Kohlenstoff oder besteht ausschließlich aus elementarem Kohlenstoff, wobei der elementare Kohlenstoff vorzugsweise ausgewählt ist unter Graphit, expandiertem Graphit, Rußen, wie Carbon Black oder Kienruß, Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT), Fullerenen, Graphen, Glaskohlenstoff (glasartigem Kohlenstoff), Kohlefasern, Aktivkohle oder Gemischen davon.
- 4. Weiterhin vorzugsweise umfasst die Kohlenstoffquelle neben elementarem Kohlenstoff organische Verbindungen, wobei die organischen Verbindungen vorzugsweise ausgewählt sind unter Kohlenwasserstoffen, Alkoholen, Aldehyden, Karbonsäuren, Tensiden, Oligomeren, Polymeren, Kohlenhydraten oder Gemischen davon.
- 5. Weiterhin vorzugsweise enthält die Dispersion der Kohlenstoffquelle in der phosphorsauren wässrigen Fe2+-Ionen enthaltenden Lösung die Kohlenstoffquelle in einer Menge von 1
bis 10 Gew.-% Kohlenstoff, vorzugsweise 1,5 bis 5 Gew.-% Kohlenstoff, besonders bevorzugt 1,8bis 4 Gew.-% Kohlenstoff, bezogen auf das Gewicht von gefälltem FOP. - 6. Weiterhin vorzugsweise weist die für die Herstellung der Dispersion verwendete phosphorsaure wässrige Fe2+-Ionen enthaltenden Lösung die Fe2+-Ionen in
0,8einer Konzentration von 2,0 Mol/l, vorzugsweise 1,0 bis 1,7 Mol/l, besonders bevorzugt 1,1 bis 1,3 Mol/l und/oder einen pH-Wert im Bereich von 1,5bis bis 2,5,vorzugsweise 1,8bis 2,3, 2,0besonders bevorzugt bis 2,1 auf. - 7. Weiterhin vorzugsweise ist das Oxidationsmittel, welches der Dispersion zugegeben wird, eine wässrige Lösung von Wasserstoffperoxid (H2O2), bevorzugt mit einer Konzentration von 15
bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 30bis 40 Gew.-%, oder ein unter Luft, reinem Sauerstoff oder Ozon ausgewähltes gasförmiges Medium, welches in die Dispersion eingeblasen wird. - 8. Weiterhin vorzugsweise wird der Eisen(III)orthophosphat-Kohlenstoff-Komposit nach dem Ausfällen und Abtrennen von der wässrigen Lösung ein- oder mehrfach mit Wasser, wässrigem und/oder organischem Lösungsmittel gewaschen und anschließend bei erhöhter Temperatur und/oder unter vermindertem Druck getrocknet oder als eine wässrige Dispersion mit einem Feststoffgehalt von 1 bis 90 Gew.-% bereitgestellt.
- 9. Weiterhin vorzugsweise besitzt der Eisen(III)orthophosphat-Kohlenstoff-Komposit zumindest in einer Dimension eine mittlere Primärteilchengröße < 1 μm, vorzugsweise < 500 nm, besonders bevorzugt < 300 nm, ganz besonders bevorzugt < 100 nm.
- 10. Weiterhin vorzugsweise weist der Eisen(III)orthophosphat-Kohlenstoff-Komposit eine Schüttdichte > 400 g/l, vorzugsweise > 700 g/l, besonders bevorzugt > 1000 g/l und/oder eine Stampfdichte > 600 g/l, vorzugsweise > 750 g/l, besonders bevorzugt > 1100 g/l auf.
- 1. Preparation of a ferric orthophosphate-carbon composite containing iron (III) orthophosphate of the general formula FePO 4 .nH 2 O (n ≤ 2.5), wherein a carbon source in a phosphate-aqueous aqueous Fe 2+ -Ionen-dispersed solution and precipitated with the addition of an oxidizing agent to the dispersion iron (III) orthophosphate-carbon composite (FOP / C) from the aqueous solution and separated.
- 2. The aqueous solution containing Fe 2+ ions is preferably prepared by reacting oxidic iron (II), iron (III) or mixed iron (II, III) compounds selected from hydroxides, oxides, oxide hydroxides, hydrated oxides, Carbonates and hydroxide, together with elemental iron in an aqueous medium containing phosphoric acid and brings Fe 2+ ions in solution and Fe 3+ reacted with elemental Fe (in a Komproportionierungsreaktion) to Fe 2+ and then solids from the phosphoric aqueous Fe 2 + Solution separates.
- 3. Further preferably, the carbon source comprises elemental carbon or consists solely of elemental carbon, wherein the elemental carbon is preferably selected from graphite, expanded graphite, carbon blacks or carbon blacks, carbon nanotubes (CNTs), fullerenes, graphene, glassy carbon (glassy carbon ), Carbon fibers, activated carbon or mixtures thereof.
- 4. Further preferably, the carbon source in addition to elemental carbon organic compounds, wherein the organic compounds are preferably selected from hydrocarbons, alcohols, aldehydes, carboxylic acids, surfactants, oligomers, polymers, carbohydrates or mixtures thereof.
- 5. Further preferably, the dispersion of the carbon source in the phosphate-containing aqueous solution containing Fe 2+ ions the carbon source in an amount of 1 to 10% by weight of carbon, preferably 1.5 to 5% by weight of carbon, more preferably 1.8 to 4% by weight of carbon, based on the weight of precipitated FOP.
- 6. It is further preferable that the solution containing phosphoric acid Fe 2+ ions used for the preparation of the dispersion has the Fe 2+ ions in a concentration of 0.8 to 2.0 mol / l, preferably 1.0 to 1.7 Mol / l, more preferably 1.1 to 1.3 mol / l and / or a pH in the range of 1.5 to 2.5, preferably 1.8 to 2.3, particularly preferably 2.0 to 2 , 1 on.
- 7. Further preferably, the oxidizing agent which is added to the dispersion, an aqueous solution of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), preferably at a concentration of 15 to 50 wt .-%, particularly preferably 30 to 40 wt .-%, or a selected under air, pure oxygen or ozone gaseous medium which is injected into the dispersion.
- 8. Further preferably, the iron (III) orthophosphate carbon composite after precipitation and separation from the aqueous solution one or more times with water, aqueous and / or organic solvent and then dried at elevated temperature and / or under reduced pressure or as an aqueous dispersion having a solid content of 1 to 90% by weight.
- 9. Furthermore, the iron (III) orthophosphate-carbon composite preferably has an average primary particle size <1 μm, preferably <500 nm, particularly preferably <300 nm, very particularly preferably <100 nm, at least in one dimension.
- 10. Further preferably, the iron (III) orthophosphate-carbon composite has a bulk density> 400 g / l, preferably> 700 g / l, more preferably> 1000 g / l and / or a tamped density> 600 g / l, preferably> 750 g / l, more preferably> 1100 g / l.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein lithiiertes Eisenphosphat oder einen lithiierten Eisenphosphat-Kohlenstoff-Komposit, hergestellt wie es hierin beschrieben ist.The present invention further comprises a lithiated iron phosphate or a lithiated iron phosphate-carbon composite prepared as described herein.
Schließlich umfasst die Erfindung auch die Verwendung des amorphen oder amorphisierten Eisen(III)phosphat-Anhydrats oder des Kohlenstoff-Komposits davon oder des lithiierten Eisenphosphats oder des Kohlenstoff-Komposits davon gemäß dieser Erfindung als Kathodenmaterial für Lithiumionen-Akkumulatoren.Finally, the invention also encompasses the use of the amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate or the carbon composite thereof or the lithiated iron phosphate or the carbon composite thereof according to this invention as a cathode material for lithium-ion secondary batteries.
Verwendung des erfindungemäßen lithiierten Eisenphosphats oder lithiierten Eisenphosphat-Kohlenstoff-Komposits als Kathodenmaterial für Lithiumionen-Akkumulatoren.Use of the lithiated iron phosphate according to the invention or lithiated iron phosphate-carbon composite as cathode material for lithium ion accumulators.
Beschreibung der FigurenDescription of the figures
- Diffraktogramm 1): Eisen(III)orthophosphat-Kohlenstoffkomposit (FOP/C) mit Phosphosiderit-Kristallstruktur wie gefällt, entwässert und bei 100°C getrocknet;
- Diffraktogramm 2) erfindungsgemäß durch Erhitzen des Stoffes gemäß Diffraktogramm 1) auf 200°C hergestellter amorpher Fe(III)PO4-Anhydrat-Kohlenstoffkomposit;
- Diffraktogramm 3) erfindungsgemäß aus dem Stoff gemäß Diffraktogramm 2) hergestellter amorpher Fe(III)PO4-Anhydrat-Kohlenstoffkomposit nach Dispersion in Wasser und Zusatz von LiOH, Essigsäure und Ascorbinsäure und nach Trocknung bei 110°C (gemäß
8 ); - Diffraktogramm 4) erfindungsgemäß aus dem Stoff gemäß Diffraktogramm 3) hergestellter Fe(III)PO4-Anhydrat-Kohlenstoffkomposit nach weiterer Trocknung bei 200°C (gemäß
9 ); - Diffraktogramm 5) erfindungsgemäß aus dem Stoff gemäß Diffraktogramm 3) hergestellter lithiierter Fe(III)PO4-Anhydrat-Kohlenstoffkomposit nach Kalzinieren bei 550°C.
- Diffractogram 1): iron (III) orthophosphate-carbon composite (FOP / C) with phosphosiderite crystal structure as precipitated, dewatered and dried at 100 ° C;
- Diffractogram 2) according to the invention by heating the substance according to the diffractogram 1) to 200 ° C. amorphous Fe (III) PO 4 anhydrate-carbon composite;
- Diffractogram 3) according to the invention from the substance according to diffractogram 2) prepared amorphous Fe (III) PO 4 anhydrate-Kohlenstoffkomposit after dispersion in water and addition of LiOH, acetic acid and ascorbic acid and after drying at 110 ° C (according to
8th ); - Diffractogram 4) according to the invention from the substance according to diffractogram 3) prepared Fe (III) PO 4 -hydrate-carbon composite after further drying at 200 ° C (according to
9 ); - Diffractogram 5) according to the invention from the substance according to diffractogram 3) prepared lithiated Fe (III) PO 4 anhydrate-Kohlenstoffkomposit after calcination at 550 ° C.
BeispieleExamples
Beispiel 1 – Herstellung von Eisen(III)orthophosphat (FOP) gemäß DE 10 2007 049 757Example 1 - Preparation of iron (III) orthophosphate (FOP) according to
2,4 l Phosphorsäurelösung mit einer Dichte von 1,121 g/l wurden auf 92°C erhitzt und anschließend mit 130 g Fe3O4 (Firma FarbuHuzhou Huaman Chem. Ind. Co. Ltd.) versetzt. Das Reaktionsgemisch wurde gerührt und nach 11 min erfolgte ein Farbumschlag nach grau, was als Anzeichen für das Ende der Reaktion angesehen wurde. Bei der zuvor eingestellten Temperatur wurden dann 35 ml 35%ige H2O2-Lösung innerhalb von 6 min zugetropft, um in dem Reaktionsgemisch vorhandenes Eisen(II) zu Eisen(III) zu oxidieren. Der Gehalt an Eisen(II) in der Reaktionsmischung wurde mit entsprechenden Teststäbchen der Firma Merck kontrolliert. Sobald kein Eisen(II) mehr nachweisbarwar, wurde der rosa-grau verfärbte Ansatz für weitere 15 min gerührt. Die Farbe änderte sich nach rosa. Das Produkt wurde abfiltriert und bei 150°C unter Atmosphärendruck getrocknet.
Beispiel 2 – Herstellung von Eisen(III)orthophosphat (FOP) gemäß DE 10 2007 049 757Example 2 - Preparation of iron (III) orthophosphate (FOP) according to
1 l Phosphorsäurelösung mit einer Dichte von 1,133 g/l wurde auf 95°C erhitzt und anschließend mit 92 g frisch gefälltem Eisenhydroxid (Feststoffgehalt ca. 63%) versetzt. Nach 5 min erfolgte ein Farbumschlag nach grau. Bei der zuvor eingestellten Temperatur wurden innerhalb von 4 min 22 ml 35%ige H2O2-Lösung zugetropft. Das Reaktionsgemisch wurde anschließend noch für 19 min bei 100°C gehalten, bis die Farbe nach rosa umschlug. Das Produkt wurde abfiltriert und bei 150°C bei Umgebungsdruck getrocknet.
Beispiel 3 – Herstellung von Eisen(III)orthophosphat (FOP) gemäß DE 10 2007 049 757Example 3 - Preparation of iron (III) orthophosphate (FOP) according to
2,7 l Phosphorsäurelösung mit einer Dichte von 1,09 g/l wurden auf 90°C erhitzt und anschließend mit 200 g eines Filterkuchens von frisch gefälltem Eisenhydroxidcarbonat (Feststoffgehalt ca. 48%) portionsweise versetzt. Währen der Zugabe stieg die Temperatur auf 96°C an. Nach 5 min erfolgte ein Farbumschlag nach rot-grau. Danach wurden innerhalb von 4 min 20 g 35%ige H2O2–Lösung zugegeben. Der Gehalt an Eisen(II) wurde wieder mit entsprechenden Teststäbchen der Firma Merck überprüft. Anschließend wurde der Ansatz für weitere 15 min gerührt, filtriert und bei 150°C unter Umgebungsatmosphäre getrocknet.
Beispiel 4 – Herstellung von Eisen(III)orthophosphat (FOP) gemäß DE 10 2009 001 204Example 4 - Preparation of iron (III) orthophosphate (FOP) according to
Eine verdünnte Phosphorsäure (18 Gew.-%; Dichte = 1,146 g/ml bei 20°C) wurde bei Raumtemperatur (RT; 20°C) vorgelegt und mit 20 g Eisenoxid (Magnetit; Fe3O4) versetzt. Der Ansatz wurde bei 10.000 U.p.M. für 10 min mit einem Dispergierstab homogenisiert. Anschließend wurde die erhaltene Suspension unter Rühren mit 7 g Eisenpulver versetzt.A dilute phosphoric acid (18% by weight, density = 1.146 g / ml at 20 ° C.) was initially charged at room temperature (RT, 20 ° C.) and admixed with 20 g of iron oxide (magnetite, Fe 3 O 4 ). The batch was homogenized at 10,000 rpm for 10 minutes with a dispersing rod. Subsequently, the resulting suspension was added with stirring 7 g of iron powder.
Es setzte eine exotherme Reaktion ein. Die Temperatur stieg von ca. 20°C auf ca. 40°C innerhalb von 20 min an. Die Suspension änderte in diesem Zeitraum ihre Farbe von schwarz nach grün-braun, und der Ausgangsstoff ging in Lösung. Anhand kleiner Bläschen in der Suspension war zu erkennen, dass es zu Gasentwicklung (H2) kam. Mit einem Blasenzähler wurde die entstandene Gasmenge quantifiziert. Nachdem der Lösevorgang abgeschlossen war, wurde die Lösung filtriert, um Feststoffe von der Lösung abzutrennen. Anschließend wurde die Lösung auf 80°C erhitzt und mit ca. 55 ml H2O2-Lösung (35 Gew.-%) versetzt, um die in der Lösung befindlichen Fe2+-Ionen zu Fe3+-Ionen zu oxidieren. Als Zersetzungsprodukt von H2O2. entstand Sauerstoff. Mit Hilfe eines Schnelltests auf Fe2+-Ionen (Teststäbchen der Fa. Merck) wurde überprüft, ob die Oxidationsreaktion vollständig war. Gegebenenfalls wurde H2O2 nachdosiert. Anschließend wurde die nun rosa gefärbte Lösung bei ca. 85°C gehalten und Eisen(III)orthophosphat ausgefällt. Das Ausfällen dauerte etwa 30 min. Das Endprodukt war hellrosa und wurde nach dem Ausfällen über eine Fritte abgesaugt und mit 400 ml Wasser gewaschen. Je feiner das Material war, desto länger konnte der Absaugvorgang dauern. Das Produkt wurde anschließend in einem Trockenschrank für 3 h bei 80°C getrocknet. Die Ausbeute betrug mindestens 90%. Das Endprodukt war ein feines Eisen(III)orthophosphat.It set an exothermic reaction. The temperature increased from about 20 ° C to about 40 ° C within 20 min. The suspension changed color from black to green-brown over this period, and the starting material went into solution. Small bubbles in the suspension showed that gas evolution (H 2 ) occurred. With a bubble counter, the amount of gas produced was quantified. After the dissolution process was completed, the solution was filtered to separate solids from the solution. The solution was then heated to 80 ° C and mixed with about 55 ml of H 2 O 2 solution (35 wt .-%) to oxidize in the solution Fe 2+ ions to Fe 3+ ions. As a decomposition product of H 2 O 2 . oxygen was created. A rapid test for Fe 2+ ions (test strips from Merck) was used to check whether the oxidation reaction was complete. If appropriate, H 2 O 2 was added. Subsequently, the now pink-colored solution was kept at about 85 ° C and iron (III) orthophosphate precipitated. The failure took about 30 minutes. The final product was light pink and was filtered off with suction through a frit and washed with 400 ml of water. The finer the material, the longer the suction could take. The product was then dried in a drying oven for 3 h at 80 ° C. The yield was at least 90%. The final product was a fine ferric orthophosphate.
Beispiel 5 – Herstellung von Eisen(III)orthophosphat (FOP) gemäß DE 10 2009 001 204Example 5 - Preparation of iron (III) orthophosphate (FOP) according to
Wie Beispiel 4, jedoch wurde eine etwas höher konzentrierte Phosphorsäure vorgelegt (25 Gew.-%; Dichte = 1,208 g/ml bei 20°C), und nach der Oxidationsreaktion wurde das Eisen(III)orthophosphat bei 100°C ausgefällt. Die Ausbeute betrug über 90%. Das Endprodukt war ein im Vergleich zu Beispiel 1 grobes Eisen(III)orthophosphat.As Example 4, but a slightly higher concentrated phosphoric acid was presented (25 wt .-%, density = 1.208 g / ml at 20 ° C), and after the oxidation reaction, the iron (III) orthophosphate was precipitated at 100 ° C. The yield was over 90%. The final product was a crude ferric orthophosphate compared to Example 1.
Beispiel 6 – Herstellung von Eisen(III)orthophosphat (FOP) gemäß DE 10 2009 001 204Example 6 - Preparation of iron (III) orthophosphate (FOP) according to
20 g Fe3O4 wurden in 125 g H2O vorgelegt und mit einem Ultraturrax bei 10000 Upm für 30 min vorbehandelt. Anschließend wurden 125 g 75%ige Phosphorsäure, weitere 125 g H2O und 7 g Fe bei RT hinzugegeben. Die Dichte der verdünnten Phosphorsäure in dem Ansatz betrug 1,146 g/ml bei 20°C. Es trat eine leichte Gasentwicklung auf, die über den gesamten Reaktionszeitraum anhielt. Innerhalb von 7 min stieg die Temperatur auf 42°C und die Farbe der Suspension änderte sich nach braun. Nach 9 min wurde kein weiterer Temperaturanstieg mehr festgestellt und daher das Reaktionsgemisch in einem Ölbad (T = 120°C) erwärmt. Nach 70 min lag eine grüne Lösung vor, die eine sehr geringe Trübung aufwies. Eine weitere Gasentwicklung wurde nicht mehr beobachtet. Die Trübung wurde durch Filtration entfernt und das Filtrat mit 40 ml H2O2-Lösung (35 Gew.-%) bei 80°C versetzt. Es stellte sich eine Farbveränderung über intensiv rot zu hell rosa ein, wobei das Produkt als feiner Feststoff mit hellrosa Farbe ausfiel. Die Ausbeute betrug 99,8% (71,7 g).20 g of Fe 3 O 4 were initially charged in 125 g of H 2 O and pretreated with an Ultraturrax at 10,000 rpm for 30 min. Subsequently, 125 g of 75% phosphoric acid, a further 125 g of H 2 O and 7 g of Fe were added at RT. The density of the diluted phosphoric acid in the batch was 1.146 g / ml at 20 ° C. There was a slight gas evolution that persisted throughout the reaction period. Within 7 minutes, the temperature rose to 42 ° C and the color of the suspension changed to brown. After 9 minutes, no further increase in temperature was detected and therefore the reaction mixture is heated in an oil bath (T = 120 ° C). After 70 minutes, there was a green solution which had very little turbidity. Further gas evolution was no longer observed. The turbidity was removed by filtration and the filtrate was treated with 40 ml of H 2 O 2 solution (35% by weight) at 80 ° C. There was a change in color over intense red to light pink, the product precipitated as a fine solid with a light pink color. The yield was 99.8% (71.7 g).
Beispiel 7 – Herstellung von Eisen(III)orthophosphat (FOP) gemäß DE 10 2009 001 204Example 7 - Preparation of iron (III) orthophosphate (FOP) according to
20 g Fe3O4, 7 g Fe, 250 g H2O und 125 g 75%ige Phosphorsäure wurden bei RT zusammengegeben. Die Dichte der verdünnten Phosphorsäure in dem Ansatz betrug 1,146 g/ml bei 20°C. Es trat eine leichte Gasentwicklung auf, die über den gesamten Reaktionszeitraum anhielt. Innerhalb von 20 min stieg die Temperatur auf 38°C und die Farbe der Suspension änderte sich nach braun. Nach 30 min wurde kein weiterer Temperaturanstieg mehr festgestellt und daher das Reaktionsgemisch in einem Ölbad (T = 120°C) erwärmt. Nach 90 min lag eine grüne Lösung vor, die eine sehr geringe Trübung aufwies. Eine weitere Gasentwicklung wurde nicht mehr beobachtet. Die Trübung wurde durch Filtration entfernt und das Filtrat mit 40 ml H2O2-Lösung (35 Gew.-%) bei 85°C versetzt. Es stellte sich eine Farbveränderung über intensiv rot zu hell rosa ein, wobei das Produkt als feiner Feststoff mit hellrosa Farbe ausfiel. Die Ausbeute betrug 83,5% (60,0 g).20 g of Fe 3 O 4 , 7 g of Fe, 250 g of H 2 O and 125 g of 75% phosphoric acid were combined at RT. The density of the diluted phosphoric acid in the batch was 1.146 g / ml at 20 ° C. There was a slight gas evolution that persisted throughout the reaction period. Within 20 minutes, the temperature rose to 38 ° C and the color of the suspension changed to brown. After 30 minutes, no further increase in temperature was detected and therefore the reaction mixture was heated in an oil bath (T = 120 ° C). After 90 minutes, a green solution was present which had very little turbidity. Further gas evolution was no longer observed. The turbidity was removed by filtration and the filtrate was treated with 40 ml of H 2 O 2 solution (35% by weight) at 85 ° C. There was a change in color over intense red to light pink, the product precipitated as a fine solid with a light pink color. The yield was 83.5% (60.0 g).
Beispiel 8 – Herstellung von Eisen(III)orthophosphat (FOP) gemäß DE 10 2009 001 204Example 8 - Preparation of iron (III) orthophosphate (FOP) according to
20 g Fe3O4, 7 g Fe, 250 g H2O und 204 g 75%ige Phosphorsäure wurden bei RT zusammengegeben. Die Dichte der verdünnten Phosphorsäure in dem Ansatz betrug 1,232 g/ml bei 20°C. Es trat eine leichte Gasentwicklung auf, die über den gesamten Reaktionszeitraum anhielt. Innerhalb von 10 min stieg die Temperatur auf 53°C, und die Farbe der Suspension änderte sich nach braun. Es wurde sofort mit Hilfe eines Eisbades auf 50°C gekühlt. Nach weiteren 40 min bei 50°C lag eine grüne Lösung vor, die eine sehr geringe Trübung aufwies. Eine weitere Gasentwicklung wurde nicht mehr beobachtet. Die Trübung wurde durch Filtration entfernt und das Filtrat mit 40 ml H2O2-Lösung (35 Gew.-%) bei 85°C versetzt. Es stellte sich eine Farbveränderung über intensiv rot zu hell rosa ein, wobei das Produkt als grober Feststoff mit hellrosa Farbe ausfiel. Die Ausbeute betrug 85,8% (61,6 g).20 g of Fe 3 O 4 , 7 g of Fe, 250 g of H 2 O and 204 g of 75% phosphoric acid were combined at RT. The density of the diluted phosphoric acid in the batch was 1.232 g / ml at 20 ° C. There was a slight gas evolution that persisted throughout the reaction period. Within 10 minutes the temperature rose to 53 ° C and the color of the suspension changed to brown. It was immediately cooled to 50 ° C with the help of an ice bath. After a further 40 minutes at 50 ° C, a green solution was present, which had a very low turbidity. Further gas evolution was no longer observed. The turbidity was removed by filtration and the filtrate was treated with 40 ml of H 2 O 2 solution (35% by weight) at 85 ° C. There was a change in color over intense red to light pink, the product precipitated as a coarse solid with a light pink color. The yield was 85.8% (61.6 g).
Beispiel 9 – Herstellung von Eisen(III)orthophosphat (FOP) gemäß DE 10 2009 001 204Example 9 - Preparation of iron (III) orthophosphate (FOP) according to
10 g Fe2O3, 3,2 g Fe, 211 g H2O und 93 g 75%ige Phosphorsäure wurden bei 50°C zusammengegeben. Die Dichte der verdünnten Phosphorsäure in dem Ansatz betrug 1,134 g/ml bei 20°C. Es trat eine leichte Gasentwicklung auf, die über den gesamten Reaktionszeitraum anhielt. Nach 157 min bei 50°C lag eine grüne Lösung vor, die eine sehr geringe Trübung aufwies. Eine weitere Gasentwicklung wurde nicht mehr beobachtet. Die Trübung wurde durch Filtration entfernt und das Filtrat mit 20 ml H2O2-Lsg. (35 Gew.-%) bei 85°C versetzt. Es stellte sich eine Farbveränderung über intensiv rot zu hell rosa ein, wobei das Produkt als feiner Feststoff mit hellrosa Farbe ausfiel. Die Ausbeute betrug 30,2 g.10 g of Fe 2 O 3 , 3.2 g of Fe, 211 g of H 2 O and 93 g of 75% phosphoric acid were combined at 50 ° C. The density of the diluted phosphoric acid in the batch was 1.134 g / ml at 20 ° C. There was a slight gas evolution that persisted throughout the reaction period. After 157 min at 50 ° C, a green solution was present, which had a very low turbidity. Further gas evolution was no longer observed. The turbidity was removed by filtration and the filtrate was washed with 20 ml H 2 O 2 solution. (35 wt .-%) at 85 ° C added. There was a change in color over intense red to light pink, the product precipitated as a fine solid with a light pink color. The yield was 30.2 g.
Beispiel 10 – Herstellung von Eisen(III)orthophosphat (FOP) gemäß DE 10 2009 001 204Example 10 - Preparation of iron (III) orthophosphate (FOP) according to
10 g Fe2O3, 11 g Fe, 379 g H2O und 168 g 75%ige Phosphorsäure wurden bei RT zusammengegeben. Die Dichte der verdünnten Phosphorsäure in dem Ansatz betrug 1,134 g/ml bei 20°C. Es trat eine leichte Gasentwicklung auf, die über den gesamten Reaktionszeitraum anhielt. Es wurde auf 63°C erwärmt und nach 120 min eine grüne Lösung erhalten, die eine sehr geringe Trübung aufwies. Eine weitere Gasentwicklung wurde nicht mehr beobachtet. Die Trübung wurde durch Filtration entfernt und das Filtrat mit 30 ml H2O2-Lösung (35 Gew.-%) bei 85°C versetzt. Es stellte sich eine Farbveränderung über intensiv rot zu hell rosa ein, wobei das Produkt als feiner Feststoff mit hellrosa Farbe ausfiel. Die Ausbeute betrug 58,0 g.10 g of Fe 2 O 3 , 11 g of Fe, 379 g of H 2 O and 168 g of 75% phosphoric acid were combined at RT. The density of the diluted phosphoric acid in the batch was 1.134 g / ml at 20 ° C. There was a slight gas evolution that persisted throughout the reaction period. It was heated to 63 ° C and after 120 min a green solution was obtained, which had a very low turbidity. Further gas evolution was no longer observed. The turbidity was removed by filtration and the filtrate was treated with 30 ml of H 2 O 2 solution (35% by weight) at 85 ° C. There was a change in color over intense red to light pink, the product precipitated as a fine solid with a light pink color. The yield was 58.0 g.
Beispiel 11: Herstellung eines Eisen(III)orthophosphat-Kohlenstoff-Kompositen (FOP/C) mit 7,3% Graphit gemäß DE 10 2011 003 125Example 11: Preparation of an iron (III) orthophosphate-carbon composite (FOP / C) with 7.3% graphite according to
In einem Rührbehälter wurden 2540 g (ca. 2 L) Fe2 +-Lösung vorgelegt und durch eine Rührwerkskugelmühle (LabStar, Fa. Netzsch), bestückt mit Mahlkugeln von 0,4–0,6 mm, in Kreisfahrweise gepumpt. Anschließend wurden 33,1 g Graphit (UF2 der Fa. Graphitwerk Kropfmühl KG) in 4 Portionen innerhalb von 5 Minuten zugegeben. Die Partikelgrößenverteilung und Güte der Dispersion wurde alle 30 Minuten anhand einer DLS-Messung (Dynamische Lichtstreuung, Malvern Zetasizer) überprüft. Nach 3 Stunden konnte keine Veränderung gegenüber den 2 vorherigen Messungen festgestellt werden. Das Experiment wurde beendet und die Dispersion in einem Becherglas aufgefangen.In a stirred tank 2540 g (about 2 L) of Fe 2 + solution were presented and pumped by a stirred ball mill (LabStar, Fa. Netzsch), equipped with grinding balls of 0.4-0.6 mm, in recycle mode. Subsequently, 33.1 g of graphite (UF2 from. Graphitwerk Kropfmühl KG) were added in 4 portions within 5 minutes. The particle size distribution and quality of the dispersion was checked every 30 minutes by means of a DLS measurement (Dynamic Light Scattering, Malvern Zetasizer). After 3 hours no change could be detected compared to the 2 previous measurements. The experiment was stopped and the dispersion collected in a beaker.
1100 g der Dispersion wurden auf 75°C erwärmt und anschließend unter Rühren 110 ml H2O2 (35%ig in Wasser) zugegeben, um die Präzipitation von FOP einzuleiten. Nach dem Abklingen der sich einstellenden Gasentwicklung wurde für weitere 15 Minuten bei 85°C gerührt. Der Feststoffanteil des Gemisches wurde mit einem Nutschenfilter abgetrennt und anschließend je zwei Mal in je 1 L deionisiertem Wasser resuspendiert und filtriert. Nach Trocknen im Umlufttrockenschrank bei 100°C wurden 182 g eines grauen Feststoffes erhalten. Die XRD-Analyse des Produktes zeigte die charakteristischen Reflexe für Phosphosiderit und Graphit.1100 g of the dispersion were heated to 75 ° C and then with stirring 110 ml of H 2 O 2 (35% in water) was added to initiate the precipitation of FOP. After the decaying gas evolution was stirred for a further 15 minutes at 85 ° C. The solids content of the mixture was separated with a Nutsche filter and then resuspended twice in each 1 L deionized water and filtered. After drying in a convection oven at 100 ° C, 182 g of a gray solid were obtained. The XRD analysis of the product showed the characteristic reflections for phosphosiderite and graphite.
Beispiel 12: Herstellung eines Eisen(III)orthophosphat-Kohlenstoff-Kompositen (FOP/C) mit 7,3% expandiertem GraphitExample 12: Preparation of a ferric orthophosphate-carbon composite (FOP / C) with 7.3% expanded graphite
In einem Rührbehälter wurden 3367 g (ca. 2,6 L) Fe2 +-Lösung vorgelegt und durch eine Rührwerkskugelmühle (LabStar, Fa. Netzsch), bestückt mit Mahlkugeln von 0,4–0,6 mm, in Kreisfahrweise gepumpt. Anschließend wurden 43,9 g expandierter Graphit (Fa. SGL Carbon) in 4 Portionen innerhalb von 5 Minuten zugegeben. Nach 2 Stunden wurde die Dispersion in einem Becherglas aufgefangen.In a stirred tank 3367 g (about 2.6 L) of Fe 2 + solution were submitted and pumped by a stirred ball mill (LabStar, Fa. Netzsch), equipped with grinding balls of 0.4-0.6 mm, in recycle mode. Subsequently, 43.9 g of expanded graphite (SGL Carbon Co.) were added in 4 portions within 5 minutes. After 2 hours, the dispersion was collected in a beaker.
1500 g der Dispersion wurden auf 75°C erwärmt und anschließend unter Rühren 160 ml H2O2 (35%ig in Wasser) zugegeben, um die Präzipitation von FOP einzuleiten. Nach dem Abklingen der sich einstellenden Gasentwicklung wurde für weitere 15 Minuten bei 85°C gerührt. Der Feststoffanteil des Gemisches wurde mit einem Nutschenfilter abgetrennt und anschließend je zwei Mal in je 1,5 L deionisiertem Wasser resuspendiert und filtriert. Nach Trocknen im Umlufttrockenschrank bei 100°C wurden 273 g eines grauen Feststoffes erhalten. Die XRD-Analyse des Produktes zeigte die charakteristischen Reflexe für Phosphosiderit und Graphit.1500 g of the dispersion were heated to 75 ° C and then added with stirring 160 ml of H 2 O 2 (35% in water) to initiate the precipitation of FOP. After the fading away adjusting gas evolution was stirred for an additional 15 minutes at 85 ° C. The solids content of the mixture was separated with a Nutsche filter and then resuspended twice in 1.5 L deionized water and filtered. After drying in a circulating air dryer at 100 ° C., 273 g of a gray solid were obtained. The XRD analysis of the product showed the characteristic reflections for phosphosiderite and graphite.
Beispiel 13: Herstellung eines Eisen(III)orthophosphat-Kohlenstoff-Kompositen (FOP/C) mit 4% vorbehandeltem GraphitExample 13: Preparation of a ferric orthophosphate-carbon composite (FOP / C) with 4% pretreated graphite
Vor der Suspension in der Kugelmühle wurden etwa 30 g Graphit (Fa. SGL Carbon) in 500 ml konz. HNO3 unter Rückfluss 1 Stunde und 30 Minuten zum Sieden erhitzt. Anschließend wurde der Feststoff über einen Nutschenfilter abgetrennt, je zweimal in je 1 L deionisiertem Wasser resuspendiert, filtriert und im Umlufttrockenschrank bei 100°C über Nacht getrocknet. 13,2 g des so behandelten Graphits wurden zu 1850 g (ca. 2 L) Fe2 +-Lösung in 4 Portionen innerhalb von 5 Minuten zugegeben, während die Lösung durch eine Rührwerkskugelmühle (LabStar, Fa. Netzsch), bestückt mit Mahlkugeln von 0,4–0,6 mm, in Kreisfahrweise gepumpt wurde. Nach 2 Stunden wurde die Dispersion in einem Becherglas aufgefangen.Before suspension in the ball mill, about 30 g of graphite (SGL Carbon Co.) in 500 ml of conc. HNO 3 heated under reflux for 1 hour and 30 minutes to boiling. The solid was then separated off via a suction filter, each twice resuspended in 1 L deionized water, filtered and dried in a convection oven at 100 ° C overnight. 13.2 g of the graphite thus treated were added to 1850 g (about 2 L) of Fe 2 + solution in 4 portions within 5 minutes, while the solution by a stirred ball mill (LabStar, Fa. Netzsch), equipped with grinding balls of 0.4-0.6 mm, was pumped in the circulation mode. After 2 hours, the dispersion was collected in a beaker.
800 g der Dispersion wurden auf 75°C erwärmt und anschließend unter Rühren 110 ml H2O2 (35%ig in Wasser) zugegeben, um die Präzipitation von FOP einzuleiten. Nach dem Abklingen der sich einstellenden Gasentwicklung wurde für weitere 15 Minuten bei 85°C gerührt. Der Feststoffanteil des Gemisches wurde mit einem Nutschenfilter abgetrennt und anschließend je zwei Mal in je 1 L deionisiertem Wasser resuspendiert und filtriert. Nach Trocknen im Umlufttrockenschrank bei 100°C wurden 133 g eines grauen Feststoffes erhalten. Die XRD-Analyse des Produktes zeigte die charakteristischen Reflexe für Phosphosiderit und Graphit.800 g of the dispersion were heated to 75 ° C and then added with stirring 110 ml of H 2 O 2 (35% in water) to initiate the precipitation of FOP. After the decaying gas evolution was stirred for a further 15 minutes at 85 ° C. The solids content of the mixture was separated with a Nutsche filter and then resuspended twice in each 1 L deionized water and filtered. After drying in a circulating air dryer at 100 ° C., 133 g of a gray solid were obtained. The XRD analysis of the product showed the characteristic reflections for phosphosiderite and graphite.
Beispiel 14: Herstellung eines Eisen(III)orthophosphat-Kohlenstoff-Kompositen (FOP/C) mit 2,3% Ketien BlackExample 14: Preparation of a ferric orthophosphate-carbon composite (FOP / C) with 2.3% Ketien Black
23 g Ketjen Black® EC-300J (Fa. Akzo Nobel) wurden portionsweise innerhalb von 15 Minuten zu 5600 g (ca. 4,5 L) einer Fe2 +-Lösung zugegeben. Dabei wurde die Lösung durch eine Rührwerkskugelmühle (LabStar, Fa. Netzsch), bestückt mit Mahlkugeln von 0,8–1,0 mm, in Kreisfahrweise gepumpt. Nach 3 Stunden wurde die Dispersion in einem Becherglas aufgefangen.23 g of Ketjenblack ® EC-300J (Messrs. Akzo Nobel) were added in portions within 15 minutes to 5600 g (about 4.5 L) of Fe 2 + solution. The solution was pumped through a stirred ball mill (LabStar, Fa. Netzsch), equipped with grinding balls of 0.8-1.0 mm, in recycle mode. After 3 hours, the dispersion was collected in a beaker.
3,8 kg der Dispersion wurden auf 75°C erwärmt und anschließend unter Rühren 390 ml H2O2 (35%ig in Wasser) zugegeben, um die Präzipitation von FOP einzuleiten. Nach dem Abklingen der sich einstellenden Gasentwicklung wurde für weitere 15 Minuten bei 85°C gerührt. Der Feststoffanteil des Gemisches wurde mit einem Nutschenfilter abgetrennt und anschließend je zwei Mal in je 1 L deionisiertem Wasser resuspendiert und filtriert. Nach Trocknen im Umlufttrockenschrank bei 100°C wurden 850 g eines hellgrauen Feststoffes erhalten. Die XRD-Analyse des Produktes zeigte die charakteristischen Reflexe für Phosphosiderit und Graphit.3.8 kg of the dispersion was heated to 75 ° C and then 390 ml of H 2 O 2 (35% in water) was added with stirring to initiate the precipitation of FOP. After the decaying gas evolution was stirred for a further 15 minutes at 85 ° C. The solids content of the mixture was separated with a Nutsche filter and then resuspended twice in each 1 L deionized water and filtered. After drying in a circulating air dryer at 100 ° C., 850 g of a light gray solid were obtained. The XRD analysis of the product showed the characteristic reflections for phosphosiderite and graphite.
Beispiel 15: Herstellung eines amorphen oder amorphisierten Eisen(III)phosphat-AnhydratsExample 15: Preparation of an amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate
Die Herstellung amorphen oder amorphisierten Eisen(III)phosphat-Anhydrats oder dessen Kohlenstoff-Komposits erfolgte durch einfaches Tempern von Eisen(III)orthophosphat (FOP) oder Eisen(III)orthophosphat-Kohlenstoff-Komposit (FOP/C) mit Phosphosiderit-Struktur gemäß den Beispielen 1 bis 14 bei 150°C bis 220°C für 8 bis 20 Stunden unter Normalatmosphäre, Schutzatmosphäre oder unter Vakuum.The production of amorphous or amorphized iron (III) phosphate anhydrate or its carbon composites was carried out by simply annealing iron (III) orthophosphate (FOP) or iron (III) orthophosphate-carbon composite (FOP / C) with phosphosiderite structure according to Examples 1 to 14 at 150 ° C to 220 ° C for 8 to 20 hours under normal atmosphere, protective atmosphere or under vacuum.
Beispiel 16: Herstellung von lithiiertem Eisen(III)phosphat-Anhydrat (LFP)Example 16 Preparation of Lithiated Iron (III) Phosphate Anhydrate (LFP)
45,46 g LiOH × 1 H2O wurden in 300 ml H2O gelöst und anschließend 100 ml 96%ige Essigsäure zugegeben. In dieser Lösung wurden 100 g Ascorbinsäure gelöst und anschließend 156 g amorphisierten Eisen(III)phosphat-Anhydrat gemäß Beispiel 14 zugegeben. Die resultierende Dispersion wurde für 2 Stunden bei 60°C gerührt und anschließend bei 60°C im Vakuumofen für 14 Stunden getrocknet. Alternativ kann die Trocknung bei 110°C oder bei 210°C im Umlufttrockenschrank für 14 Stunden erfolgen.45.46 g LiOH × 1 H 2 O were dissolved in 300 ml H 2 O and then 100 ml of 96% acetic acid were added. In this solution, 100 g of ascorbic acid were dissolved and then added 156 g of amorphous iron (III) phosphate anhydrate according to Example 14 was added. The resulting dispersion was stirred for 2 hours at 60 ° C and then dried at 60 ° C in a vacuum oven for 14 hours. Alternatively, the drying can be carried out at 110 ° C or at 210 ° C in a convection oven for 14 hours.
Beispiel 17: Kalzinierung von lithiiertem Eisen(III)phosphat-Anhydrat (LFP)Example 17: Calcination of Lithiated Iron (III) Phosphate Anhydrate (LFP)
Ein gemäß Beispiel 16 hergestelltes lithiiertes Eisen(III)phosphat-Anhydrat oder Kohlenstoff-Komposit davon wurde in einem Drehrohrofen mit Quarz-Reaktionsrohr unter Stickstoff-Atmosphäre innerhalb von 1,5 Stunden auf 550°C erwärmt und anschließend für 1 Stunde bei dieser Temperatur gehalten. Anschließend wurde die Heizung ausgeschaltet und das Reaktionsrohr auf Raumtemperatur abkühlen gelassen.A lithiated iron (III) phosphate anhydrate or carbon composite thereof prepared according to Example 16 was heated to 550 ° C in a quartz reaction tube rotary tube furnace under nitrogen atmosphere for 1.5 hours and then maintained at this temperature for 1 hour , The heater was then turned off and the reaction tube allowed to cool to room temperature.
Alternativ wurde ein gemäß Beispiel 16 hergestelltes lithiiertes Eisen(III)phosphat-Anhydrat oder Kohlenstoff-Komposit davon in einem Drehrohrofen mit Quarz-Reaktionsrohr unter Stickstoff-Atmosphäre innerhalb von 1,5 Stunden auf 700°C erwärmt und anschließend für 1 Stunde bei dieser Temperatur gehalten. Anschließend wurde die Heizung ausgeschaltet und das Reaktionsrohr auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Alternatively, a lithiated iron (III) phosphate anhydrate or carbon composite thereof prepared in Example 16 was heated to 700 ° C in a quartz reaction tube rotary tube furnace under nitrogen atmosphere for 1.5 hours, and then at that temperature for 1 hour held. The heater was then turned off and the reaction tube allowed to cool to room temperature.
Alternativ wurde ein gemäß Beispiel 16 hergestelltes lithiiertes Eisen(III)phosphat-Anhydrat oder Kohlenstoff-Komposit davon unter einem Fluss von 5 Vol.-% Wasserstoff in Stickstoff-Atmosphäre innerhalb von 2 Stunden auf 700°C erwärmt und anschließend für 2 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Anschließend wurde die Heizung ausgeschaltet und das Reaktionsrohr auf Raumtemperatur abkühlen gelassen.Alternatively, a lithiated ferric phosphate anhydrate or carbon composite thereof prepared according to Example 16 was heated to 700 ° C in 2 hours under a flow of 5% by volume of hydrogen in a nitrogen atmosphere, followed by heating for 2 hours Temperature maintained. The heater was then turned off and the reaction tube allowed to cool to room temperature.
Alternativ wurde ein gemäß Beispiel 16 hergestelltes lithiiertes Eisen(III)phosphat-Anhydrat oder Kohlenstoff-Komposit davon unter einem Fluss von 5 Vol.-% Wasserstoff in Stickstoff-Atmosphäre innerhalb von 2 Stunden auf 300°C erwärmt, anschließend für 2 Stunden bei dieser Temperatur gehalten, danach innerhalb von 2 Stunden auf 600°C erwärmt und anschließend für 1 Stunde bei dieser Temperatur gehalten. Anschließend wurde die Heizung ausgeschaltet und das Reaktionsrohr auf Raumtemperatur abkühlen gelassen.Alternatively, a lithiated iron (III) phosphate anhydrate or carbon composite thereof prepared according to Example 16 was heated to 300 ° C over 2 hours under a flow of 5% by volume of hydrogen in a nitrogen atmosphere, followed by heating for 2 hours Maintained temperature, then heated to 600 ° C within 2 hours and then held at this temperature for 1 hour. The heater was then turned off and the reaction tube allowed to cool to room temperature.
Alternativ wurde ein gemäß Beispiel 16 hergestelltes lithiiertes Eisen(III)phosphat-Anhydrat oder Kohlenstoff-Komposit davon unter Vakuum innerhalb von 1,5 Stunden auf 350°C erwärmt und anschließend für 1 Stunde bei dieser Temperatur gehalten. Es konnten keine Kondensationsprodukte in der zwischengeschalteten Kühlfalle beobachtet werden. Anschließend wurde das Vakuum gegen einen Fluss von 5 Vol.-% Wasserstoff in Stickstoff-Atmosphäre getauscht und das Material innerhalb von 1,5 Stunden auf 700°C erhitzt und bei dieser Temperatur für 1 weitere Stunde gehalten. Anschließend wurde die Heizung ausgeschaltet und das Reaktionsrohr auf Raumtemperatur abkühlen gelassen.Alternatively, a lithiated iron (III) phosphate anhydrate or carbon composite prepared according to Example 16 was heated to 350 ° C under vacuum within 1.5 hours and then held at that temperature for 1 hour. No condensation products could be observed in the intermediate cold trap. Subsequently, the vacuum was exchanged for a flow of 5 vol .-% hydrogen in a nitrogen atmosphere and the material was heated to 700 ° C within 1.5 hours and held at this temperature for 1 additional hour. The heater was then turned off and the reaction tube allowed to cool to room temperature.
Vergleichsbeispiel: Chemische Lithiierung in Ethanol als flüssigem MediumComparative example: Chemical lithiation in ethanol as liquid medium
24,48 g Lithiumacetat-Dihydrat wurden in 2000 ml Ethanol gelöst. In dieser Lösung wurden weiterhin 21,13 g Ascorbinsäure gelöst und anschließend 30,16 g amorphes Eisen(III)phosphat-Anhydrat zugegeben. Die resultierende Dispersion wurde für 3 Stunden bei 50°C gerührt und der Feststoff anschließend filtriert und mit Ethanol gewaschen. Die Trocknung erfolgte bei Raumtemperatur über mehrere Tage. Anschließend wurde das Material unter a) Stickstoff-Atmosphäre oder b) 5 Vol.-% Wasserstoff in Stickstoff-Atmosphäre innerhalb von 1,5 Stunden auf 550°C erwärmt und für 2 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Beide Proben a) und b) zeigen einen signifikanten Anteil einer Fe2P2O7-Phase (siehe
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