DE112005002725B4 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes für eine Elektrode und eine Elektrode - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Synthetisieren eines Verbundmateriales, aufweisend die Schritte:
Bereitstellung einer Ausgangsmischung, beinhaltend Lithium, wenigstens ein Metall M, ein Phosphation und einen Vanadium aufweisenden Katalysator, welcher bei der Synthese des Verbundmaterials die Bildung einer Phase fördert, welche einen Elektronen- und/oder Lithiumionentransport verbessert;
Erhitzen dieser Mischung in einer Reduktionsatmosphäre derart, um ein Verbundmaterial zu erzeugen, welches zu 80 bis 95 Mol-Prozent eine erste Phase beinhaltet, die LixMy(PO4)z aufweist, wobei M das wenigstens eine Metall ist, y und z unabhängig größer als 0 sind, und x weniger als oder gleich 1 ist; und eine zweite Phase beinhaltet, welche eine elektronische Leitfähigkeit und/oder Lithiumionenleitfähigkeit größer als die der ersten Phase besitzt.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft generell Verfahren zum Synthetisieren von Materialien. Genauer betrifft die Erfindung Verfahren zum Synthetisieren von Verbundwerkstoffen, welche eine Metallphosphatphase beinhalten. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Synthetisieren eines Verbundmaterials, welches eine Lithiummetallphosphatphase zusammen mit einer zweiten leitfähigkeitsverbessernden Phase beinhaltet, sowie Elektroden, welche aus solchen Materialien hergestellt sind.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Lithium enthaltende Übergangsmetallphosphate wie LiFePO4 einschließlich verschiedener dotierter und modifizierter Versionen hiervon, finden zunehmend Verwendung als Kathodenmaterialien für Lithiumbatterien. Solche Materialien sind offenbart in den US-Patenten US 6,656,635 B2 , US 6,730,281 B2 ; US 6,855,273 B2 und US 6,514,640 B1 sowie u. a. in der US 2004/0086445 A1 . Solche Materialien haben eine sehr gute Kapazität für Lithiumionen; und während sie eine halbwegs gute Ionenleitfähigkeit besitzen, haben sie relativ niedrige Elektronenleitfähigkeiten, und dieser Faktor hat deren Effizienz und Anwendbarkeit limitiert. Daher wurden verschiedene Anstrengungen unternommen, solche Materialien zu dotieren, zu modifizieren oder anderweitig zu ergänzen, um deren elektrische und/oder ionische Leitfähigkeit zu verbessern.
  • Wie nachfolgend erläutert wird, schlägt die vorliegende Erfindung einen Verbundwerkstoff vor, welcher auf Lithiummetallphosphaten basiert, wobei dieses Material eine gute elektrische Leitfähigkeit mit einer hohen Lithiumionenkapazität und -leitfähigkeit kombiniert. Die Materialien der vorliegenden Erfindung sind einfach und ökonomisch zu synthetisieren und haben eine sehr gute Verwendbarkeit als Kathoden für Lithiumbatterien.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Hierin ist ein Verfahren zum Synthetisieren eines Verbundmateriales mittels eines Prozesses offenbart, welcher mit einer Ausgangsmischung beginnt, welche wenigstens Lithium, Eisen, ein Phosphation und einen Vanadium aufweisenden Katalysator beinhaltet, welcher bei der Synthese des Verbundmaterials die Bildung einer oder mehrerer Phasen fördert, welche den Elektronen- und/oder Lithiumionentransport im Material verbessern. Die Ausgangsmischung wird in einer Reduktionsatmosphäre derart erhitzt, um ein Verbundmaterial zu erzeugen, welches eine erste Phase beinhaltet, die LixMy(PO4)z aufweist, wobei M ein Metall ist, x weniger als oder gleich 1 ist, und y und z unabhängig größer als 0 sind; und eine zweite Phase beinhaltet, welche eine elektronische Leitfähigkeit und/oder Lithiumionenleitfähigkeit größer als die der ersten Phase besitzt. In spezifischen Ausgestaltungen fördert der Katalysator die Reduktion des Phosphations. In anderen Beispielen fördert der Katalysator die Reduktion einer Kohlenstoff enthaltenden Art derart, dass freier Kohlenstoff gebildet wird. In noch weiteren Beispielen kann der Katalysator die Verteilung, Struktur (Phase) und Morphologie der zweiten Phase lenken. In einigen Beispielen beinhaltet die zweite Phase das wenigstens eine Metall M und Phosphor; und in einigen spezifischen Ausführungen beinhaltet die zweite Phase weiter Sauerstoff, wobei das Atomverhältnis von Sauerstoff zu Phosphor weniger als 4:1 ist.
  • In besonderen Ausgestaltungen beinhaltet das wenigstens eine Metall M Eisen, und die zweite Phase weist ein Mitglied ausgewählt aus der Gruppe aus Fe2P2O7; FeP; Fe2P; Fe3P; und Mischungen hiervon auf. Die zweite Phase kann auch Kohlenstoff beinhalten, wie nachfolgend erwähnt. In besonderen Beispielen weist die erste Phase 80–95 Mol-Prozent des Verbundmaterials und die zweite Phase 5–20 Mol-Prozent des Materials auf. Der Katalysator weist Vanadium auf, welches in der Form eines Oxids von Vanadium vorliegen kann.
  • Der Schritt des Erhitzens der Mischung in einer Reduktionsumgebung kann das Erhitzen der Mischung in einer Gasumgebung aufweisen, welche ein reduzierendes Agens wie Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenwasserstoffe oder Ammoniak beinhaltet. In einigen Beispielen ist die Mischung gemahlen, z. B. durch Kugelmahlen, bevor sie in der Reduktionsatmosphäre erhitzt wird.
  • Ebenso sind hier Materialien offenbart, welche durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, als auch Elektroden, welche dieses Material umfassen, und Batterien, welche diese Elektroden beinhalten.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Verfahren aus dem Stand der Technik zum künstlichen Herstellen von Lithiummetallphosphatmaterialien beruhten generell auf einer chemischen Reaktion von Vorläufermaterialien, welche typischerweise bei erhöhten Temperaturen ausgeführt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Lithiummetallphosphatverbindungen hergestellt durch reagierende Vorläufermaterialien unter Reduktionsbedingungen, wobei die Metallkomponente hiervon typischerweise reduziert wird von einem höheren zu einem niedrigeren Oxidationsstatus, obwohl die Erfindung auch in Zusammenhang mit Prozessen angewandt werden kann, in denen die Metallkomponente nicht reduziert wird. Bei jedem Beispiel haben die Erfinder herausgefunden, dass das derart produzierte Material bedeutend verbesserte Leistungscharakteristika als ein Kathodenmaterial für Lithiumbatterien im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Materialien besitzt.
  • Im Zuge der Forschung haben die Erfinder herausgefunden, dass das synthetische Verfahren, welches einen Reduktionsschritt beinhaltet, ein Zwei-Phasen-Material hervorbrachte. Dieses Material wurde mittels eines Elektronenmikroskops und eines EDX analysiert, und es wurde herausgefunden, dass das so produzierte Material eine erste Phase beinhaltet, welche ein Lithiummetallphosphat aufweist, und eine zweite Phase beinhaltet, welche eine elektronische Leitfähigkeit und in besonderen Fällen eine ionische Leitfähigkeit größer als die der ersten Phase besitzt. Bei einigen Beispielen ist die zweite Phase eine reduzierte Art, welche wenigstens das Metall und Phosphor beinhaltet und auch Subphosphat-Niveaus von Sauerstoff beinhalten kann.
  • In einem besonderen Material ist die erste Phase von der allgemeinen Formel LixMy(PO4)z, wobei M wenigstens ein Metall wie Eisen ist, x weniger als oder gleich 1 ist, und y und z unabhängig größer als 0 sind; und eine zweite Phase ist die reduzierte Form eines Metallphosphats. Wenn beispielsweise das Metall Eisen ist, beinhaltet die zweite Phase ein oder mehr von: Fe2P2O7; FeP; Fe2P und Fe3P. Die Elektronenleitfähigkeit der zweiten Phase ist höher als die Elektronenleitfähigkeit der ersten Phase. Der Lithiumionentransport in der zweiten Phase ist generell auch höher als der Lithiumionentransport in der ersten Phase. Die Lithiumionenkapazität der ersten Phase ist allgemein deutlich höher als die der zweiten Phase, und bei einigen Beispielen besitzt die zweite Phase überhaupt keine Lithiumionenkapazität. Wenngleich die Erfinder nicht von einer Vermutung eingenommen sein wollen, glauben sie, dass bei der Benutzung des Materials der vorliegenden Erfindung als ein Kathodenmaterial in einer Lithiumionenbatterie die Partikel der ersten Phase Lithiumionenkapazität und folglich Aufladespeicherkapazität schaffen, während die zweite Phase für elektrischen Transport und/oder Ionentransport zwischen Partikeln der ersten Phase und/oder zwischen verschiedenen der Partikeln und einem Batterieelektrolyt sorgt; und das Material auf diese Art eine verbesserte Kathodenleistung bietet.
  • Wenigstens ein Teil der zweiten Phase kann als Partikel separat von Partikeln der ersten Phase existieren, und bei einem besonderen Beispiel weist wenigstens ein Teil der zweiten Phase Fäden auf. Bei anderen Beispielen kann wenigstens ein Teil der zweiten Phase als eine Beschichtung auf den Partikeln der ersten Phase vorliegen. Irgendein Teil der zweiten Phase kann auch Partikel aufweisen, welche innerhalb der Partikel der ersten Phase dispergiert sind. Es ist auch zu nennen, dass die zweite Phase eine Mischung der vorangehenden Morphologien enthalten kann.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung haben die Erfinder hiervon herausgefunden, dass der Einschluss von relativ kleinen Mengen eines Katalysators die Effektivität des resultierenden Kathodenmaterials verbessert, vermutlich durch Begünstigung der Bildung von geeigneten Mengen, einer geeigneten Phasenmorphologie oder einer geeigneten Verteilung einer zweiten Phase. Unter den Katalysatoren, welche angewandt werden können, sind Vanadium, typischerweise beinhaltet in der Ausgangsmischung in der Form eines Vanadiumoxids. Die Katalysatoren wurden auch als fördernd für den Lithiumionentransport im Material bei Vergleich mit vergleichbaren Materialien, welche in der Abwesenheit eines Katalysators hergestellt wurden, befunden.
  • Der Katalysator kann direkt die Phosphatkomponente reduzieren, um die zweite Phase zu bilden, oder er kann andere Arten reduzieren wie Kohlenstoff, ein Metall oder ähnliches, und diese Art kann dann die Leistungsfähigkeit des resultierenden Kathodenmaterials verbessern, entweder direkt oder durch Förderung der Bildung der zweiten Phase. Beispielsweise kann Kohlenstoff gebildet werden durch die Reduktion von organischen Molekülen, welche in der Reaktionsmischung vorliegen, und dieser Kohlenstoff kann als ein direkter Leitfähigkeitsverbesserer agieren. Der Katalysator kann auch als ein Keimbildner dienen, welcher das Wachstum der zweiten Phase fördert. Daher muss die Rolle des Katalysators bei der Förderung der Bildung der zweiten Phase weit ausgelegt werden.
  • Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sehen die Verfahren hiervon die Herstellung eines Materials vor, welches Kohlenstoff beinhaltet, wobei der elektronische Zustand, die Morphologie und/oder die Disposition des Kohlenstoffes in dem Verbundmaterial optimiert ist, um ein Kathodenmaterial bereitzustellen, welches verbesserte elektronische und ionische Transporteigenschaften aufweist. Kohlenstoff kann in der Ausgangsmischung in der Form von freiem Kohlenstoff vorliegen oder als eine Kohlenstoff enthaltende Art, welche entweder spezifisch zugegeben ist oder als ein Artefakt des Prozesses erlangt wurde. Kohlenstoff ist bekannt, eine gute elektrische Leitfähigkeit zu besitzen; die Gegenwart von sogar relativ kleinen Mengen an Kohlenstoff kann die elektrische Leitfähigkeit von Materialien des Typs, welche im Gebrauch der vorliegenden Erfindung benutzt werden, verbessern. Es wurde herausgefunden, dass die elektronischen Eigenschaften von sp2-koordiniertem Kohlenstoff besser sind hinsichtlich der Materialien der vorliegenden Erfindung als die elektronischen Eigenschaften von sp3-koordiniertem Kohlenstoff. Wenngleich der Anmelder nicht von einer Vermutung eingenommen sein will, postuliert er, dass die Anwendung der Verfahren der vorliegenden Erfindung ein Material schafft, welches eine erhöhte Konzentration an sp2-Kohlenstoff aufweist, als bei mit anderen Prozessen des Standes der Technik. Zum Beispiel erhöhen die Anwesenheit des Katalysators und/oder der Reduktionsschritt die Menge an bevorzugtem sp2-Kohlenstoff. Als ein Ergebnis werden höhere elektrische Leitfähigkeiten erreicht.
  • Es ist auch beabsichtigt, dass die Morphologie und/oder Verteilung des Kohlenstoffs durch die Prozesse der vorliegenden Erfindung optimiert ist. Während Kohlenstoff, und insbesondere sp2-Kohlenstoff, eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist, nimmt er nicht aktiv am Lithiumionentransport teil, wenn das Material der vorliegenden Erfindung in einer Lithiumionenbatterie benutzt wird. Bei der vorliegenden Erfindung ermöglicht die hohe elektrische Leitfähigkeit des sp2-Kohlenstoffes den Einsatz kleinerer Mengen an Kohlenstoff, wobei die spezifische Kapazität des Materials verbessert wird. Darüber hinaus optimieren die Verfahren der vorliegenden Erfindung die Partikelgröße, -form und/oder -verteilung des Kohlenstoffes so, dass sein elektronischer Effekt maximiert wird, während jegliche Inhibition des Ionentransports minimiert wird. Die in-situ-Bildung von Kohlenstoff aus einer genau gemischten Mischung von reaktiven Vorläufern erleichtert die Verteilung von sehr kleinen Partikeln und/oder dünnen Filmen der zweiten Phase auf oder zwischen Partikeln von ionisch aktivem Material. Diese klein dimensionierten Körper von Kohlenstoff bilden einen guten elektrischen Kontakt zwischen ionisch aktiven Partikeln und minimieren jegliches Hindernis für den Ionentransport dazwischen.
  • Daher wurde gemäß diesem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung befunden, dass Schritte der vorliegenden Erfindung einschließlich einer oder mehrerer Einbindungen eines Katalysators, eines Mahlens und Mischens, und einer Reaktion unter Reduktionsbedingungen dazu dienen, die elektronischen und physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoff, welcher in den Materialien der vorliegenden Erfindung beinhaltet sein kann, zu optimieren. Auf diese Art werden sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die ionische Speicherung and die Transporteigenschaften der Materialien der vorliegenden Erfindung hinsichtlich deren Gebrauch als elektrochemische Materialien und insbesondere als Kathodenmaterialien für Lithiumbatterien optimiert.
  • In einer Gruppe von Ausführungen der vorliegenden Erfindung weist die erste Phase annähernd 80–95 Mol-Prozent des Verbundmateriales auf, und die zweite Phase weist 5–20 Mol-Prozent des Verbundmaterials auf. In einer besonderen Gruppe von Materialien weist die erste Phase 85–90 Mol-Prozent des Materials und die zweite Phase 10–15 Mol-Prozent des Materials auf. Typische Konzentrationen an Katalysatormaterial in dem resultierenden Verbundmaterial sind generell ziemlich niedrig und fallen typischerweise in den Bereich von 0,1–5 Atom-Prozent des gesamten Materials. Die EDX-Analyse weist darauf hin, dass Konzentrationen an Vanadium oder anderen Restkatalysatoren etwas höher in der zweiten Phase sind, was darauf hinweist, dass das Katalysatormaterial die Bildung der zweiten Phase fördert. Es ist auch möglich, dass der Katalysator als ein Kernbildungspunkt für das Wachstum der zweiten Phase fungieren kann. Dies kann in Ergänzung zu oder anstelle jeder Aktion als ein reduzierendes Agens der Fall sein.
  • In einem typischen Prozess für die Synthese eines Materials der vorliegenden Erfindung wird eine Ausgangsmischung erstellt, welche Lithium, eines oder mehrere Metalle wie Eisen, eine Quelle von Phosphationen und den Katalysator enthält. Diese Mischung wird typischerweise durch Mahlen z. B. in einer Kugelmühle, einer Scheibenmühle, einem Mörser oder ähnlichem, durchmischt, und diese resultierende Mischung wird in einer Reduktionsumgebung erhitzt. Bei einigen Beispielen kann der Mahlprozess organische Verbindungen in die Reaktionsmischung einbringen wie z. B. aus Lösungsmittel oder aus dem Kessel in welchem das Mahlen stattfindet. Kohlenstoff, welcher aus dieser Quelle abgeleitet wird, hat einen fördernden Effekt auf die Bildung des Materials der vorliegenden Erfindung. Eine typische Reduktionsumgebung kann eine Gasatmosphäre, welche einen oder mehrere Wasserstoffe, Ammoniak, Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, aufweisen; und im Allgemeinen werden gleiche Ergebnisse erzielt durch Benutzung zum einen von Gas, wobei darauf hingewiesen wird, dass die Bildung einer jeglichen Stickstoff enthaltenden Phase nicht essentiell für die Effektivität des Materials der vorliegenden Erfindung ist. In anderen Beispielen kann die Reduktionsumgebung durch Zugabe fester oder flüssiger Reduktionsmittel in die Mischung gebildet werden.
  • In einer Gruppe der Synthesen stellt die Lithiumquelle ein Lithiumsalz wie Lithiumkarbonat dar. Die Eisen- und Phosphationen können beide bereitgestellt werden durch Benutzung eines Materials wie Eisenphosphat, welches anschließend zu einer Eisenverbindung reduziert wird. Wie oben erwähnt, ist Vanadium ein bevorzugtes Katalysatormaterial und kann in der Form von V2O5 benutzt werden. Wie ebenfalls oben erwähnt, kann Kohlenstoff, insbesondere während der Reduktionssynthese erzeugter Kohlenstoff, einen förderlichen Effekt auf die Bildung der Materialien der vorliegenden Erfindung haben. Folglich können kleine Mengen von organischem Material zu der Reaktionsmischung zugegeben werden, entweder direkt oder als Artefakte des Herstellungsprozesses. Diese Reaktionsmischung wird erhitzt, bei atmosphärischem Druck und unter einer Reduktionsatmosphäre wie oben erwähnt, auf eine Temperatur von ungefähr 550–600°C für 1,5–2,0 Stunden. Nach der Reduktion wird das Material auf Raumtemperatur gekühlt, typischerweise unter einer inerten Atmosphäre. Solchermaßen produziertes Material zeigt exzellente Leistungscharakteristika, wenn es in Kathoden für Lithiumbatterien aufgenommen ist.
  • Bei einer spezifischen Vorgehensweise wurde ein erstes Material hergestellt aus einer Ausgangsmischung, welche aufwies: Li2CO3, 0,02 M (1,4780 g) und FePO4 × H2O, 0,04 M (7,0031 g mit Fe-Gehalt von 31,9%). Ein zweites Material wurde hergestellt aus einer Mischung, welche aufwies: Li2CO3, 0,02 M (1,4780 g); FePO4 × H2O, 0,95 × 0,04 M (6,6530 g mit Fe-Gehalt von 31,9%) und V2O5, 0,05 × 0,02 M (0,1819 g). Die Mischungen wurden jeweils kugelgemahlen für 96 Stunden in Aceton mit 2 mm und 5 mm YSZ-Kugeln. Der Acetonschlicker wurde aus der Flasche abgesondert und in Luft getrocknet. Die Puder wurden dann gemahlen mit einem Mörser und Stößel und in Quarzschiffchen transferiert für eine Reduktionsreaktion mit programmierter Temperatur.
  • Bei der Reaktion wurden die Mischungen unter einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt, gemäß folgendem Plan: RT→350°C, 2 Stunden; 350°C→350°C, 2 Stunden; 350°C→600°C, 3 Stunden; 600°C→600°C, 1,5 Stunden. Danach wurden die Proben auf 100°C gekühlt und in einer O2/He-Atmosphäre passiviert.
  • Bei der vanadiumfreien Probe variierten die Partikel in der Größe von 50 nm bis zu einigen Mikrometern, und die mikrometergroßen Partikel hatten nanometergroße Merkmale. Die EDX-Analyse der zwei 200 nm großen Partikel zeigte ein Atomprozentverhältnis von Fe:P:O von 29,4:28:42,6 und 25,8:28,5:45,7, die Anwesenheit von Phosphat und teilweise reduziertem Phosphat anzeigend. Die EDX-Analyse einer mikrometergroßen Einkristallfädenstruktur (whisker structure) zeigte ein Atomprozentverhältnis für Fe:P:O von 49,1:48,9:2,0 die Anwesenheit von FeP anzeigend. Die EDX-Analyse von einem Spot auf eine mikrometergroße Einkristallfädenstruktur zeigte Na Spitzen mit einem Atomprozent von 11,6. Alle anderen EDX-Analysen auf unterschiedliche Spots zeigten ein Fe:P Verhältnis von etwa 1 mit einem Atomprozent von 0 von 1,6 bis 49,5 anzeigend die Gegenwart von Phosphat, teilweise reduziertem Phosphat und FeP, jedoch gab es keine Anzeichen von Fe2P oder Fe3P.
  • Ähnliche Analysen des V enthaltenden Materials zeigten Partikelgrößen in einem Bereich von 50 nm bis zu einigen Mikrometer mit nanometergroßen Merkmalen auf den mikrometergroßen Partikeln. Die EDX-Analyse von einem 150 nm großen Partikel zeigte ein Atomprozentverhältnis von Fe:P:O:V von 2,68:25,1:47,2:1,0, die Anwesenheit von Phosphat und teilweise reduziertem Phosphat anzeigend. Die EDX-Analyse von einem 30 nm großen Partikel zeigte ein Atomprozentverhältnis von Fe:P:O:V von 59,4:33,9:3,9:2,9, die Bildung von Fe2P mit der Anwesenheit von V anzeigend. Die EDX-Analyse von drei unterschiedlich großen Einkristallfädenstrukturen zeigte die Gegenwart von Fe2P. Die EDX-Analyse von runden Partikeln zeigte keinen Unterschied in der Phosphatbildung im Hauptteil und an den Rändern. Das Beugungsmuster von LiFePO4 weist auf die Olivin-Kristallstruktur hin.
  • Die vorangehende Beschreibung wurde primär auf Eisen enthaltende Materialien gerichtet; jedoch ist zu verstehen, dass Verbundmaterialien basierend auf anderen Metallen gleichfalls gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können. Auch wurde das Material der vorliegenden Erfindung mit primärem Bezug auf seine Verwendung als ein Kathodenmaterial für Lithiumbatterien beschrieben. Es ist zu verstehen, dass dieses Material entsprechend seiner elektronischen und ionischen Eigenschaften auch Verwendung in anderen elektrochemischen Anwendungen, wie chemischen Reaktoren, anderen Batteriesystemen, elektronischen Vorrichtungen und dergleichen, finden wird. Auch wird das Material der vorliegenden Erfindung Verwendung in verschiedenen katalytischen Anwendungen sowohl als Elektrokatalysator als auch als nicht-elektrischer Katalysator finden. Entsprechend ist es zu verstehen, dass die vorangehende Beschreibung und Diskussion veranschaulichend für verschiedene Ausführungen der Erfindung ist, jedoch nicht für die Anwendung dieser beschränkend ist. Es sind die folgenden Ansprüche einschließlich aller Äquivalente, welche den Umfang der Erfindung bestimmen.

Claims (19)

  1. Verfahren zum Synthetisieren eines Verbundmateriales, aufweisend die Schritte: Bereitstellung einer Ausgangsmischung, beinhaltend Lithium, wenigstens ein Metall M, ein Phosphation und einen Vanadium aufweisenden Katalysator, welcher bei der Synthese des Verbundmaterials die Bildung einer Phase fördert, welche einen Elektronen- und/oder Lithiumionentransport verbessert; Erhitzen dieser Mischung in einer Reduktionsatmosphäre derart, um ein Verbundmaterial zu erzeugen, welches zu 80 bis 95 Mol-Prozent eine erste Phase beinhaltet, die LixMy(PO4)z aufweist, wobei M das wenigstens eine Metall ist, y und z unabhängig größer als 0 sind, und x weniger als oder gleich 1 ist; und eine zweite Phase beinhaltet, welche eine elektronische Leitfähigkeit und/oder Lithiumionenleitfähigkeit größer als die der ersten Phase besitzt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei x größer als 0 ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Katalysator gewählt wird, der geeignet ist, die Reduktion des Phosphations in der Mischung zu fördern.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Phase M und Phosphor beinhaltet.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zweite Phase weiter Sauerstoff beinhaltet, und das Atomverhältnis von Sauerstoff zu Phosphor weniger als 4:1 ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Metall M Eisen beinhaltet.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zweite Phase ein Mitglied ausgewählt aus der Gruppe aus Fe2P2O7; FeP; Fe2P; Fe3P und Kombinationen hiervon aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Phase 5–20 Mol-Prozent des Verbundmaterials darstellt.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vanadium der Ausgangsmischung in der Form V2O5 zugegeben ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Katalysator gewählt wird, der geeignet ist, in der Mischung die Reduktion einer Kohlenstoff enthaltenden Art derart zu fördern, dass freier Kohlenstoff gebildet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der freie Kohlenstoff wenigstens teilweise sp2-koordiniert ist und das Verhältnis von sp2- zu sp3-koordiniertem Kohlenstoff bei Ausbildung in Anwesenheit des Katalysators größer ist als es bei Ausbildung in Abwesenheit des Katalysators wäre.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reduktionsumgebung eine Gasumgebung aufweist, welche ein oder mehrere von Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Ammoniak beinhaltet.
  13. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Eisen in der Ausgangsmischung in der Form eines Fe+3-Ions vorliegt.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, beinhaltend den weiteren Schritt eines Mahlens der Mischung vor dem Erhitzen der Mischung in der Reduktionsumgebung.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Mahlens der Mischung das Mahlen der Mischung in einer Kugelmühle aufweist.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erhitzens der Mischung das Erhitzen der Mischung auf eine Temperatur in einem Bereich von 300–600°C aufweist.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ausgangsmischung eine Kohlenstoffquelle beinhaltet.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Kohlenstoffquelle eine organische Verbindung ist.
  19. Elektrode, welche ein Verbundmaterial aufweist, welches mit einem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18 hergestellt ist.
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Families Citing this family (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7842420B2 (en) 2005-02-03 2010-11-30 A123 Systems, Inc. Electrode material with enhanced ionic transport properties
US7892676B2 (en) * 2006-05-11 2011-02-22 Advanced Lithium Electrochemistry Co., Ltd. Cathode material for manufacturing a rechargeable battery
US7781100B2 (en) * 2005-05-10 2010-08-24 Advanced Lithium Electrochemistry Co., Ltd Cathode material for manufacturing rechargeable battery
JP4804045B2 (ja) * 2005-06-15 2011-10-26 Agcセイミケミカル株式会社 リチウム鉄複合酸化物の製造方法
US7939201B2 (en) * 2005-08-08 2011-05-10 A123 Systems, Inc. Nanoscale ion storage materials including co-existing phases or solid solutions
US8158090B2 (en) 2005-08-08 2012-04-17 A123 Systems, Inc. Amorphous and partially amorphous nanoscale ion storage materials
US8323832B2 (en) * 2005-08-08 2012-12-04 A123 Systems, Inc. Nanoscale ion storage materials
TWI413292B (zh) * 2006-09-04 2013-10-21 Synergy Scientech Corp 作為電極活性物質之材料及其製備方法
US20080248375A1 (en) * 2007-03-26 2008-10-09 Cintra George M Lithium secondary batteries
US20080241645A1 (en) * 2007-03-26 2008-10-02 Pinnell Leslie J Lithium ion secondary batteries
US20080240480A1 (en) * 2007-03-26 2008-10-02 Pinnell Leslie J Secondary Batteries for Hearing Aids
CN101453019B (zh) * 2007-12-07 2011-01-26 比亚迪股份有限公司 含磷酸亚铁锂的正极活性物质及其制备方法和正极及电池
TWI466370B (zh) 2008-01-17 2014-12-21 A123 Systems Inc 鋰離子電池的混合式金屬橄欖石電極材料
KR101865419B1 (ko) 2009-08-25 2018-06-07 에이일이삼 시스템즈, 엘엘씨 개선된 비용량 및 에너지 밀도를 갖는 리튬 이온 배터리를 위한 혼합된 금속 감람석 전극 물질
EP2478061B1 (de) * 2009-09-18 2024-03-06 A123 Systems LLC Eisenphosphat und herstellungsverfahren dafür
US9660267B2 (en) 2009-09-18 2017-05-23 A123 Systems, LLC High power electrode materials
JP5375482B2 (ja) * 2009-09-24 2013-12-25 株式会社Gsユアサ 非水電解質二次電池用負極活物質、非水電解質二次電池用負極及び非水電解質二次電池
US9139429B2 (en) * 2010-03-02 2015-09-22 Guiqing Huang High performance cathode material LiFePO4, its precursors and methods of making thereof
JPWO2011111628A1 (ja) * 2010-03-09 2013-06-27 旭硝子株式会社 リン酸化合物、二次電池用正極、及び二次電池の製造方法
US20120138867A1 (en) * 2010-11-11 2012-06-07 Phostech Lithium Inc. Carbon-deposited alkali metal oxyanion electrode material and process for preparing same
US9160001B2 (en) 2010-12-23 2015-10-13 Wildcat Discovery Technologies, Inc. Lithium-ion battery materials with improved properties
WO2012098960A1 (ja) * 2011-01-19 2012-07-26 株式会社 村田製作所 正極活物質およびその製造方法、ならびに二次電池
JP5760524B2 (ja) * 2011-03-09 2015-08-12 株式会社Gsユアサ リチウム二次電池用正極活物質およびリチウム二次電池
JP2014149943A (ja) * 2013-01-31 2014-08-21 Kyocera Corp 活物質およびそれを用いた二次電池
GB201308654D0 (en) 2013-05-14 2013-06-26 Faradion Ltd Metal-containing compounds
JP6068257B2 (ja) * 2013-05-17 2017-01-25 京セラ株式会社 活物質およびそれを用いた二次電池
KR102273769B1 (ko) * 2013-12-30 2021-07-07 삼성에스디아이 주식회사 리튬 전이금속 인산화물, 그 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 리튬 이차전지
CN110998918B (zh) 2018-04-10 2022-12-06 株式会社Lg新能源 制备磷化铁的方法、包含磷化铁的锂二次电池用正极和包含所述正极的锂二次电池
CN115528296B (zh) * 2022-09-29 2023-12-29 欣旺达动力科技股份有限公司 一种二次电池

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6656635B2 (en) * 2000-10-06 2003-12-02 Sony Corporation Non-aqueous electrolyte secondary cell

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5910382A (en) 1996-04-23 1999-06-08 Board Of Regents, University Of Texas Systems Cathode materials for secondary (rechargeable) lithium batteries
US6514640B1 (en) 1996-04-23 2003-02-04 Board Of Regents, The University Of Texas System Cathode materials for secondary (rechargeable) lithium batteries
US6156931A (en) 1999-03-24 2000-12-05 Uop Llc Crystalline manganese (II/III) phosphate compositions
CA2270771A1 (fr) 1999-04-30 2000-10-30 Hydro-Quebec Nouveaux materiaux d'electrode presentant une conductivite de surface elevee
US6528033B1 (en) 2000-01-18 2003-03-04 Valence Technology, Inc. Method of making lithium-containing materials
CA2320661A1 (fr) 2000-09-26 2002-03-26 Hydro-Quebec Nouveau procede de synthese de materiaux limpo4 a structure olivine
US20040202935A1 (en) * 2003-04-08 2004-10-14 Jeremy Barker Cathode active material with increased alkali/metal content and method of making same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6656635B2 (en) * 2000-10-06 2003-12-02 Sony Corporation Non-aqueous electrolyte secondary cell

Also Published As

Publication number Publication date
CA2586237C (en) 2014-08-19
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