EP2661781A1 - Electrode materials and method for producing same - Google Patents

Electrode materials and method for producing same

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EP2661781A1
EP2661781A1 EP12704053.3A EP12704053A EP2661781A1 EP 2661781 A1 EP2661781 A1 EP 2661781A1 EP 12704053 A EP12704053 A EP 12704053A EP 2661781 A1 EP2661781 A1 EP 2661781A1
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EP
European Patent Office
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compound
iron
range
carbon
lithium
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12704053.3A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Robert Bayer
Bastian Ewald
Jordan Keith Lampert
Simon SCHRÖDLE
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BASF SE
Original Assignee
BASF SE
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Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a process for the production of electrode materials, which is characterized in that
  • At least one carbon source which may be a separate carbon source or at least one iron compound (A) or phosphorus compound (B) or lithium compound (C),
  • the present invention relates to electrode materials which are obtainable by the process according to the invention. Furthermore, the present invention relates to the use of electrode materials according to the invention in electrochemical cells.
  • numerous materials have hitherto been proposed, for example lithium-containing spinels, layered mixed oxides such as lithiated nickel-manganese-cobalt oxides and lithium-iron-phosphates.
  • Lithium iron phosphates are of particular interest because they contain no toxic heavy metals and in many cases are very robust against oxidation and water.
  • a disadvantage of lithium iron phosphates may be the comparatively low energy density.
  • lithium iron phosphates should be very finely divided to have suitable electrochemical properties. With finely divided lithium iron phosphates, high levels of dust and poor rheological properties are often observed, which cause problems in production and processing.
  • a further object was to provide chemically insensitive electrode materials which can be produced with as little effort as possible and which do not cause any great dust load. chen.
  • the object was to provide electrochemical cells which have overall positive application properties. Examples of application properties are the properties when processing into batteries or battery components as well as the properties of the batteries produced therefrom.
  • inventive method the method defined above was found, hereinafter also referred to as inventive method.
  • stage (a) several of the starting materials, preferably all the starting materials involved, are mixed in several or preferably in one step.
  • vessels for mixing for example, stirred tank and stirred flasks are suitable.
  • the starting material (A) is selected from at least one iron compound, hereinafter also called iron compound (A).
  • iron compound (A) is chosen from those in which iron, ie Fe, is present in the oxidation state +2 or +3.
  • iron compound (A) is chosen from those in which iron, ie Fe, is present in the oxidation state +2 or +3.
  • iron compound (A) is chosen from those in which iron, ie Fe, is present in the oxidation state +2 or +3.
  • iron compound (A) is chosen from those in which iron, ie Fe, is present in the oxidation state +2 or +3.
  • iron compound (A) is chosen from those in which iron, ie Fe, is present in the oxidation state +2 or +3.
  • iron compound (A) is chosen from those in which iron, ie Fe, is present in the oxidation state +2 or +3.
  • iron compound (A) is chosen from those in which iron, ie Fe, is present in the oxidation state +2 or
  • Preferred iron compounds (A) are Fe (OH) 3, basic Fe (lll) hydroxide, particularly FeOOH, ammonium citrate, Fe20 3, Fe 3 0 4, iron acetate, iron citrate, iron lactate, iron phosphate, iron carbonate and Eisenphosphonat.
  • At least two iron compounds are selected as starting material (A), at least one of which has at least one, preferably at least two, Fe in the oxidation state +2 or +3.
  • starting material (A) at least three iron compounds are chosen, all of which have Fe in the oxidation state +2 or +3.
  • the starting material (A) selected is exactly one iron compound present in Fe in the oxidation state +2 or +3.
  • Starting material (A) can be used, for example, as an aqueous solution, as an aqueous suspension or as a powder, for example with average particle diameters in the range from 10 to 750 nm, preferably in the range from 25 to 500 nm.
  • At least one phosphorus compound is chosen , hereinafter also called phosphorus compound (B), selected from phosphine and compounds in which phosphorus is in the oxidation state +1 or +3 or +5, for example phosphines having at least one alkyl group or at least one alkoxy group per molecule, phosphorus halides, phosphonic acid , hypophosphorous acid and phosphoric acid.
  • Preferred phosphanes are PH 3 and phosphanes of the general formula (I)
  • R 1 may be different or the same and is selected from phenyl and preferably C 1 -C 10 -alkyl, cyclic or linear, for example methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl, n-pentyl, cyclopentyl, iso-amyl, iso-pentyl, n-hexyl, iso-hexyl, cyclohexyl, and 1, 3-dimethylbutyl, preferably n-Ci-Cö-alkyl, more preferably methyl, Ethyl, n-propyl, isopropyl, and most preferably methyl or ethyl.
  • R 1 may be different or preferably identical and are selected from the above-mentioned Ci-C ß alkyl radicals.
  • X 1 may be different or the same and is selected from halogen, phenoxy groups and alkoxy groups, preferably of the formula OR 1 , in particular methoxy and ethoxy, and wherein
  • Halogen is preferably bromine and particularly preferably chlorine, r, s are selected from integers in the range from zero to three,
  • phosphorus compound (B) is selected from compounds of general formula P (OR 1 ) 3 , wherein R 1 is different or preferably may be the same and selected from phenyl and C 1 -C 10 -alkyl, particularly preferred are P (OCH 3) 3 and P (OC 2 H 5 ) 3 .
  • hypophosphorous acid and phosphoric acid can be selected in each case the free acid or corresponding salts, in particular lithium and ammonium salts.
  • phosphoric acid and phosphonic acid can be selected in each case the mononuclear acids H 3 P0 3 or H 3 P0 4 , but also two-, three- or more-nuclear acids, for example I-ÜP2O7 or polyphosphoric acid.
  • the starting material (B) two or more phosphorus compounds (B) are selected.
  • exactly one phosphorus compound (B) is chosen.
  • the starting material (C) used is at least one lithium compound, also called lithium compound (C), preferably at least one inorganic lithium compound.
  • suitable inorganic lithium compounds are lithium halides, for example lithium chloride, furthermore lithium sulfate, lithium acetate, LiOH, Li 2 CO 3 , L 12 O and LiNO 3 ; preferred are L12SC, LiOH, Li2C0 3 , L12O and LiN0 3 .
  • lithium compound can contain water of crystallization, for example LiOH ⁇ H2O.
  • phosphorus compound (B) and lithium compound (C) are each selected from lithium phosphate, lithium orthophosphate, lithium metaphosphate, lithium phosphonate, lithium phosphite, lithium hydrogen phosphate or lithium dihydrogen phosphate, ie lithium phosphate, lithium phosphonate, lithium phosphite or lithium (di) Hydrogen phosphate can each serve simultaneously as a phosphorus compound (B) and as a lithium compound (C).
  • At least one carbon source also called carbon source (D) for short, may be used, which may be a separate carbon source or at least one iron compound (A) or phosphorus compound (B) or lithium compound (C).
  • a separate carbon source (D) is to be understood as meaning that a further starting material is used which is selected from elemental carbon in a modification which conducts the electric current or a compound which is used in the thermal treatment in step (c) is decomposed into carbon and different from iron compound (A), phosphorus compound (B) and lithium compound (C).
  • carbon source (D) for example, carbon in a modification that conducts the electric current is suitable, for example, carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes or activated carbon.
  • graphite are not only mineral and synthetic graphite, but also expanded graphite and intercalated graphite.
  • Carbon black may, for example, be selected from lampblack, furnace black, flame black, thermal black, acetylene black, carbon black and furnace carbon black.
  • Carbon black may contain impurities, for example hydrocarbons, in particular aromatic hydrocarbons, or oxygen-containing compounds or oxygen-containing groups, for example OH groups.
  • sulfur or iron-containing impurities in carbon black are possible.
  • Further suitable carbon sources (D) are compounds of carbon which are decomposed to carbon during the thermal treatment in step (c). For example, synthetic and natural polymers, unmodified or modified, are suitable.
  • Examples of synthetic polymers are polyolefins, for example polyethylene and polypropylene, furthermore polyacrylonitrile, polybutadiene, polystyrene, and copolymers of at least two comonomers selected from ethylene, propylene, styrene, (meth) acrylonitrile and 1,3-butadiene.
  • polyisoprene and polyacrylates are suitable. Particularly preferred is polyacrylonitrile.
  • polyacrylonitrile is understood to mean not only polyacrylonitrile homopolymers, but also copolymers of acrylonitrile with 1,3-butadiene or styrene. Preference is given to polyacrylonitrile homopolymers.
  • polyethylene is understood to mean not only homo-polyethylene, but also copolymers of ethylene which contain at least 50 mol% of ethylene in copolymerized form and up to 50 mol% of at least one further comonomer, for example Olefins such as propylene, butylene (1-butene), 1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene, 1-pentene, also isobutene, vinyl aromatics such as styrene, further
  • Olefins such as propylene, butylene (1-butene), 1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene, 1-pentene, also isobutene, vinyl aromatics such as styrene, further
  • Polyethylene may be HDPE or LDPE.
  • polypropylene is understood to mean not only homo-polypropylene but also copolymers of propylene which contain at least 50 mol% of propylene polymerized and up to 50 mol% of at least one further comonomer, for example ethylene and ⁇ -propylene.
  • Olefins such as butylene, 1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene and 1-pentene.
  • Polypropylene is preferably isotactic or substantially isotactic polypropylene.
  • polystyrene is understood to mean not only homopolymers of styrene, but also copolymers with acrylonitrile, 1,3-butadiene, (meth) acrylic acid, C 1 -C 10 -alkyl esters of (meth) acrylic acid, divinylbenzene, in particular 1, 3-divinylbenzene, 1, 2-diphenylethylene and ⁇ -methylstyrene.
  • Another suitable synthetic polymer is polyvinyl alcohol.
  • Suitable natural polymers as carbon source (D) are for example starch, cellulose, alginates (eg agar agar, furthermore pectins, gum arabic, oligo and polysaccharides, guar gum and locust bean gum as well as amylose and amylopectin.) Also suitable Examples of modified natural polymers include methanol-etherified starch, acetylated starch and acetylcellulose, and further phosphated and sulfated starch.
  • carbides are suitable as the carbon source (D), preferably covalent carbides, for example iron carbide Fe 3 C.
  • low volatility low molecular weight organic compounds are suitable as carbon source (D).
  • Particularly suitable compounds are those which react at temperatures in the
  • Range of 350 to 1200 ° C does not evaporate, but decompose, for example as a solid or in the melt.
  • dicarboxylic acids for example phthalic acid, phthalic anhydride, isophthalic acid, terephthalic acid, tartaric acid, citric acid, pyruvic acid, furthermore sugars, for example monosaccharides having 3 to 7 carbon atoms per molecule (trioses, tetroses, pentoses, hexoses, heptoses) and condensates of monosaccharides such as for example, di-, tri- and oligosaccharides, in particular lactose, glucose and fructose, as well as sugar alcohols and sugar acids, for example aldonic acids, ketoaldonic acids, uronic acids and aldaric acids, in particular galactonic acid.
  • dicarboxylic acids for example phthalic acid, phthalic anhydride, isophthalic acid, terephthalic acid, tartaric acid,
  • low molecular weight organic compounds as carbon source (D) are urea and its less volatile condensates biuret, melamine, melam (N2- (4,6-diamino-1, 3,5-triazin-2-yl) -1, 3, 5-triazine-2,4,6-triamine) and Meiern (1, 3,4,6,7,9,9b-heptaazaphenalene-2,5,8-triamine).
  • carbon sources (D) are salts, preferably iron, ammonium salts and alkali metal salts, more preferably iron, sodium, potassium, ammonium or lithium salts, of organic acids, for example acetates, propionates, lactates, citrates, tartrates, benzoates , Butyrates.
  • Particularly preferred examples are ammonium acetate, potassium ammonium tartrate, potassium hydrogen tartrate, potassium sodium tartrate, sodium tartrate (disodium tetradrate), sodium hydrogentartrate, lithium hydrogentate, lithium ammonium tartrate, lithium tartrate, lithium citrate,
  • an organic phosphorus compound which may include, for example, trimethyl trimethylate, triethyl phosphite, triphenyl phosphine and triphenylphosphine oxide (CeHs ⁇ PO.
  • lithium acetate, lithium lactate or lithium hydrogen tartrate are respectively selected.
  • Lithium compound (C) Lithium acetate, lithium lactate or lithium hydrogen tartrate can each serve simultaneously as carbon source (D).
  • the carbon source (D) and iron compound (A) are each selected from iron acetate, iron citrate, iron carbide or ammonium citrate, i. the iron compound (A) iron acetate, iron citrate, iron carbide or ammonium citrate can simultaneously serve as carbon source (D).
  • the iron compound (A), carbon source (D) and lithium compound (C) are each selected from lithium iron citrate, i. Lithium-iron citrate can in each case simultaneously serve as iron compound (A), carbon source (D) and as lithium compound (C).
  • two different carbon sources (D) and two different phosphorus compounds (B) are chosen.
  • starting material (E) it is also possible to use a reducing agent, also called reducing agent (E) for short.
  • the reducing agent (E) it is possible to use gaseous, liquid or solid substances which, under the conditions of step (a), (b) or (c), convert iron, if necessary, into the oxidation state +2.
  • a solid reducing agent (E) is selected from a metal, for example nickel or manganese, or a metal hydride.
  • gaseous reducing agent (E) can be used for example hydrogen, carbon monoxide, ammonia and / or methane.
  • a very suitable reducing agent is H3PO3 and its ammonium and lithium salts.
  • Suitable reducing agents are metallic iron and iron pentacarbonyl.
  • phosphoric acid (B) and reducing agent (E) are each selected to be H3PO3, ie H3PO3 can simultaneously serve as phosphorus compound (B) and as reducing agent (E). In one embodiment of the present invention, no reducing agent (E) is used.
  • starting material (F) it is possible to use at least one further metal compound in which the one or more metals are different from iron, in short also called metal compound (F).
  • metal compound (F) it is preferable to use one or more metals from the first period of the transition metals as the metal. It is particularly preferable to choose metal compound (F) from compounds of Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Mg, Al, Nb, W, Mo, Cu and Zn. Sc, V, Mn, Ni, Co. Most preferably one selects metal compound (F) from oxides, hydroxides, carbonates and sulfates of metals of the first period of the transition metals.
  • Metal compound (F) may be anhydrous or hydrous. Metal cation in metal compound (F) can be present in complexed form, for example as hydrate complex, or uncomplexed.
  • Metal compound (F) can be a salt, for example halide, in particular chloride, furthermore nitrate, carbonate, sulfate, oxide, hydroxide, acetate, citrate, tartrate or salts with different anions.
  • salts are selected from oxides, carbonates, hydroxides and nitrates, basic or neutral.
  • Very particularly preferred examples of metal compounds (F) are oxides, hydroxides, carbonates and sulfates.
  • metal compound (F) is selected from fluorides, for example as alkali metal fluoride, especially sodium fluoride.
  • metal compound (F) may function as one or the sole carbon source (D), exemplified by nickel acetate, cobalt acetate, zinc acetate and manganese (II) acetate.
  • metal compound (F) may act as one or the sole reducing agent (E).
  • examples include manganese (II) acetate, MnC0 3 , MnS0 4 , nickel lactate, manganese hydride, nickel hydride, nickel suboxide, nickel carbide, manganese carbide and manganese (ll) lactate called.
  • one or more solvents may be added in step (a), for example one or more organic solvents (G) and / or water.
  • Organic solvents (G) are to be understood as meaning those substances which are liquid at the temperature of step (a) of the process according to the invention and which have at least one CH bond per molecule.
  • water and an organic solvent (G) are added.
  • suitable organic solvents (G) are, in particular, halogen-free organic solvents. such as methanol, ethanol, isopropanol or n-hexane, cyclohexane, acetone, ethyl acetate, diethyl ether and diisopropyl ether.
  • step (a) can be carried out, for example, by stirring one or more suspensions of the starting materials (A) to (D) and optionally (E), (F) and (G).
  • the starting materials (A) to (D) and optionally (E) and (F) are intimately mixed together as solids.
  • the starting materials (A) to (D) and optionally (E), (F) and (G) may be kneaded together to form a paste.
  • the mixing in step (a) is carried out at temperatures in the range from zero to 200 ° C, preferably it is carried out at temperatures in the range of room temperature up to 1 10 ° C, particularly preferably up to 80 ° C.
  • the mixing in step (a) is carried out under atmospheric pressure. In other embodiments, the mixing is carried out at elevated pressure, for example at 1, 1 up to 20 bar. In other embodiments, the mixing in step (a) is carried out under reduced pressure, for example at 10 mbar up to 990 mbar.
  • the mixing in step (a) can be carried out over a period in the range of one minute to 12 hours, preferred are 30 minutes to 4 hours, more preferably 45 minutes to 2 hours.
  • step (a) the mixing in step (a) is performed in one step.
  • the mixing in step (a) is carried out in two or more stages.
  • Step (a) gives a mixture of at least one iron compound (A), at least one phosphorus compound (B), at least one lithium compound (C), at least one carbon source (D), optionally reducing agent (E), optionally further metal compound ( F) and preferably water and / or at least one organic solvent (G) in pasty form, as a water-containing powder, as a suspension or as a solution.
  • the mixture from step (a) is spray-dried by means of an at least apparatus which uses for spraying at least one spray nozzle, i. one carries out a spray drying or spray drying.
  • the spray drying can be carried out in a spray dryer.
  • Suitable spray dryers are drying towers, for example drying towers with one or more atomizing nozzles and spray dryer with integrated fluidized bed.
  • Particularly preferred nozzles are two-phase nozzles, in other words nozzles in the interior of which or at the mouth of which substances of different physical state are intensively mixed by means of separate accesses.
  • step (b) it is possible in a variant to compress the mixture obtained in step (a) through one or more spray devices, for example through one or more nozzles or into a hot air stream or into a hot inert gas stream or hot burner exhaust gases wherein the hot gas stream or the hot inert gas stream or the hot burner exhaust gases may have a temperature in the range of 90 to 500 ° C.
  • the mixture is dried within a fraction of a second or within a few seconds to a dry material, which is preferably obtained as a powder.
  • the resulting powder may have a certain residual moisture, for example in the range of 500 ppm to 10 wt .-%, preferably in the range of 1 to 8 wt .-%, particularly preferably in the range of 2 to 6 wt .-%.
  • the temperature of the hot air stream or of the hot inert gas stream or of the hot burner exhaust gas in step (b) is selected to be above the temperature in step (a).
  • the hot air stream or the hot inert gas stream or the hot burner exhaust gases flow in the direction of the introduced mixture from step (a) (DC method).
  • the hot air stream or hot inert gas stream flows the hot burner exhaust gases in the direction opposite to the introduced mixture from step (a) (countercurrent process).
  • the spraying device is preferably located at the upper part of the spray dryer, in particular the spray tower.
  • the dry material obtained in step (b) can be separated off after the actual spray drying by a separator, for example a cyclone from the hot air stream or hot inert gas stream or from the hot burner exhaust gases.
  • the dry material obtained in step (b) is separated from the hot air stream or hot inert gas stream or from the hot burner exhaust gases after the actual spray drying by one or more filters.
  • the dry material obtained in step (b) may, for example, have an average particle diameter (D50, weight average) in the range from 1 to 50 ⁇ m. It is preferred if the average particle diameter (D90, volume average) is up to 120 ⁇ , more preferably up to 50 ⁇ and most preferably up to 20 ⁇ .
  • D50 weight average
  • D90 volume average
  • Step (b) can be carried out batchwise (batchwise) or else continuously.
  • step (c) the dry material from step (b) is treated thermally, specifically at temperatures in the range from 350 to 1200 ° C., preferably from 400 to 900 ° C.
  • the thermal treatment in step (c) is carried out in a temperature profile with two to five, preferably with three or four zones, wherein each zone of the temperature profile preferably has a higher temperature than the preceding one.
  • a temperature in the range of 350 to 550 ° C can be set, in a second zone in the range of 450 to 750 ° C, the temperature being higher than in the first zone.
  • you wish to introduce a third zone you can thermally treat in the third zone at 700 to 1200 ° C, but in any case at a temperature higher than in the second zone.
  • the zones can be created, for example, by setting certain heating zones.
  • step (c) If one wishes to carry out step (c) intermittently, one can set a temporal temperature profile, ie. H. For example, it is first treated at 350 to 550 ° C, then at 450 to 750 ° C, the temperature being higher than in the first phase. If you wish to introduce a third phase, you can treat in the third phase at 700 to 1200 ° C, but in any case at a temperature that is higher than in the second phase.
  • the thermal treatment according to step (c) can be carried out, for example, in a rotary kiln, a pendulum reactor, a muffle open, a calcination furnace, a, a quartz ball furnace or a push-through furnace (English roller hearth kiln or RHK).
  • the thermal treatment according to step (c) can be carried out, for example, in a weakly oxidizing atmosphere, preferably in an inert or reducing atmosphere.
  • weakly oxidizing means an oxygen-containing nitrogen atmosphere which contains up to 2% by volume of oxygen, preferably up to 1% by volume.
  • inert atmosphere are noble gas, in particular argon atmosphere, and nitrogen atmosphere.
  • a reducing atmosphere are nitrogen or noble gases containing 0.1 to 10% by volume of carbon monoxide, hydrocarbon, ammonia or hydrogen.
  • Further examples of a reducing atmosphere are air or air enriched with nitrogen or with carbon dioxide, each containing more than one mole of carbon monoxide, rather than oxygen.
  • step (c) may be carried out over a period in the range of 1 minute to 24 hours, preferably in the range of 10 minutes to 3 hours.
  • the inventive method can be carried out without much dust.
  • electrode materials with excellent Theological properties are accessible, which are suitable as electrode materials and can be processed very well. For example, they can be processed into pastes with good rheological properties, such pastes have a lower viscosity.
  • Another object of the present invention are electrode materials containing
  • M is selected from Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Mg, Al, Nb, W, Mo, Cu and Zn, preferably selected from Sc, V, Mn, Ni and Co.
  • x is a number in the range of 0.1 to 4, preferably at least 0.8, particularly preferably 1 to
  • y is a number in the range of 0.1 to 1, preferably at least 0.2;
  • carbon (H) is present in the pores of secondary particles of transition metal compound (I) or in the form of particles which can contact particles of transition metal compound (I) at one point or one or more particles of carbon (H).
  • x is a number in the range of 0.8 to 3
  • y is a number in the range of 0.01 to 1
  • z is a number in the range of 3 to 5
  • a is a number in the range of 0.2 to 2.0
  • transition metal compound (I) of the formula LiFeP0 4 or LiFeo, 2Mn 0 , 8P0 4 or LiFe 0 , 5Mn 0 , 5PO 4 or LiFe 0 , 7Mn 0 , 3PO 4 .
  • transition metal compound (I) may be doped or contaminated with one or more other metal cations, for example with alkaline earth metal cations, in particular with Mg 2+ or Ca 2+ , or with alkali metal cations, in particular with K + or Na + .
  • electrode material according to the invention has a BET surface area in the range from 10 to 40 m 2 / g, determined in accordance with DIN 66131. In one embodiment of the present invention, electrode material according to the invention has a monomodal pore diameter distribution. In another embodiment of the present invention, electrode material according to the invention has a bimodal pore diameter distribution. In another embodiment of the present invention, electrode material according to the invention has a multimodal pore diameter distribution.
  • Carbon in an electrically conductive modification (H), or carbon for short is, for example, carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes, expanded graphites, intercalated graphites or activated carbon.
  • electrically conductive carbonaceous material is carbon black.
  • Carbon black may, for example, be selected from lampblack, furnace black, flame black, thermal black, acetylene black, carbon black and furnace carbon black.
  • Carbon black may contain impurities, for example hydrocarbons, in particular aromatic hydrocarbons, or oxygen-containing compounds or oxygen-containing groups, for example OH groups, epoxide groups, carbonyl groups and / or carboxyl groups.
  • sulfur or iron-containing impurities in carbon black are possible.
  • electrically conductive, carbonaceous material is partially oxidized carbon black.
  • Partially oxidized carbon black also referred to as activated carbon black, contains oxygen-containing groups such as, for example, OH groups, epoxide groups, carbonyl groups and / or carboxyl groups.
  • electrically conductive carbonaceous material is carbon nanotubes.
  • Carbon nanotubes carbon nanotubes, short CNT or English carbon nanotubes
  • SW CNT single-walled carbon nanotubes
  • MW CNT multi-walled carbon nanotubes
  • carbon nanotubes have a diameter in the range of 0.4 to 50 nm, preferably 1 to 25 nm.
  • carbon nanotubes have a length in the range of 10 nm to 1 mm, preferably 100 nm to 500 nm.
  • Carbon nanotubes can be prepared by methods known per se. For example, one can use a volatile carbon-containing compound such as methane or carbon monoxide, acetylene or ethylene, or a mixture of volatile carbon-containing compounds such as synthesis gas in the presence of one or more reducing agents such as hydrogen and / or another gas such as nitrogen decompose. Another suitable gas mixture is a mixture of carbon monoxide with ethylene.
  • Suitable decomposition temperatures are, for example, in the range from 400 to 1000.degree. C., preferably from 500 to 800.degree.
  • Suitable pressure conditions for the decomposition are, for example, in the range of atmospheric pressure to 100 bar, preferably up to 10 bar.
  • Single- or multi-walled carbon nanotubes can be obtained, for example, by decomposition of carbon-containing compounds in the arc, in the presence or absence of a decomposition catalyst.
  • the decomposition of volatile carbon-containing compound or carbon-containing compounds in the presence of a decomposition catalyst for example Fe, Co or preferably Ni.
  • graphene is understood as meaning almost ideal or ideally two-dimensional hexagonal carbon crystals, which are constructed analogously to individual graphite layers. They can be one C-atom layer thick or only a few, for example 2 to 5 C-atom layers.
  • Graphene can be prepared by exfoliation or by delamination of graphite.
  • intercalated graphites are understood to mean not completely delaminated graphites which contain other atoms, ions or compounds intercalated between the hexagonal C atom layers. For example, alkali metal ions, S0 3 , nitrate or acetate can be incorporated.
  • the production of intercalated graphites (also: expandable graphites) are known, see for example Rüdorff, Z. anorg. Gen. Chem. 1938, 238 (1), 1.
  • Intercalated graphites can be prepared, for example, by thermal expansion of graphite.
  • Expanded graphites can be obtained, for example, by expansion of intercalated graphites, see, e.g. McAllister et al. Chem. Mater. 2007, 19, 4396-4404.
  • the weight ratio of transition metal compound (I) and carbon (H) is in the range from 200: 1 to 5: 1, preferably 100: 1 to 10: 1, more preferably 100: 1, 5 to 20: 1 ,
  • Carbon (H) exists in the pores of secondary particles of transition metal compound (I) or in the form of particles which can contact particles of transition metal compound (I) at a point or one or more particles of carbon (H). Carbon (H) is not present as a coating of secondary particles of transition metal compound (I), neither as a complete coating nor as a partial coating. Particles of carbon (H) do not contact secondary particles of transition metal compound (I) beyond edges. In one embodiment of the present invention, carbon (H) and transition metal compound (I) coexist in discrete particles which contact each other point-wise or not at all.
  • TEM TEM
  • SEM scanning electron microscopy
  • primary particles of compound (I) have an average diameter in the range from 1 to 2000 nm, preferably 10 to 1000 nm, particularly preferably 50 to 500 nm.
  • the mean primary particle diameter can be determined, for example, by SEM or TEM.
  • transition metal compound (I) is present in the form of particles which have an average particle diameter in the range from 1 to 150 ⁇ m (d50) and can be present in the form of agglomerates (secondary particles).
  • average particle diameter (d50) in the range of 2 to 50 ⁇ , more preferably in the range of 4 to 30 ⁇ .
  • transition metal compound (I) is in the form of particles which have an average pore diameter in the range from 0.05 ⁇ m to 2 ⁇ m and which can be present in agglomerates.
  • the average pore diameter can be determined, for example, by mercury porosimetry, for example according to DIN 66133.
  • transition metal compound (I) is present in the form of particles which have an average pore diameter in the range of 0.05 ⁇ m to 2 ⁇ m and exhibit a mono- or multimodal course of the intrusion volumes in the range 100-0.001 ⁇ m and thereby preferably have a pronounced maximum in the range between 10 ⁇ and 1 ⁇ , preferably two distinct maxima, one each between 10 and 1 and between 1 and 0.1 ⁇ .
  • carbon (H) has an average primary particle diameter in the range of 1 to 500 nm, preferably in the range of 2 to 100 nm, more preferably in the range of 3 to 50 nm, most preferably in the range of 4 to 10 nm.
  • electrode material according to the invention additionally contains at least one binder (J), for example a polymeric binder.
  • Suitable binders (J) are preferably selected from organic (co) polymers.
  • Suitable (co) polymers, ie homopolymers or copolymers, can be selected, for example, from anionic, catalytic or free-radical (co) polymerization
  • (Co) polymers in particular of polyethylene, polyacrylonitrile, polybutadiene, polystyrene, and copolymers of at least two comonomers selected from ethylene, propylene, styrene, (meth) acrylonitrile and 1, 3-butadiene.
  • polypropylene is suitable.
  • polyisoprene and polyacrylates are suitable. Particularly preferred is polyacrylonitrile.
  • polyacrylonitrile is understood to mean not only polyacrylonitrile homopolymers, but also copolymers of acrylonitrile with 1,3-butadiene or styrene. Preference is given to polyacrylonitrile homopolymers.
  • polyethylene is understood to mean not only homo-polyethylene, but also copolymers of ethylene which contain at least 50 mol% of ethylene in copolymerized form and up to 50 mol% of at least one further comonomer, for example example, ⁇ -olefins such as propylene, butylene (1-butene), 1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene, 1-pentene, also isobutene, vinyl aromatics such as styrene, continue
  • Polyethylene may be HDPE or LDPE.
  • polypropylene is understood to mean not only homo-polypropylene but also copolymers of propylene which contain at least 50 mol% of propylene polymerized and up to 50 mol% of at least one further comonomer, for example ethylene and ⁇ -propylene.
  • Olefins such as butylene, 1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene and 1-pentene.
  • Polypropylene is preferably isotactic or substantially isotactic polypropylene.
  • polystyrene is understood to mean not only homopolymers of styrene, but also copolymers with acrylonitrile, 1,3-butadiene, (meth) acrylic acid, C 1 -C 10 -alkyl esters of (meth) acrylic acid, divinylbenzene, in particular 1, 3. Divinylbenzene, 1, 2-diphenylethylene and a-methylstyrene.
  • Another preferred binder (J) is polybutadiene.
  • Suitable binders (J) are selected from polyethylene oxide (PEO), cellulose, carboxymethyl cellulose, polyimides and polyvinyl alcohol.
  • binders (J) are selected from those (co) polymers which have an average molecular weight M w in the range from 50,000 to 1,000,000 g / mol, preferably up to 500,000 g / mol. Binders (J) may be crosslinked or uncrosslinked (co) polymers.
  • binders (J) are selected from halogenated (co) polymers, in particular from fluorinated (co) polymers.
  • Halogenated or fluorinated (co) polymers include those (co) polymers which contain at least one (co) monomer in copolymerized form which has at least one halogen atom or at least one fluorine atom per molecule, preferably at least two halogen atoms or at least two fluorine atoms per molecule.
  • Examples are polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVdF), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymers (PVdF-HFP), vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymers, perfluoroalkylviny- lether copolymers, ethylene-tetrafluoroethylene copolymers, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymers and ethylene-chlorofluoroethylene copolymers.
  • Suitable binders (J) are in particular polyvinyl alcohol and halogenated (co) polymers, for example polyvinyl chloride or polyvinylidene chloride, in particular fluorinated (co) polymers such as polyvinyl fluoride and in particular polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene.
  • electrode material according to the invention contains:
  • transition metal compound (I) in the range from 60 to 98% by weight, preferably from 70 to 96% by weight of transition metal compound (I), in the range from 1 to 25% by weight, preferably from 2 to 20% by weight, of carbon (H),
  • Inventive electrode materials can be used well for the production of electrochemical cells. For example, they can be processed into pastes with good theological properties.
  • Another object of the present invention are electrochemical cells prepared using at least one electrode according to the invention.
  • a further subject of the present invention are electrochemical cells containing at least one electrode according to the invention.
  • Another aspect of the present invention is an electrode containing at least one transition metal compound (I), carbon (H) and at least one binder (J).
  • the geometry of electrodes according to the invention can be chosen within wide limits. It is preferred to design electrodes according to the invention in thin films, for example in films having a thickness in the range from 10 ⁇ m to 250 ⁇ m, preferably from 20 to 130 ⁇ m.
  • electrodes according to the invention comprise a foil, for example a metal foil, in particular an aluminum foil, or a polymer foil, for example a polyester foil, which may be untreated or siliconized.
  • Another object of the present invention is the use of electrode materials according to the invention or electrodes according to the invention in electrochemical cells.
  • a further subject of the present invention is a process for the production of electrochemical cells using electrode material according to the invention or electrodes according to the invention.
  • Another object of the present invention are e- electrochemical cells containing at least one electrode material according to the invention or at least one electrode according to the invention.
  • Electrochemical cells according to the invention definitely serve as cathodes in electrochemical cells according to the invention.
  • Electrochemical cells according to the invention contain a counterelectrode which is defined as an anode in the context of the present invention and which can be, for example, a carbon anode, in particular a graphite anode, a lithium anode, a silicon anode or a lithium titanate anode.
  • Electrochemical cells according to the invention may be, for example, batteries or accumulators.
  • Electrochemical cells according to the invention may comprise, in addition to the anode and the electrode according to the invention, further constituents, for example conductive salt, nonaqueous solvent, separator, current conductor, for example of a metal or an alloy, furthermore cable connections and housing.
  • further constituents for example conductive salt, nonaqueous solvent, separator, current conductor, for example of a metal or an alloy, furthermore cable connections and housing.
  • electrical cells according to the invention contain at least one non-aqueous solvent which may be liquid or solid at room temperature, preferably selected from polymers, cyclic or non-cyclic ethers, cyclic and non-cyclic acetals and cyclic or not cyclic organic carbonates.
  • non-aqueous solvent which may be liquid or solid at room temperature, preferably selected from polymers, cyclic or non-cyclic ethers, cyclic and non-cyclic acetals and cyclic or not cyclic organic carbonates.
  • suitable polymers are in particular polyalkylene glycols, preferably P0IV-C1-C4-alkylene glycols and in particular polyethylene glycols.
  • Polyethylene glycols may contain up to 20 mol% of one or more C 1 -C 4 -alkylene glycols in copolymerized form.
  • polyalkylene glycols are polyalkylene glycols double capped with methyl or ethyl.
  • the molecular weight M w of suitable polyalkylene glycols and especially of suitable polyethylene glycols may be at least 400 g / mol.
  • the molecular weight M w of suitable polyalkylene glycols and in particular of suitable polyethylene glycols may be up to 5,000,000 g / mol, preferably up to 2,000,000 g / mol
  • non-cyclic ethers are, for example, diisopropyl ether, di-n-butyl ether, 1, 2-dimethoxyethane, 1, 2-diethoxyethane, preference is 1, 2-dimethoxyethane.
  • Suitable cyclic ethers are tetrahydrofuran and 1,4-dioxane.
  • suitable non-cyclic acetals are, for example, dimethoxymethane, diethoxymethane, 1,1-dimethoxyethane and 1,1-diethoxyethane.
  • Suitable cyclic acetals are 1, 3-dioxane and in particular 1, 3-dioxolane.
  • non-cyclic organic carbonates examples include dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate and diethyl carbonate.
  • Suitable cyclic organic carbonates are compounds of the general formulas (I I) and (II I)
  • R 3 , R 4 and R 5 may be identical or different and selected from hydrogen and C 1 -C 4 -alkyl, for example methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, sec. Butyl and tert-butyl, preferably R 4 and R 5 are not both tert-butyl.
  • R 3 is methyl and R 4 and R 5 are each hydrogen or R 5 , R 3 and R 4 are each hydrogen.
  • Another preferred cyclic organic carbonate is vinylene carbonate, formula (IV).
  • the solvent or solvents are used in the so-called anhydrous state, i. with a water content in the range of 1 ppm to 0.1 wt .-%, determined for example by Karl Fischer titration.
  • Inventive electrochemical cells also contain at least one conductive salt.
  • Suitable conductive salts are in particular lithium salts.
  • suitable lithium salts are LiPF 6, LiBF 4, L1CIO4, LiAsF 6, L1CF3SO3, LiC (CnF 2 n + IS0 2) 3, lithium imides such as LiN (CnF 2 n + IS0 2) 2, where n is an integer ranging from 1 to 20; LiN (SO 2 F) 2, Li 2 SiF 6, LiSbF 2 O, LiAICU, and salts of the general formula (C n F 2n + i SO 2) mYLi, where m is defined as follows:
  • m 2 when Y is selected from nitrogen and phosphorus
  • m 3 when Y is selected from carbon and silicon.
  • Preferred conducting salts are selected from LiC (CF 3 SO 2 ) 3, LiN (CF 3 SO 2 ) 2, LiPF 6 , LiBF 4 ,
  • L1CIO4 and particularly preferred are LiPF ⁇ and LiN (CF3SC> 2) 2.
  • electrochemical cells according to the invention contain one or more separators, by means of which the electrodes are mechanically separated.
  • Suitable separators are polymer films, in particular porous polymer films, which are unreactive with respect to metallic lithium.
  • Particularly suitable materials for separators are polyolefins, in particular film-shaped porous polyethylene and film-shaped porous polypropylene.
  • Polyolefin separators particularly polyethylene or polypropylene, may have a porosity in the range of 35 to 45%. Suitable pore diameters are for example in the range from 30 to 500 nm.
  • separators may be selected from inorganic particle filled PET webs.
  • Such separators may have a porosity in the range of 40 to 55%. Suitable pore diameters are, for example, in the range from 80 to 750 nm.
  • Electrochemical cells according to the invention furthermore contain a housing which can have any shape, for example cuboidal or the shape of a cylindrical disk.
  • a metal foil developed as a bag is used as the housing.
  • Inventive electrochemical cells provide a high voltage and are characterized by a high energy density and good stability.
  • Electrochemical cells according to the invention can be combined with one another, for example in series connection or in parallel connection. Series connection is preferred.
  • Another object of the present invention is the use of electrochemical cells according to the invention in devices, in particular in mobile devices.
  • mobile devices are vehicles, for example automobiles, two-wheelers, aircraft or watercraft, such as boats or ships.
  • Other examples of mobile devices are those that you move yourself, such as computers, especially laptops, phones, or electrical tools, for example in the field of construction, in particular drills, cordless screwdrivers or cordless tackers.
  • electrochemical cells in devices according to the invention offers the advantage of a longer running time before reloading. If one wanted to realize an equal running time with electrochemical cells with a lower energy density, then one would have to accept a higher weight for electrochemical cells.
  • step (a.1) The solution from step (a.1) was sprayed in a spray tower by program under air.
  • the hot air flow had a temperature of 330 ° C at the entrance, at the exit still 1 10 ° C.
  • the dryer was operated with 350 kg / h of drying gas and 33 kg / h of nozzle gas (sputtering gas) with an atomization pressure of 3.5 bar.
  • a yellow free-flowing powder with a residual moisture content of 8% was obtained. It was in the form of particles whose diameter (D50) was 19 ⁇ m. SEM images showed spherical agglomerates of yellow powder held together by the organic components lactose and starch.
  • Step (c.1) The yellow powder from step (b.1) was thermally treated in a 2 liter steel laboratory rotary kiln under an N 2 atmosphere.
  • the 2-liter steel laboratory rotary kiln had three temperature zones and rotated at a speed of 10 revolutions / min.
  • the temperature in zone 1 was 450 ° C.
  • in zone 2 the temperature was 725 ° C. and in zone 3 it was 775 ° C.
  • the mean residence time was one hour.
  • Inventive electrode material containing transition metal compound (1.1) and carbon (H.1) was obtained. Carbon (H.1) and transition metal compound (1.1) were present in discrete particles, as shown by light microscopy, which did not touch at all or only at a single point. Diameter (D50): 17.2 ⁇ .
  • the tamped density of the sieve fraction ⁇ 32 ⁇ was 0.92 g / ml.
  • Inventive electrode material was processed with a binder (J.1): copolymer of vinylidene fluoride and hexafluopropene, as a powder, commercially available as Kynar Flex® 2801 from Arkema, Inc., as follows.
  • J.1 copolymer of vinylidene fluoride and hexafluopropene
  • Electrochemical cells were prepared from the electrodes thus obtained.
  • As the electrolyte a 1 mol / l solution of LiPFß in ethylene carbonate / dimethyl carbonate (1: 1 based on mass fractions) was used.
  • the anode of the test cells consisted of a lithium foil, which is in contact with the cathode foil via a separator made of glass fiber paper.
  • the invention gives electrochemical cells EZ.1.
  • Inventive electrochemical cells EZ.1 show good cycling stability.

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Abstract

The invention relates to a method for producing electrode materials, characterized in that the components (A) at least one iron compound in which Fe is present in the oxidation state of +2 or +3, (B) at least one phosphorous compound, (C) at least one lithium compound, (D) at least one carbon source that can be a separate carbon source or the same at least one iron compound (A) or phosphorous compound (B) or lithium compound (C), (E) optionally at least one reducing agent, (F) optionally at least one other metal compound that has a metal that is different from iron, and (G) optionally water or at least one organic solvent are (a) mixed together, (b) spray dried together using at least one device that uses at least one spray nozzle for spraying, and (c) thermally treated at temperatures ranging from 350 to 1200 °C.

Description

Elektrodenmaterialien und Verfahren zu ihrer Herstellung  Electrode materials and process for their preparation
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Elektrodenmaterialien, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man The present invention relates to a process for the production of electrode materials, which is characterized in that
(a) miteinander vermischt: (a) mixed together:
(A) mindestens eine Eisenverbindung, in der Fe in der Oxidationsstufe +2 oder +3 vorliegt, (A) at least one iron compound in which Fe is in the oxidation state +2 or +3,
(B) mindestens eine Phosphorverbindung, (B) at least one phosphorus compound,
(C) mindestens eine Lithiumverbindung,  (C) at least one lithium compound,
(D) mindestens eine Kohlenstoffquelle, die eine separate Kohlenstoffquelle oder gleich min- destens einer Eisenverbindung (A) oder Phosphorverbindung (B) oder Lithiumverbindung (C) sein kann,  (D) at least one carbon source, which may be a separate carbon source or at least one iron compound (A) or phosphorus compound (B) or lithium compound (C),
(E) gegebenenfalls mindestens ein Reduktionsmittel,  (E) optionally at least one reducing agent,
(F) gegebenenfalls mindestens eine weitere Metallverbindung, die ein von Eisen verschiedenes Metall aufweist,  (F) optionally at least one further metal compound which has a metal other than iron,
(G) gegebenenfalls Wasser oder mindestens ein organisches Lösungsmittel,  (G) optionally water or at least one organic solvent,
(b) mit Hilfe einer mindestens Apparatur, die sich zum Versprühen mindestens einer Sprühdüse bedient, miteinander sprühtrocknet und (b) spray-dried with each other by means of an at least apparatus which uses at least one spray nozzle for spraying
(c) bei Temperaturen im Bereich von 350 bis 1200°C thermisch behandelt.  (c) thermally treated at temperatures in the range of 350 to 1200 ° C.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Elektrodenmaterialien, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich sind. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von erfindungsgemäßen Elektrodenmaterialien in elektrochemischen Zellen. Auf der Suche nach vorteilhaften Elektrodenmaterialien für Batterien, die als leitfähige Spezies Lithium-Ionen nutzen, wurden bisher zahlreiche Materialien vorgeschlagen, beispielsweise Lithium-haltige Spinelle, Mischoxide mit Schichtstruktur wie beispielsweise lithiierte Nickel- Mangan-Kobalt-Oxide und Lithium-Eisen-Phosphate. Lithium-Eisen-Phosphate sind deshalb von besonderem Interesse, weil sie keine toxischen Schwermetalle enthalten und in vielen Fällen sehr robust gegen Oxidation und Wasser sind. Nachteilig bei Lithium-Eisen-Phosphaten kann die vergleichsweise geringe Energiedichte sein. Furthermore, the present invention relates to electrode materials which are obtainable by the process according to the invention. Furthermore, the present invention relates to the use of electrode materials according to the invention in electrochemical cells. In the search for advantageous electrode materials for batteries which use lithium ions as conductive species, numerous materials have hitherto been proposed, for example lithium-containing spinels, layered mixed oxides such as lithiated nickel-manganese-cobalt oxides and lithium-iron-phosphates. Lithium iron phosphates are of particular interest because they contain no toxic heavy metals and in many cases are very robust against oxidation and water. A disadvantage of lithium iron phosphates may be the comparatively low energy density.
Ein Problem besteht darin, dass vielfach gewünscht wird, dass Lithiumeisenphosphate sehr feinteilig sein sollen, um geeignete elektrochemische Eigenschaften aufzuweisen. Bei feinteili- gen Lithium-Eisen-Phosphaten beobachtet man oftmals hohe Staubbelastungen und schlechte rheologische Eigenschaften, die in Produktion und Verarbeitung Probleme verursachen. One problem is that it is often desired that lithium iron phosphates should be very finely divided to have suitable electrochemical properties. With finely divided lithium iron phosphates, high levels of dust and poor rheological properties are often observed, which cause problems in production and processing.
Es besteht also die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Elektrodenmaterialien bereit zu stellen, welches einfach ist, möglichst wenig Stufen erfordert und Zugang zu chemisch unempfindlichen Elektrodenmaterialien mit guten Theologischen Eigenschaften liefert. Es bestand weiterhin die Aufgabe, chemisch unempfindliche Elektrodenmaterialien bereit zu stellen, die sich mit möglichst geringem Aufwand herstellen lassen und keine große Staubbelastung verursa- chen. Weiterhin bestand die Aufgabe, elektrochemische Zellen bereit zu stellen, die insgesamt positive Anwendungseigenschaften aufweisen. Beispiele für Anwendungseigenschaften sind die Eigenschaften bei der Verarbeitung zu Batterien oder Batteriekomponenten sowie die Eigenschaften der daraus gefertigten Batterien. It is therefore the object to provide a method for producing electrode materials, which is simple, requires as few steps as possible and provides access to chemically insensitive electrode materials with good rheological properties. A further object was to provide chemically insensitive electrode materials which can be produced with as little effort as possible and which do not cause any great dust load. chen. Furthermore, the object was to provide electrochemical cells which have overall positive application properties. Examples of application properties are the properties when processing into batteries or battery components as well as the properties of the batteries produced therefrom.
Dementsprechend wurde das eingangs definierte Verfahren gefunden, im Folgenden auch als erfindungsgemäßes Verfahren bezeichnet. Accordingly, the method defined above was found, hereinafter also referred to as inventive method.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vermischt man in Stufe (a) mehrere der Ausgangsmaterialien, vorzugsweise alle beteiligten Ausgangsmaterialien, in mehreren oder vorzugsweise in einem Schritt. Als Gefäße für das Vermischen sind beispielsweise Rührkessel und gerührte Kolben geeignet. For carrying out the process according to the invention, in stage (a) several of the starting materials, preferably all the starting materials involved, are mixed in several or preferably in one step. As vessels for mixing, for example, stirred tank and stirred flasks are suitable.
Im Folgenden werden die Ausgangsmaterialien weiter charakterisiert. In the following, the starting materials are further characterized.
Als Ausgangsmaterial (A) wählt man mindestens eine Eisenverbindung, im Folgenden auch Eisenverbindung (A) genannt. Dabei wählt man Eisenverbindung (A) unter solchen, in denen in der Eisen, also Fe, in der Oxidationsstufe +2 oder +3 vorliegt. Dabei handelt es sich vorzugsweise um anorganische Eisenverbindungen, beispielsweise Eisenoxid wie FeO, Fe203 oder Fe304, Eisenhydroxid, beispielsweise Fe(OH)3, FeOOH, weiterhin FeC03, wasserhaltiges Eisenoxid, auch geschrieben als FeO aq oder Fe2<D3-aq, oder wasserlösliche Eisensalze wie beispielsweise FeS04, Fe2(S04)3, Eisen(ll)acetat, Eisenphosphat, Eisenphosphonat, Eisencitrat, Lithiumeisencitrat, Ammoniumeisencitrat, Eisenlactat, weiterhin basisches Eisencarbonat und Eisencitrat. Dabei sollen im Rahmen der vorliegenden Erfindung Carbonsäuresalze von Eisen als anorganische Eisenverbindungen gelten. The starting material (A) is selected from at least one iron compound, hereinafter also called iron compound (A). In this case, iron compound (A) is chosen from those in which iron, ie Fe, is present in the oxidation state +2 or +3. These are preferably inorganic iron compounds, for example iron oxide such as FeO, Fe20 3 or Fe 3 0 4 , iron hydroxide, for example Fe (OH) 3 , FeOOH, furthermore FeC0 3 , hydrous iron oxide, also written as FeO aq or Fe 2 <D 3 -aq, or water-soluble iron salts such as FeS0 4 , Fe2 (S0 4 ) 3 , iron (II) acetate, iron phosphate, iron phosphonate, iron citrate, lithium iron citrate, ammonium iron citrate, iron lactate, furthermore basic iron carbonate and iron citrate. In the context of the present invention, carboxylic acid salts of iron are to be considered as inorganic iron compounds.
Bevorzugte Eisenverbindungen (A) sind Fe(OH)3, basisches Fe(lll)-Hydroxid, insbesondere FeOOH, Ammoniumeisencitrat, Fe203, Fe304, Eisenacetat, Eisencitrat, Eisenlactat, Eisenphosphat, Eisenphosphonat und Eisencarbonat. Preferred iron compounds (A) are Fe (OH) 3, basic Fe (lll) hydroxide, particularly FeOOH, ammonium citrate, Fe20 3, Fe 3 0 4, iron acetate, iron citrate, iron lactate, iron phosphate, iron carbonate and Eisenphosphonat.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man als Ausgangsmaterial (A) mindestens zwei Eisenverbindungen, von denen mindestens eine, bevorzugt mindestens zwei Fe in der Oxidationsstufe +2 oder +3 aufweist. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man als Ausgangsmaterial (A) mindestens drei Eisenverbindungen, von denen alle Fe in der Oxidationsstufe +2 oder +3 aufweisen. In one embodiment of the present invention, at least two iron compounds are selected as starting material (A), at least one of which has at least one, preferably at least two, Fe in the oxidation state +2 or +3. In one embodiment of the present invention, as starting material (A) at least three iron compounds are chosen, all of which have Fe in the oxidation state +2 or +3.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man als Ausgangsmaterial (A) genau eine Eisenverbindung, in Fe in der Oxidationsstufe +2 oder +3 vorliegt. Ausgangsmaterial (A) kann man beispielsweise als wässrige Lösung, als wässrige Suspension oder als Pulver einsetzen, beispielsweise mit mittleren Partikeldurchmessern im Bereich von 10 bis 750 nm, bevorzugt im Bereich von 25 bis 500 nm. Als Ausgangsmaterial (B) wählt man mindestens eine Phosphorverbindung, im Folgenden auch Phosphorverbindung (B) genannt, gewählt aus Phosphorwasserstoffen und Verbindungen, in denen Phosphor in der Oxidationsstufe +1 oder +3 oder +5 vorliegt, beispielsweise Phosphanen mit mindestens einer Alkylgruppe oder mindestens einer Alkoxygruppe pro Molekül, Phosphor- halogeniden, Phosphonsäure, hypophosphoriger Säure und Phosphorsäure. Bevorzugte Phos- phane sind PH3 und Phosphane der allgemeinen Formel (I) In another embodiment of the present invention, the starting material (A) selected is exactly one iron compound present in Fe in the oxidation state +2 or +3. Starting material (A) can be used, for example, as an aqueous solution, as an aqueous suspension or as a powder, for example with average particle diameters in the range from 10 to 750 nm, preferably in the range from 25 to 500 nm. As starting material (B), at least one phosphorus compound is chosen , hereinafter also called phosphorus compound (B), selected from phosphine and compounds in which phosphorus is in the oxidation state +1 or +3 or +5, for example phosphines having at least one alkyl group or at least one alkoxy group per molecule, phosphorus halides, phosphonic acid , hypophosphorous acid and phosphoric acid. Preferred phosphanes are PH 3 and phosphanes of the general formula (I)
P(R1)r(X1)sHt (I) wobei die Variablen wie folgt gewählt sind: P (R 1 ) r (X 1 ) sH t (I) where the variables are chosen as follows:
R1 kann verschieden sein oder gleich und ist gewählt aus Phenyl und vorzugsweise C1-C10- Alkyl, cyclisch oder linear, beispielsweise Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso- Butyl, sec.-Butyl, tert.-Butyl, n-Pentyl, Cyclopentyl, iso-Amyl, iso-Pentyl, n-Hexyl, iso- Hexyl, Cyclohexyl, und 1 ,-3-Dimethylbutyl, bevorzugt n-Ci-Cö-Alkyl, besonders bevorzugt Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl und ganz besonders bevorzugt Methyl oder Ethyl.R 1 may be different or the same and is selected from phenyl and preferably C 1 -C 10 -alkyl, cyclic or linear, for example methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl, n-pentyl, cyclopentyl, iso-amyl, iso-pentyl, n-hexyl, iso-hexyl, cyclohexyl, and 1, 3-dimethylbutyl, preferably n-Ci-Cö-alkyl, more preferably methyl, Ethyl, n-propyl, isopropyl, and most preferably methyl or ethyl.
Wenn ein Stoff mehrere Alkoxygruppen pro Mol aufweist, so kann R1 verschieden sein oder vorzugsweise gleich und gewählt aus den vorstehend genannten Ci-Cß-Alkylresten. If a substance has a plurality of alkoxy groups per mole, as R 1 may be different or preferably identical and are selected from the above-mentioned Ci-C ß alkyl radicals.
X1 kann verschieden sein oder gleich und wird gewählt aus Halogen, Phenoxygruppen und Alkoxygruppen, bevorzugt der Formel OR1, insbesondere Methoxy und Ethoxy, und wobeiX 1 may be different or the same and is selected from halogen, phenoxy groups and alkoxy groups, preferably of the formula OR 1 , in particular methoxy and ethoxy, and wherein
Halogen bevorzugt Brom und besonders bevorzugt Chlor ist, r, s sind gewählt aus ganzen Zahlen im Bereich von null bis drei, Halogen is preferably bromine and particularly preferably chlorine, r, s are selected from integers in the range from zero to three,
t ist gewählt aus ganzen Zahlen im Bereich von null bis zwei, wobei die Summe r + s + t = 3, und wobei mindestens eine der Ungleichungen r 0 t is selected from integers ranging from zero to two, where the sum is r + s + t = 3, and where at least one of the inequalities r 0
s 0 erfüllt ist. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man Phosphorverbindung (B) aus Verbindungen der allgemeinen Formel P(OR1)3, wobei R1 verschieden oder vorzugsweise gleich sein kann und gewählt aus Phenyl und Ci-Cio-Alkyl, besonders bevorzugt sind P(OCH3)3 und P(OC2H5)3. s 0 is satisfied. In one embodiment of the present invention, phosphorus compound (B) is selected from compounds of general formula P (OR 1 ) 3 , wherein R 1 is different or preferably may be the same and selected from phenyl and C 1 -C 10 -alkyl, particularly preferred are P (OCH 3) 3 and P (OC 2 H 5 ) 3 .
Als Phosphonsäure, hypophosphorige Säure und Phosphorsäure kann man jeweils die freie Säure oder korrespondierende Salze wählen, insbesondere Lithium- und Ammoniumsalze. Als Phosphorsäure und Phosphonsäure kann man jeweils die einkernigen Säuren H3P03 bzw. H3P04 wählen, weiterhin aber auch zwei-, drei- oder mehrkernige Säuren, beispielsweise I-ÜP2O7 oder Polyphosphorsäure. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man als Ausgangsmaterial (B) zwei oder mehr Phosphorverbindungen (B). In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man genau eine Phosphorverbindung (B). As phosphonic acid, hypophosphorous acid and phosphoric acid can be selected in each case the free acid or corresponding salts, in particular lithium and ammonium salts. As phosphoric acid and phosphonic acid can be selected in each case the mononuclear acids H 3 P0 3 or H 3 P0 4 , but also two-, three- or more-nuclear acids, for example I-ÜP2O7 or polyphosphoric acid. In one embodiment of the present invention, as the starting material (B), two or more phosphorus compounds (B) are selected. In another embodiment of the present invention, exactly one phosphorus compound (B) is chosen.
Als Ausgangsmaterial (C) wählt man mindestens eine Lithiumverbindung, auch Lithiumverbin- dung (C) genannt, vorzugsweise mindestens eine anorganische Lithiumverbindung. Beispiele für geeignete anorganische Lithiumverbindungen sind Lithiumhalogenide, beispielsweise Lithiumchlorid, weiterhin Lithiumsulfat, Lithiumacetat, LiOH, Li2C03, L12O und LiN03; bevorzugt sind L12SC , LiOH, Li2C03, L12O und LiN03. Dabei kann Lithiumverbindung Kristallwasser enthalten, beispielsweise LiOH H2O. The starting material (C) used is at least one lithium compound, also called lithium compound (C), preferably at least one inorganic lithium compound. Examples of suitable inorganic lithium compounds are lithium halides, for example lithium chloride, furthermore lithium sulfate, lithium acetate, LiOH, Li 2 CO 3 , L 12 O and LiNO 3 ; preferred are L12SC, LiOH, Li2C0 3 , L12O and LiN0 3 . In this case, lithium compound can contain water of crystallization, for example LiOH H2O.
In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man als Phosphorverbindung (B) und Lithiumverbindung (C) jeweils Lithiumphosphat, Lithiumorthophosphat, Lithiummetaphosphat, Lithiumphosphonat, Lithiumphosphit, Lithiumhydrogenphoshat oder Lithiumdi- hydrogenphosphat, d.h., Lithiumphosphat, Lithiumphosphonat, Lithiumphosphit oder Li- thium(di)hydrogenphosphat können jeweils gleichzeitig als Phosphorverbindung (B) und als Lithiumverbindung (C) dienen. In a specific embodiment of the present invention, phosphorus compound (B) and lithium compound (C) are each selected from lithium phosphate, lithium orthophosphate, lithium metaphosphate, lithium phosphonate, lithium phosphite, lithium hydrogen phosphate or lithium dihydrogen phosphate, ie lithium phosphate, lithium phosphonate, lithium phosphite or lithium (di) Hydrogen phosphate can each serve simultaneously as a phosphorus compound (B) and as a lithium compound (C).
Als Ausgangsmaterial (D) wählt man mindestens eine Kohlenstoffquelle, kurz auch Kohlenstoffquelle (D) genannt, die eine separate Kohlenstoffquelle oder gleich mindestens einer Eisenver- bindung (A) oder Phosphorverbindung (B) oder Lithiumverbindung (C) sein kann. As starting material (D), at least one carbon source, also called carbon source (D) for short, may be used, which may be a separate carbon source or at least one iron compound (A) or phosphorus compound (B) or lithium compound (C).
Unter einer separaten Kohlenstoffquelle (D) soll im Rahmen dieser Erfindung verstanden werden, dass ein weiteres Ausgangsmaterial eingesetzt wird, das gewählt wird aus elementarem Kohlenstoff in einer Modifikation, die den elektrischen Strom leitet, oder eine Verbindung, die im Rahmen der thermischen Behandlung in Schritt (c) zu Kohlenstoff zersetzt wird und die von Eisenverbindung (A), Phosphorverbindung (B) und Lithiumverbindung (C) verschieden ist. For the purposes of the present invention, a separate carbon source (D) is to be understood as meaning that a further starting material is used which is selected from elemental carbon in a modification which conducts the electric current or a compound which is used in the thermal treatment in step (c) is decomposed into carbon and different from iron compound (A), phosphorus compound (B) and lithium compound (C).
Als Kohlenstoffquelle (D) ist beispielsweise Kohlenstoff in einer Modifikation, die den elektrischen Strom leitet, geeignet, also beispielsweise Ruß, Graphit, Graphen, Kohlenstoff- Nanoröhren oder Aktivkohle. Beispiele für Graphit sind nicht nur mineralischer und synthetischer Graphit, sondern auch expandierte Graphite und interkalierter Graphit. As carbon source (D), for example, carbon in a modification that conducts the electric current is suitable, for example, carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes or activated carbon. Examples of graphite are not only mineral and synthetic graphite, but also expanded graphite and intercalated graphite.
Ruß kann beispielsweise gewählt werden aus Lampenruß, Ofenruß, Flammruß, Thermalruß, Acetylenruß, Industrieruß und Furnace Ruß. Ruß kann Verunreinigungen enthalten, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, insbesondere aromatische Kohlenwasserstoffe, oder Sauerstoffhaltige Verbindungen bzw. Sauerstoff-haltige Gruppen wie beispielsweise OH-Gruppen. Weiterhin sind Schwefel- oder Eisen-haltige Verunreinigungen in Ruß möglich. Als Kohlenstoffquelle (D) sind weiterhin Verbindungen von Kohlenstoff geeignet, die bei der thermischen Behandlung in Schritt (c) zu Kohlenstoff zersetzt werden. Beispielsweise sind synthetische und natürliche Polymere, unmodifiziert oder modifiziert, geeignet. Beispiele für synthetische Polymere sind Polyolefine, beispielsweise Polyethylen und Polypropylen, weiterhin Poly- acrylnitril, Polybutadien, Polystyrol, und Copolymeren von mindestens zwei Comonomeren, gewählt aus Ethylen, Propylen, Styrol, (Meth)acrylnitril und 1 ,3-Butadien. Weiterhin sind Polyi- sopren und Polyacrylate geeignet. Besonders bevorzugt ist Polyacrylnitril. Carbon black may, for example, be selected from lampblack, furnace black, flame black, thermal black, acetylene black, carbon black and furnace carbon black. Carbon black may contain impurities, for example hydrocarbons, in particular aromatic hydrocarbons, or oxygen-containing compounds or oxygen-containing groups, for example OH groups. Furthermore, sulfur or iron-containing impurities in carbon black are possible. Further suitable carbon sources (D) are compounds of carbon which are decomposed to carbon during the thermal treatment in step (c). For example, synthetic and natural polymers, unmodified or modified, are suitable. Examples of synthetic polymers are polyolefins, for example polyethylene and polypropylene, furthermore polyacrylonitrile, polybutadiene, polystyrene, and copolymers of at least two comonomers selected from ethylene, propylene, styrene, (meth) acrylonitrile and 1,3-butadiene. Furthermore, polyisoprene and polyacrylates are suitable. Particularly preferred is polyacrylonitrile.
Unter Polyacrylnitril werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht nur Polyacrylnitril- Homopolymere verstanden, sondern auch Copolymere von Acrylnitril mit 1 ,3-Butadien oder Styrol. Bevorzugt sind Polyacrylnitril-Homopolymere. In the context of the present invention, polyacrylonitrile is understood to mean not only polyacrylonitrile homopolymers, but also copolymers of acrylonitrile with 1,3-butadiene or styrene. Preference is given to polyacrylonitrile homopolymers.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Polyethylen nicht nur Homo-Polyethylen verstanden, sondern auch Copolymere des Ethylens, die mindestens 50 mol-% Ethylen einpolyme- risiert enthalten und bis zu 50 mol-% von mindestens einem weiteren Comonomer, beispiels- weise α-Olefine wie Propylen, Butylen (1 -Buten), 1 -Hexen, 1 -Octen, 1 -Decen, 1 -Dodecen, 1 - Penten, weiterhin Isobuten, Vinylaromaten wie beispielsweise Styrol, weiterhin In the context of the present invention, polyethylene is understood to mean not only homo-polyethylene, but also copolymers of ethylene which contain at least 50 mol% of ethylene in copolymerized form and up to 50 mol% of at least one further comonomer, for example Olefins such as propylene, butylene (1-butene), 1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene, 1-pentene, also isobutene, vinyl aromatics such as styrene, further
(Meth)acrylsäure, Vinylacetat, Vinylpropionat, Ci-Cio-Alkylester der (Meth)acrylsäure, insbesondere Methylacrylat, Methylmethacrylat, Ethylacrylat, Ethylmethacrylat, n-Butylacrylat, 2- Ethylhexylacrylat, n-Butylmethacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, weiterhin Maleinsäure, Malein- säureanhydrid und Itaconsäureanhydrid. Bei Polyethylen kann es sich um HDPE oder um LDPE handeln. (Meth) acrylic acid, vinyl acetate, vinyl propionate, C 1 -C 10 -alkyl esters of (meth) acrylic acid, in particular methyl acrylate, methyl methacrylate, ethyl acrylate, ethyl methacrylate, n-butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, n-butyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, furthermore maleic acid, maleic acid acid anhydride and itaconic anhydride. Polyethylene may be HDPE or LDPE.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Polypropylen nicht nur Homo-Polypropylen verstanden, sondern auch Copolymere des Propylens, die mindestens 50 mol-% Propylen ein- polymerisiert enthalten und bis zu 50 mol-% von mindestens einem weiteren Comonomer, beispielsweise Ethylen und α-Olefine wie Butylen, 1 -Hexen, 1 -Octen, 1 -Decen, 1 -Dodecen und 1 - Penten. Bei Polypropylen handelt es sich vorzugsweise um isotaktisches oder um im Wesentlichen isotaktisches Polypropylen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter Polystyrol nicht nur Homopolymere des Styrols verstanden, sondern auch Copolymere mit Acrylnitril, 1 ,3-Butadien, (Meth)acrylsäure, Ci-Cio-Alkylester der (Meth)acrylsäure, Divinylbenzol, insbesondere 1 ,3-Divinylbenzol, 1 ,2- Diphenylethylen und a-Methylstyrol. In the context of the present invention, polypropylene is understood to mean not only homo-polypropylene but also copolymers of propylene which contain at least 50 mol% of propylene polymerized and up to 50 mol% of at least one further comonomer, for example ethylene and α-propylene. Olefins such as butylene, 1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene and 1-pentene. Polypropylene is preferably isotactic or substantially isotactic polypropylene. In the context of the present invention, polystyrene is understood to mean not only homopolymers of styrene, but also copolymers with acrylonitrile, 1,3-butadiene, (meth) acrylic acid, C 1 -C 10 -alkyl esters of (meth) acrylic acid, divinylbenzene, in particular 1, 3-divinylbenzene, 1, 2-diphenylethylene and α-methylstyrene.
Ein weiteres geeignetes synthetisches Polymer ist Polyvinylalkohol. Another suitable synthetic polymer is polyvinyl alcohol.
Als Kohlenstoffquelle (D) geeignete natürliche Polymere sind beispielsweise Stärke, Zellulose, Alginate, (z. B. Agar-Agar, weiterhin Pektine, Gummi arabicum, Oligo-und Polysaccharide, Gua- rkernmehl und Johannisbrotkernmehl sowie Amylose und Amylopektin geeignet. Geeignet sind auch modifizierte natürliche Polymere. Darunter seien durch polymeranaloge Umsetzung modifizierte natürliche Polymere verstanden. Geeignete polymeranaloge Umsetzungen sind insbesondere die Veresterung und die Veretherung. Bevorzugte Beispiele für modifizierte natürliche Polymere sind mit Methanol veretherte Stärke, acetylierte Stärke und Ace- tylcellulose, weiterhin phosphatierte und sulfatierte Stärke. Suitable natural polymers as carbon source (D) are for example starch, cellulose, alginates (eg agar agar, furthermore pectins, gum arabic, oligo and polysaccharides, guar gum and locust bean gum as well as amylose and amylopectin.) Also suitable Examples of modified natural polymers include methanol-etherified starch, acetylated starch and acetylcellulose, and further phosphated and sulfated starch.
Weiterhin sind als Kohlenstoffquelle (D) Carbide geeignet, bevorzugt kovalente Carbide, beispielsweise Eisencarbid Fe3C. Furthermore, carbides are suitable as the carbon source (D), preferably covalent carbides, for example iron carbide Fe 3 C.
Weiterhin sind schwerflüchtige niedermolekulare organische Verbindungen als Kohlenstoffquel- le (D) geeignet. Geeignet sind insbesondere solche Verbindungen, die bei Temperaturen imFurthermore, low volatility low molecular weight organic compounds are suitable as carbon source (D). Particularly suitable compounds are those which react at temperatures in the
Bereich von 350 bis 1200°C nicht verdampfen, sondern sich zersetzen, beispielsweise als Feststoff oder in der Schmelze. Beispiele sind Dicarbonsäuren, beispielsweise Phthalsäure, Phthal- säureanydrid,, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Weinsäure, Zitronensäure, Brenztraubensäure, weiterhin Zucker, beispielsweise Monosaccharide mit 3 bis 7 Kohlenstoffatomen pro Molekül (Triosen, Tetrosen, Pentosen, Hexosen, Heptosen) und Kondensate von Monosacchariden wie beispielsweise Di-, Tri-, und Oligosaccharide, insbesondere Laktose, Glucose und Fructose, außerdem Zuckeralkohole und Zuckersäuren, beispielsweise Aldonsäuren, Ketoaldonsäuren, Uronsäuren und Aldarsäuren, insbesondere Galactonsäure. Weitere Beispiele für niedermolekulare organische Verbindungen als Kohlenstoffquelle (D) sind Harnstoff sowie seine schwerer flüchtigen Kondensate Biuret, Melamin, Melam (N2-(4,6- diamino-1 ,3,5-triazin-2-yl)-1 ,3,5-triazin-2,4,6-triamin) und Meiern (1 ,3,4,6,7,9,9b- Heptaazaphenalen-2,5,8-triamin). Weitere Beispiele für Kohlenstoffquellen (D) sind Salze, bevorzugt Eisen-, Ammoniumsalze und Alkalimetallsalze, besonders bevorzugt Eisen-, Natrium-, Kalium-, Ammonium- oder Lithiumsalze, von organischen Säuren, beispielsweise Acetate, Propionate, Lactate, Citrate, Tartrate, Benzoate, Butyrate. Besonders bevorzugte Beispiele sind Ammoniumacetat, Kaliumammonium- tartrat, Kaliumhydrogentartrat, Kaliumnatriumtartrat, Natriumtartrat (Dinatriumtatrat), Natrium- hydrogentartrat, Lithiumhydrogentatrat, Lithiumammoniumtatrat, Lithiumtartrat, Lithiumeitrat,Range of 350 to 1200 ° C does not evaporate, but decompose, for example as a solid or in the melt. Examples are dicarboxylic acids, for example phthalic acid, phthalic anhydride, isophthalic acid, terephthalic acid, tartaric acid, citric acid, pyruvic acid, furthermore sugars, for example monosaccharides having 3 to 7 carbon atoms per molecule (trioses, tetroses, pentoses, hexoses, heptoses) and condensates of monosaccharides such as for example, di-, tri- and oligosaccharides, in particular lactose, glucose and fructose, as well as sugar alcohols and sugar acids, for example aldonic acids, ketoaldonic acids, uronic acids and aldaric acids, in particular galactonic acid. Further examples of low molecular weight organic compounds as carbon source (D) are urea and its less volatile condensates biuret, melamine, melam (N2- (4,6-diamino-1, 3,5-triazin-2-yl) -1, 3, 5-triazine-2,4,6-triamine) and Meiern (1, 3,4,6,7,9,9b-heptaazaphenalene-2,5,8-triamine). Further examples of carbon sources (D) are salts, preferably iron, ammonium salts and alkali metal salts, more preferably iron, sodium, potassium, ammonium or lithium salts, of organic acids, for example acetates, propionates, lactates, citrates, tartrates, benzoates , Butyrates. Particularly preferred examples are ammonium acetate, potassium ammonium tartrate, potassium hydrogen tartrate, potassium sodium tartrate, sodium tartrate (disodium tetradrate), sodium hydrogentartrate, lithium hydrogentate, lithium ammonium tartrate, lithium tartrate, lithium citrate,
Kaliumeitrat, Natriumeitrat, Eisenacetat, Lithiumacetat, Natriumacetat, Kaliumacetat, Lithiumlac- tat, Ammoniumlactat, Natriumlactat und Kaliumlactat. In einer speziellen anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man als Kohlenstoffquelle (D) und Phosphorverbindung (B) eine organische Phosphorverbindung, genannt seien beispielsweise Phosphorsäuretrimethylester, Phosphorsäuretriethylester, Triphenylphosphan und Triphenylphosphinoxid (CeHs^PO. Potassium citrate, sodium citrate, iron acetate, lithium acetate, sodium acetate, potassium acetate, lithium lactate, ammonium lactate, sodium lactate and potassium lactate. In a specific other embodiment of the present invention are selected as the carbon source (D) and phosphorus compound (B) an organic phosphorus compound, which may include, for example, trimethyl trimethylate, triethyl phosphite, triphenyl phosphine and triphenylphosphine oxide (CeHs ^ PO.
In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Verbindung wählt man als Kohlenstoffquelle (D) und Lithiumverbindung (C) jeweils Lithiumacetat, Lithiumlactat oder Lithiumhydrogen- tartrat, d.h. Lithiumverbindung (C) Lithiumacetat, Lithiumlactat bzw. Lithiumhydrogentartrat kön- nen jeweils gleichzeitig als Kohlenstoffquelle (D) dienen. In a specific embodiment of the present invention, as the carbon source (D) and the lithium compound (C), lithium acetate, lithium lactate or lithium hydrogen tartrate are respectively selected. Lithium compound (C) Lithium acetate, lithium lactate or lithium hydrogen tartrate can each serve simultaneously as carbon source (D).
In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man als Kohlenstoffquelle (D) und Eisenverbindung (A) jeweils Eisenacetat, Eisencitrat, Eisencarbid oder Ammoniumei- sencitrat, d.h. die Eisenverbindung (A) Eisenacetat, Eisencitrat, Eisencarbid bzw. Ammoniumei- sencitrat kann gleichzeitig als Kohlenstoffquelle (D) dienen. In a specific embodiment of the present invention, the carbon source (D) and iron compound (A) are each selected from iron acetate, iron citrate, iron carbide or ammonium citrate, i. the iron compound (A) iron acetate, iron citrate, iron carbide or ammonium citrate can simultaneously serve as carbon source (D).
In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man als Eisenverbindung (A), Kohlenstoffquelle (D) und Lithiumverbindung (C) jeweils Lithiumeisencitrat, d.h. Lithiumei- sencitrat kann jeweils gleichzeitig als Eisenverbindung (A), Kohlenstoffquelle (D) und als Li- thiumverbindung (C) dienen. In a specific embodiment of the present invention, the iron compound (A), carbon source (D) and lithium compound (C) are each selected from lithium iron citrate, i. Lithium-iron citrate can in each case simultaneously serve as iron compound (A), carbon source (D) and as lithium compound (C).
In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man zwei verschiedene Kohlenstoffquellen (D) und zwei verschiedene Phosphorverbindungen (B). Als Ausgangsmaterial (E) kann man weiterhin ein Reduktionsmittel einsetzen, kurz auch Reduktionsmittel (E) genannt. Als Reduktionsmittel (E) kann man gasförmige, flüssige oder feste Substanzen einsetzen, die unter den Bedingungen von Schritt (a), (b) oder (c) Eisen, soweit erforderlich, in die Oxidationsstufe +2 überführen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man als festes Reduktionsmittel (E) ein Metall, beispielsweise Nickel oder Mangan, oder ein Metallhydrid. In a specific embodiment of the present invention, two different carbon sources (D) and two different phosphorus compounds (B) are chosen. As starting material (E), it is also possible to use a reducing agent, also called reducing agent (E) for short. As the reducing agent (E), it is possible to use gaseous, liquid or solid substances which, under the conditions of step (a), (b) or (c), convert iron, if necessary, into the oxidation state +2. In one embodiment of the present invention, a solid reducing agent (E) is selected from a metal, for example nickel or manganese, or a metal hydride.
Als gasförmige Reduktionsmittel (E) kann man beispielsweise Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Ammoniak und/oder Methan einsetzen. As gaseous reducing agent (E) can be used for example hydrogen, carbon monoxide, ammonia and / or methane.
Ein sehr gut geeignetes Reduktionsmittel ist H3PO3 und ihre Ammonium- und Lithiumsalze. A very suitable reducing agent is H3PO3 and its ammonium and lithium salts.
Weitere geeignete Reduktionsmittel sind metallisches Eisen und Eisenpentacarbonyl. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man als Phosphorverbindung (B) und Reduktionsmittel (E) jeweils H3PO3, d.h. H3PO3 kann gleichzeitig als Phosphorverbindung (B) und als Reduktionsmittel (E) dienen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung setzt man kein Reduktionsmittel (E) ein. Other suitable reducing agents are metallic iron and iron pentacarbonyl. In a preferred embodiment of the present invention, phosphoric acid (B) and reducing agent (E) are each selected to be H3PO3, ie H3PO3 can simultaneously serve as phosphorus compound (B) and as reducing agent (E). In one embodiment of the present invention, no reducing agent (E) is used.
Als Ausgangsmaterial (F) kann man mindestens eine weitere Metallverbindung einsetzen, in der das oder die Metalle von Eisen verschieden sind, kurz auch Metallverbindung (F) genannt. Dabei wird als Metall vorzugsweise ein oder mehrere Metalle aus der ersten Periode der Übergangsmetalle gewählt. Besonders bevorzugt wählt man Metallverbindung (F) aus Verbindungen von Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Mg, AI, Nb, W, Mo, Cu und Zn. Sc, V, Mn, Ni, Co. Ganz besonders bevorzugt wählt man Metallverbindung (F) aus Oxiden, Hydroxiden, Carbonaten und Sulfaten von Metallen der ersten Periode der Übergangsmetalle. As starting material (F) it is possible to use at least one further metal compound in which the one or more metals are different from iron, in short also called metal compound (F). In this case, it is preferable to use one or more metals from the first period of the transition metals as the metal. It is particularly preferable to choose metal compound (F) from compounds of Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Mg, Al, Nb, W, Mo, Cu and Zn. Sc, V, Mn, Ni, Co. Most preferably one selects metal compound (F) from oxides, hydroxides, carbonates and sulfates of metals of the first period of the transition metals.
Metallverbindung (F) kann wasserfrei oder wasserhaltig sein. Metallkation in Metallverbindung (F) kann in komplexierter Form vorliegen, beispielsweise als Hydratkomplex, oder unkomple- xiert sein. Metal compound (F) may be anhydrous or hydrous. Metal cation in metal compound (F) can be present in complexed form, for example as hydrate complex, or uncomplexed.
Bei Metallverbindung (F) kann es sich um ein Salz handeln, beispielsweise Halogenid, insbesondere Chlorid, weiterhin Nitrat, Carbonat, Sulfat, Oxid, Hydroxid, Acetat, Citrat, Tartrat oder um Salze mit verschiedenen Anionen. Vorzugsweise werden Salze gewählt aus Oxiden, Carbonaten, Hydroxiden und Nitraten, basisch oder neutral. Ganz besonders bevorzugte Beispiele für Metallverbindungen (F) sind Oxide, Hydroxide, Carbonate und Sulfate. Metal compound (F) can be a salt, for example halide, in particular chloride, furthermore nitrate, carbonate, sulfate, oxide, hydroxide, acetate, citrate, tartrate or salts with different anions. Preferably, salts are selected from oxides, carbonates, hydroxides and nitrates, basic or neutral. Very particularly preferred examples of metal compounds (F) are oxides, hydroxides, carbonates and sulfates.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man Metallverbindung (F) aus Fluoriden, beispielsweise als Alkalimetallfluorid, insbesondere Natriumfluorid. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Metallverbindung (F) als eine oder die einzige Kohlenstoffquelle (D) wirken, beispielhaft seien Nickelacetat, Kobaltacetat, Zinkace- tat und Mangan(ll)acetat genannt. In another embodiment of the present invention, metal compound (F) is selected from fluorides, for example as alkali metal fluoride, especially sodium fluoride. In one embodiment of the present invention, metal compound (F) may function as one or the sole carbon source (D), exemplified by nickel acetate, cobalt acetate, zinc acetate and manganese (II) acetate.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Metallverbindung (F) als ein oder das einzige Reduktionsmittel (E) wirken. Beispielhaft seien Mangan(ll)acetat, MnC03, MnS04, Nickellactat, Manganhydrid, Nickelhydrid, Nickelsuboxid, Nickelcarbid, Mangancarbid und Man- gan(ll)lactat genannt. In one embodiment of the present invention, metal compound (F) may act as one or the sole reducing agent (E). Examples include manganese (II) acetate, MnC0 3 , MnS0 4 , nickel lactate, manganese hydride, nickel hydride, nickel suboxide, nickel carbide, manganese carbide and manganese (ll) lactate called.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann man in Schritt (a) ein oder mehrere Lösungsmittel zusetzen, beispielsweise ein oder mehrere organische Lösungsmittel (G) und/oder Wasser. Dabei sollen unter organischen Lösungsmitteln (G) solche Stoffe verstanden werden, die bei der Temperatur von Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens flüssig sind und die mindestens eine C-H-Bindung pro Molekül aufweisen. In einer Variante setzt man Wasser und ein organisches Lösungsmittel (G) zu. Beispiele für geeignete organische Lösungsmittel (G) sind insbesondere halogen-freie organische Lösungs- mittel wie Methanol, Ethanol, Isopropanol oder n-Hexan, Cyclohexan, Aceton, Ethylacetat, Diet- hylether und Diisopropylether. In one embodiment of the present invention, one or more solvents may be added in step (a), for example one or more organic solvents (G) and / or water. Organic solvents (G) are to be understood as meaning those substances which are liquid at the temperature of step (a) of the process according to the invention and which have at least one CH bond per molecule. In one variant, water and an organic solvent (G) are added. Examples of suitable organic solvents (G) are, in particular, halogen-free organic solvents. such as methanol, ethanol, isopropanol or n-hexane, cyclohexane, acetone, ethyl acetate, diethyl ether and diisopropyl ether.
Bevorzugt ist Wasser. Preference is given to water.
Ohne dass einer bestimmten Theorie der Vorzug gegeben werden soll, ist es möglich, dass gewisse organische Lösungsmittel (G) wie sekundäre oder primäre Alkanole auch als Reduktionsmittel (E) wirken können. Das Vermischen in Schritt (a) kann man beispielsweise Verrühren von einer oder mehreren Suspensionen der Ausgangsmaterialen (A) bis (D) und gegebenenfalls (E), (F) und (G) durchführen. In anderen Ausführungsformen vermischt man die Ausgangsmaterialen (A) bis (D) und gegebenenfalls (E) und (F) als Feststoffe miteinander innig. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann man die Ausgangsmaterialen (A) bis (D) und gegebenenfalls (E), (F) sowie (G) miteinander zu einer Paste verkneten. Without wishing to prioritize any particular theory, it is possible that certain organic solvents (G), such as secondary or primary alkanols, may also act as reducing agents (E). The mixing in step (a) can be carried out, for example, by stirring one or more suspensions of the starting materials (A) to (D) and optionally (E), (F) and (G). In other embodiments, the starting materials (A) to (D) and optionally (E) and (F) are intimately mixed together as solids. In another embodiment of the present invention, the starting materials (A) to (D) and optionally (E), (F) and (G) may be kneaded together to form a paste.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt man das Vermischen in Schritt (a) bei Temperaturen im Bereich von null bis 200°C durch, bevorzugt führt man es bei Temperaturen im Bereich der Raumtemperatur bis zu 1 10°C durch, besonders bevorzugt bis 80°C. In one embodiment of the present invention, the mixing in step (a) is carried out at temperatures in the range from zero to 200 ° C, preferably it is carried out at temperatures in the range of room temperature up to 1 10 ° C, particularly preferably up to 80 ° C.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt man das Vermischen in Schritt (a) bei Normaldruck durch. In anderen Ausführungsformen führt man das Vermischen bei erhöhtem Druck durch, beispielsweise bei 1 ,1 bis zu 20 bar. In anderen Ausführungsformen führt man das Vermischen in Schritt (a) bei reduziertem Druck durch, beispielsweise bei 10 mbar bis zu 990 mbar. In one embodiment of the present invention, the mixing in step (a) is carried out under atmospheric pressure. In other embodiments, the mixing is carried out at elevated pressure, for example at 1, 1 up to 20 bar. In other embodiments, the mixing in step (a) is carried out under reduced pressure, for example at 10 mbar up to 990 mbar.
Das Vermischen in Schritt (a) kann man über einen Zeitraum im Bereich von einer Minute bis zu 12 Stunden durchführen, bevorzugt sind 30 Minuten bis 4 Stunden, besonders bevorzugt 45 Minuten bis 2 Stunden. The mixing in step (a) can be carried out over a period in the range of one minute to 12 hours, preferred are 30 minutes to 4 hours, more preferably 45 minutes to 2 hours.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt man das Vermischen in Schritt (a) in einer Stufe durch. In one embodiment of the present invention, the mixing in step (a) is performed in one step.
In einer anderen Ausführungsform führt man das Vermischen in Schritt (a) in zwei oder mehr Stufen durch. So ist es beispielsweise möglich, zunächst Eisenverbindung (A) und Lithiumverbindung (C) gemeinsam in Wasser zu lösen bzw. zu suspendieren, danach mit Phosphorverbindung (B) und Kohlenstoffquelle (D) zu vermischen und danach gegebenenfalls mit Reduktionsmittel (E) und/oder weiterer Metallverbindung (F) zu vermischen. In einer Ausführungsform legt man zunächst Wasser und/oder organisches Lösungsmittel vor, versetzt dann mit nacheinander mit Lithiumverbindung (C), Eisenverbindung (A), Phosphor oder Phosphorverbindung (D), Kohlenstoffverbindung (B) und gegebenenfalls mit Reduktionsmittel (E) und/oder weiterer Metallverbindung (F). In another embodiment, the mixing in step (a) is carried out in two or more stages. Thus, it is possible, for example, first to dissolve or suspend iron compound (A) and lithium compound (C) together in water, then to mix with phosphorus compound (B) and carbon source (D) and then optionally with reducing agent (E) and / or further metal compound (F) to mix. In one embodiment, initially introducing water and / or organic solvent, then added successively with lithium compound (C), iron compound (A), phosphorus or Phosphorus compound (D), carbon compound (B) and optionally with reducing agent (E) and / or further metal compound (F).
Durch Schritt (a) erhält man eine Mischung von mindestens einer Eisenverbindung (A), mindes- tens einer Phosphorverbindung (B), mindestens einer Lithiumverbindung (C), mindestens einer Kohlenstoffquelle (D), gegebenenfalls Reduktionsmittel (E), gegebenenfalls weiterer Metallverbindung (F) und vorzugsweise Wasser und/oder mindestens einem organischen Lösungsmittel (G) in pastöser Form, als Wasser-haltiges Pulver, als Suspension oder als Lösung. In Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens sprühtrocknet man die Mischung aus Schritt (a) mit Hilfe einer mindestens Apparatur, die sich zum Versprühen mindestens einer Sprühdüse bedient, d.h. man führt eine Sprühtrocknung oder Zerstäubungstrocknung durch. Die Sprühtrocknung kann man in einem Sprühtrockner durchführen. Geeignete Sprühtrockner sind Trockentürme, beispielsweise Trockentürme mit einer oder mehreren Zerstäubungsdüsen und Sprühtrockner mit integriertem Wirbelbett. Step (a) gives a mixture of at least one iron compound (A), at least one phosphorus compound (B), at least one lithium compound (C), at least one carbon source (D), optionally reducing agent (E), optionally further metal compound ( F) and preferably water and / or at least one organic solvent (G) in pasty form, as a water-containing powder, as a suspension or as a solution. In step (b) of the process according to the invention, the mixture from step (a) is spray-dried by means of an at least apparatus which uses for spraying at least one spray nozzle, i. one carries out a spray drying or spray drying. The spray drying can be carried out in a spray dryer. Suitable spray dryers are drying towers, for example drying towers with one or more atomizing nozzles and spray dryer with integrated fluidized bed.
Besonders bevorzugte Düsen sind Zweistoffdüsen (englisch: two phase nozzles), also Düsen, in deren Innerem oder an deren Mündung mittels getrennter Zugänge Stoffe verschiedenen Aggregatzustandes intensiv vermischt gebracht werden. Particularly preferred nozzles are two-phase nozzles, in other words nozzles in the interior of which or at the mouth of which substances of different physical state are intensively mixed by means of separate accesses.
Zur Durchführung von Schritt (b) kann man so vorgehen, dass man in einer Variante die in Schritt (a) erhaltene Mischung durch eine oder mehrere Sprüheinrichtungen presst, beispielsweise durch eine oder mehrere Düsen oder in einen Heißluftstrom oder in einen heißen Inertgasstrom oder heiße Brennerabgase, wobei der Heißgasstrom bzw. der heiße Inertgasstrom oder die heißen Brennerabgase eine Temperatur im Bereich von 90 bis 500°C haben kann. Dadurch wird die Mischung innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde oder innerhalb von wenigen Sekunden zu einem Trockengut getrocknet, das vorzugsweise als Pulver anfällt. Das anfallende Pulver kann eine gewisse Restfeuchte aufweisen, beispielsweise im Bereich von 500 ppm bis 10 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 1 bis 8 Gew.-%, besonders bevorzugt im Be- reich von 2 bis 6 Gew.-%. In order to carry out step (b), it is possible in a variant to compress the mixture obtained in step (a) through one or more spray devices, for example through one or more nozzles or into a hot air stream or into a hot inert gas stream or hot burner exhaust gases wherein the hot gas stream or the hot inert gas stream or the hot burner exhaust gases may have a temperature in the range of 90 to 500 ° C. As a result, the mixture is dried within a fraction of a second or within a few seconds to a dry material, which is preferably obtained as a powder. The resulting powder may have a certain residual moisture, for example in the range of 500 ppm to 10 wt .-%, preferably in the range of 1 to 8 wt .-%, particularly preferably in the range of 2 to 6 wt .-%.
In einer bevorzugten Ausführungsform wählt man die Temperatur des Heißluftstroms bzw. des heißen Inertgasstroms bzw. der heißen Brennerabgase in Schritt (b) so, dass sie oberhalb der Temperatur in Schritt (a) liegt. In a preferred embodiment, the temperature of the hot air stream or of the hot inert gas stream or of the hot burner exhaust gas in step (b) is selected to be above the temperature in step (a).
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung strömt der Heißluftstrom oder der heiße Inertgasstrom oder die heißen Brennerabgase in Richtung mit der eingebrachten Mischung aus Schritt (a) (Gleichstromverfahren). In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung strömt der Heißluftstrom oder heiße Inertgasstrom die heißen Brennerabgase in Gegen- richtung zur eingebrachten Mischung aus Schritt (a) (Gegenstromverfahren). Die Sprüheinrichtung befindet vorzugsweise sich am oberen Teil des Sprühtrockners, insbesondere des Sprühturms. Das in Schritt (b) anfallende Trockengut kann man im Anschluss an die eigentliche Sprühtrocknung durch einen Abscheider, beispielsweise einen Zyklon vom Heißluftstrom bzw. heißen I- nertgasstrom bzw. von den heißen Brennerabgasen abtrennen. In einer anderen Ausführungs- form trennt man das in Schritt (b) anfallende Trockengut im Anschluss an die eigentliche Sprühtrocknung durch einen oder mehrere Filter vom Heißluftstrom bzw. heißen Inertgasstrom bzw. von den heißen Brennerabgasen ab. In one embodiment of the present invention, the hot air stream or the hot inert gas stream or the hot burner exhaust gases flow in the direction of the introduced mixture from step (a) (DC method). In another embodiment of the present invention, the hot air stream or hot inert gas stream flows the hot burner exhaust gases in the direction opposite to the introduced mixture from step (a) (countercurrent process). The spraying device is preferably located at the upper part of the spray dryer, in particular the spray tower. The dry material obtained in step (b) can be separated off after the actual spray drying by a separator, for example a cyclone from the hot air stream or hot inert gas stream or from the hot burner exhaust gases. In another embodiment, the dry material obtained in step (b) is separated from the hot air stream or hot inert gas stream or from the hot burner exhaust gases after the actual spray drying by one or more filters.
Das in Schritt (b) anfallende Trockengut kann beispielsweise einen mittleren Partikeldurchmes- ser (D50, Gewichtsmittel) im Bereich von 1 bis 50 μιη aufweisen. Bevorzugt ist dabei, wenn der mittlere Partikeldurchmesser (D90, Volumenmittel) bis zu 120 μιη beträgt, besonders bevorzugt bis zu 50 μιη und ganz besonders bevorzugt bis zu 20 μιη. The dry material obtained in step (b) may, for example, have an average particle diameter (D50, weight average) in the range from 1 to 50 μm. It is preferred if the average particle diameter (D90, volume average) is up to 120 μιη, more preferably up to 50 μιη and most preferably up to 20 μιη.
Schritt (b) kann man absatzweise (diskontinuierlich) oder auch kontinuierlich durchführen. Step (b) can be carried out batchwise (batchwise) or else continuously.
Im anschließenden Schritt (c) behandelt man das Trockengut aus Schritt (b) thermisch, und zwar bei Temperaturen im Bereich von 350 bis 1200°C, bevorzugt 400 bis 900°C. In the subsequent step (c), the dry material from step (b) is treated thermally, specifically at temperatures in the range from 350 to 1200 ° C., preferably from 400 to 900 ° C.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung führt man die thermische Behandlung in Schritt (c) in einem Temperaturprofil mit zwei bis fünf, bevorzugt mit drei oder vier Zonen durch, wobei jede Zone des Temperaturprofils vorzugsweise eine höhere Temperatur aufweist als die vorgehende. Beispielsweise kann man in einer ersten Zone eine Temperatur im Bereich von 350 bis 550°C einstellen, in einer zweiten Zone im Bereich von 450 bis 750°C, wobei die Temperatur höher ist als in der ersten Zone. Wünscht man eine dritte Zone einzuführen, so kann man in der dritten Zone bei 700 bis 1200°C thermisch behandeln, aber in jedem Falle bei einer Temperatur, die höher ist als in der zweiten Zone. Die Zonen kann man beispielsweise durch das Einstellen bestimmter Heizzonen erzeugen. In one embodiment of the present invention, the thermal treatment in step (c) is carried out in a temperature profile with two to five, preferably with three or four zones, wherein each zone of the temperature profile preferably has a higher temperature than the preceding one. For example, in a first zone, a temperature in the range of 350 to 550 ° C can be set, in a second zone in the range of 450 to 750 ° C, the temperature being higher than in the first zone. If you wish to introduce a third zone, you can thermally treat in the third zone at 700 to 1200 ° C, but in any case at a temperature higher than in the second zone. The zones can be created, for example, by setting certain heating zones.
Wünscht man Schritt (c) absatzweise durchzuführen, so kann man ein zeitliches Temperatur- profil einstellen, d. h. man behandelt beispielsweise zunächst bei 350 bis 550°C, dann bei 450 bis 750°C, wobei die Temperatur höher ist als in der ersten Phase. Wünscht man eine dritte Phase einzuführen, so kann man in der dritten Phase bei 700 bis 1200°C thermisch behandeln, aber in jedem Falle bei einer Temperatur, die höher ist als in der zweiten Phase. Die thermische Behandlung gemäß Schritt (c) kann man beispielsweise in einem Drehrohrofen, einem Pendel reaktor, einem Muffel offen, einem Kalzinationsofen, einem, einem Quarzkugelofen oder einem Durchschiebeofen (englisch roller-hearth-kiln oder RHK) durchführen. If one wishes to carry out step (c) intermittently, one can set a temporal temperature profile, ie. H. For example, it is first treated at 350 to 550 ° C, then at 450 to 750 ° C, the temperature being higher than in the first phase. If you wish to introduce a third phase, you can treat in the third phase at 700 to 1200 ° C, but in any case at a temperature that is higher than in the second phase. The thermal treatment according to step (c) can be carried out, for example, in a rotary kiln, a pendulum reactor, a muffle open, a calcination furnace, a, a quartz ball furnace or a push-through furnace (English roller hearth kiln or RHK).
Die thermische Behandlung gemäß Schritt (c) kann man beispielsweise in einer schwach oxi- dierenden Atmosphäre, bevorzugt in inerter oder reduzierender Atmosphäre durchführen. Unter schwach oxidierend wird dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Sauerstoffhaltige Stickstoffatmosphäre verstanden, die bis zu 2 Vol.-% Sauerstoff enthält, bevorzugt bis zu 1 Vol.-%. Beispiele für inerte Atmosphäre sind Edelgas-, insbesondere Argonatmosphäre, und Stickstoffatmosphäre. Beispiele für eine reduzierende Atmosphäre sind Stickstoff oder Edelgase, die 0,1 bis 10 Vol.-% Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff, Ammoniak oder Wasserstoff enthalten. Weitere Beispiele für eine reduzierende Atmosphäre sind Luft oder mit Stickstoff oder mit Kohlendioxid angereicherte Luft, die jeweils mehr mol-% Kohlenmonoxid enthalten als Sauerstoff. The thermal treatment according to step (c) can be carried out, for example, in a weakly oxidizing atmosphere, preferably in an inert or reducing atmosphere. In the context of the present invention, weakly oxidizing means an oxygen-containing nitrogen atmosphere which contains up to 2% by volume of oxygen, preferably up to 1% by volume. Examples of inert atmosphere are noble gas, in particular argon atmosphere, and nitrogen atmosphere. Examples of a reducing atmosphere are nitrogen or noble gases containing 0.1 to 10% by volume of carbon monoxide, hydrocarbon, ammonia or hydrogen. Further examples of a reducing atmosphere are air or air enriched with nitrogen or with carbon dioxide, each containing more than one mole of carbon monoxide, rather than oxygen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann man Schritt (c) über einen Zeitraum im Bereich von 1 Minute bis zu 24 Stunden, bevorzugt im Bereich von 10 Minuten bis 3 Stunden durchführen. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich ohne große Staubbelastung durchführen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind Elektrodenmaterialien mit vorzüglichen Theologischen Eigenschaften zugänglich, die sich als Elektrodenmaterialien eignen und sehr gut verarbeiten lassen. Beispielsweise lassen sie sich zu Pasten mit guten Theologischen Eigenschaften verarbeiten, derartige Pasten haben eine geringere Viskosität. In one embodiment of the present invention, step (c) may be carried out over a period in the range of 1 minute to 24 hours, preferably in the range of 10 minutes to 3 hours. The inventive method can be carried out without much dust. By the method according to the invention electrode materials with excellent Theological properties are accessible, which are suitable as electrode materials and can be processed very well. For example, they can be processed into pastes with good rheological properties, such pastes have a lower viscosity.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Elektrodenmaterialien, enthaltendAnother object of the present invention are electrode materials containing
(H) Kohlenstoff in einer elektrisch leitfähigen Modifikation und (H) carbon in an electrically conductive modification and
(I) mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel (I), Lix(M(i-y)Fey)aPOz (I) kurz auch Übergangsmetallverbindung (I) genannt, wobei die Variablen wie folgt definiert sind: (I) at least one compound of general formula (I), Lix (M (i- y) Fe y ) aPOz (I) in short also called transition metal compound (I), wherein the variables are defined as follows:
M gewählt aus Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Mg, AI, Nb, W, Mo, Cu und Zn, bevorzugt gewählt aus Sc, V, Mn, Ni und Co. M is selected from Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Mg, Al, Nb, W, Mo, Cu and Zn, preferably selected from Sc, V, Mn, Ni and Co.
x eine Zahl im Bereich von 0,1 bis 4, bevorzugt mindestens 0,8, besonders bevorzugt 1 bisx is a number in the range of 0.1 to 4, preferably at least 0.8, particularly preferably 1 to
3, ganz besonders bevorzugt 1 ,5 bis 2,5; 3, most preferably 1, 5 to 2.5;
y eine Zahl im Bereich von 0,1 bis 1 , bevorzugt mindestens 0,2; y is a number in the range of 0.1 to 1, preferably at least 0.2;
z eine Zahl im Bereich von 2 bis 6, bevorzugt 3 bis 5, besonders bevorzugt 2,5 bis 4,5, und ganz besonders bevorzugt ist z = 4; z is a number in the range of 2 to 6, preferably 3 to 5, particularly preferably 2.5 to 4.5, and very particularly preferably z = 4;
a eine Zahl im Bereich von 0,1 bis 4, bevorzugt 0,2 bis 2, besonders bevorzugt 0,5 bis 1 ,5, und ganz besonders bevorzugt ist a = 1 . wobei Kohlenstoff (H) in den Poren von Sekundärpartikeln von Übergangsmetallverbindung (I) oder in Form von Partikeln vorliegt, die Partikel von Übergangsmetallverbindung (I) punktförmig oder einen oder mehrere Partikel von Kohlenstoff (H) kontaktieren können. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind in Übergangsmetallverbindung (I) die Variablen a is a number in the range of 0.1 to 4, preferably 0.2 to 2, more preferably 0.5 to 1.5, and most preferably a = 1. wherein carbon (H) is present in the pores of secondary particles of transition metal compound (I) or in the form of particles which can contact particles of transition metal compound (I) at one point or one or more particles of carbon (H). In one embodiment of the present invention, in transition metal compound (I), the variables
x eine Zahl im Bereich von 0,8 bis 3, x is a number in the range of 0.8 to 3,
y eine Zahl im Bereich von 0,01 bis 1 , y is a number in the range of 0.01 to 1,
z eine Zahl im Bereich von 3 bis 5, z is a number in the range of 3 to 5,
a eine Zahl im Bereich von 0,2 bis 2,0 a is a number in the range of 0.2 to 2.0
und die übrigen Variablen wie vorstehend definiert. and the remaining variables as defined above.
Ganz besonders bevorzugt entspricht Übergangsmetallverbindung (I) der Formel LiFeP04 oder LiFeo,2Mn0,8P04 oder LiFe0,5Mn0,5PO4 oder LiFe0,7Mn0,3PO4. Very particular preference is given to corresponding transition metal compound (I) of the formula LiFeP0 4 or LiFeo, 2Mn 0 , 8P0 4 or LiFe 0 , 5Mn 0 , 5PO 4 or LiFe 0 , 7Mn 0 , 3PO 4 .
Elemente wie Kalium und Natrium sind zumindest in Spuren ubiquitär. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sollen daher Anteile von Natrium oder Kalium im Bereich von 0,1 Gew.-%, bezogen auf gesamte Übergangsmetallverbindung (I), oder weniger nicht als Bestandteil von Übergangsmetallverbindung (I) betrachtet werden. Elements such as potassium and sodium are ubiquitous, at least in trace amounts. In the context of the present invention, therefore, amounts of sodium or potassium in the range of 0.1 wt .-%, based on total transition metal compound (I), or less should not be considered as a component of transition metal compound (I).
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Übergangsmetallverbindung (I) dotiert oder verunreinigt sein mit einem oder mehreren weiteren Metallkationen, beispielsweise mit Erdalkalimetallkationen, insbesondere mit Mg2+ oder Ca2+, oder mit Alkalimetallkationen, insbe- sondere mit K+ oder Na+. In one embodiment of the present invention, transition metal compound (I) may be doped or contaminated with one or more other metal cations, for example with alkaline earth metal cations, in particular with Mg 2+ or Ca 2+ , or with alkali metal cations, in particular with K + or Na + .
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist erfindungsgemäßes Elektrodenmaterial eine BET-Oberfläche im Bereich von 10 bis 40 m2/g auf, bestimmt nach DIN 66131 . In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist erfindungsgemäßes Elektrodenmaterial eine monomodale Porendurchmesserverteilung auf. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist erfindungsgemäßes Elektrodenmaterial eine bimodale Porendurchmesserverteilung auf. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist erfindungsgemäßes Elektrodenmaterial eine multimodale Porendurchmesserverteilung auf. In one embodiment of the present invention, electrode material according to the invention has a BET surface area in the range from 10 to 40 m 2 / g, determined in accordance with DIN 66131. In one embodiment of the present invention, electrode material according to the invention has a monomodal pore diameter distribution. In another embodiment of the present invention, electrode material according to the invention has a bimodal pore diameter distribution. In another embodiment of the present invention, electrode material according to the invention has a multimodal pore diameter distribution.
Bei Kohlenstoff in einer elektrisch leitfähigen Modifikation (H), kurz Kohlenstoff, handelt es sich beispielsweise um Ruß, Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, expandierte Graphite, in- terkalierte Graphite oder Aktivkohle. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei elektrisch leitfähigem, kohlenstoffhaltigem Material um Ruß. Ruß kann beispielsweise gewählt werden aus Lampenruß, Ofenruß, Flammruß, Thermalruß, Acetylenruß, Industrieruß und Furnace Ruß. Ruß kann Verunreinigungen enthalten, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, insbesondere aromatische Kohlenwasserstoffe, oder Sauerstoff-haltige Verbindungen bzw. Sauerstoff-haltige Gruppen wie beispielsweise OH-Gruppen, Epoxidgruppen, Carbonyl-Gruppen und/oder Carboxyl-Gruppen. Weiterhin sind Schwefel- oder Eisen-haltige Verunreinigungen in Ruß möglich. In einer Variante handelt es sich bei elektrisch leitfähigem, kohlenstoffhaltigem Material um partiell oxidierten Ruß. Partiell oxidierter Ruß, auch als aktivierter Ruß bezeichnet, enthält Sauerstoff-haltige Gruppen wie beispielsweise OH-Gruppen, Epoxidgruppen, Carbonyl-Gruppen und/oder Carboxyl-Gruppen. Carbon in an electrically conductive modification (H), or carbon for short, is, for example, carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes, expanded graphites, intercalated graphites or activated carbon. In one embodiment of the present invention, electrically conductive carbonaceous material is carbon black. Carbon black may, for example, be selected from lampblack, furnace black, flame black, thermal black, acetylene black, carbon black and furnace carbon black. Carbon black may contain impurities, for example hydrocarbons, in particular aromatic hydrocarbons, or oxygen-containing compounds or oxygen-containing groups, for example OH groups, epoxide groups, carbonyl groups and / or carboxyl groups. Furthermore, sulfur or iron-containing impurities in carbon black are possible. In one variant, electrically conductive, carbonaceous material is partially oxidized carbon black. Partially oxidized carbon black, also referred to as activated carbon black, contains oxygen-containing groups such as, for example, OH groups, epoxide groups, carbonyl groups and / or carboxyl groups.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei elektrisch leitfähigem, kohlenstoffhaltigem Material um Kohlenstoff-Nanoröhren. Kohlenstoff-Nanoröhren (Kohlenstoffnanoröhren, kurz CNT oder englisch carbon nanotubes), beispielsweise einwandige Kohlenstoffnanoröhren (englisch single-walled carbon nanotubes, SW CNT) und bevorzugt mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (englisch multi-walled carbon nanotubes, MW CNT), sind an sich bekannt. Ein Verfahren zu ihrer Herstellung und einige Eigenschaften werden beispielsweise von A. Jess et at, in Chemie Ingenieur Technik2006, 78, 94 - 100 beschrieben. In one embodiment of the present invention, electrically conductive carbonaceous material is carbon nanotubes. Carbon nanotubes (carbon nanotubes, short CNT or English carbon nanotubes), for example single-walled carbon nanotubes (SW CNT) and preferably multi-walled carbon nanotubes (MW CNT), are known per se. A process for their preparation and some properties are described, for example, by A. Jess et al. In Chemie Ingenieur Technik 2006, 78, 94-100.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben Kohlenstoffnanoröhren einen Durchmesser im Bereich von 0,4 bis 50 nm, bevorzugt 1 bis 25 nm. In one embodiment of the present invention, carbon nanotubes have a diameter in the range of 0.4 to 50 nm, preferably 1 to 25 nm.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben Kohlenstoffnanoröhren eine Länge im Bereich von 10 nm bis 1 mm, bevorzugt 100 nm bis 500 nm. Kohlenstoff-Nanoröhren kann man nach an sich bekannten Verfahren herstellen. Beispielsweise kann man eine flüchtige Kohlenstoff-haltige Verbindung wie beispielsweise Methan oder Kohlenmonoxid, Acetylen oder Ethylen, oder ein Gemisch von flüchtigen Kohlenstoff-haltigen Verbindungen wie beispielsweise Synthesegas in Gegenwart von einem oder mehreren Reduktionsmitteln wie beispielsweise Wasserstoff und/oder einem weiteren Gas wie beispielsweise Stickstoff zersetzen. Ein anderes geeignetes Gasgemisch ist eine Mischung von Kohlenmonoxid mit Ethylen. Geeignete Temperaturen zur Zersetzung liegen beispielsweise im Bereich von 400 bis 1000°C, bevorzugt 500 bis 800°C. Geeignete Druckbedingungen für die Zersetzung sind beispielsweise im Bereich von Normaldruck bis 100 bar, bevorzugt bis 10 bar. Ein- oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren kann man beispielsweise durch Zersetzung von Kohlenstoff-haltigen Verbindungen im Lichtbogen erhalten, und zwar in Anwesenheit bzw. Abwesenheit eines Zersetzungskatalysators. In one embodiment of the present invention, carbon nanotubes have a length in the range of 10 nm to 1 mm, preferably 100 nm to 500 nm. Carbon nanotubes can be prepared by methods known per se. For example, one can use a volatile carbon-containing compound such as methane or carbon monoxide, acetylene or ethylene, or a mixture of volatile carbon-containing compounds such as synthesis gas in the presence of one or more reducing agents such as hydrogen and / or another gas such as nitrogen decompose. Another suitable gas mixture is a mixture of carbon monoxide with ethylene. Suitable decomposition temperatures are, for example, in the range from 400 to 1000.degree. C., preferably from 500 to 800.degree. Suitable pressure conditions for the decomposition are, for example, in the range of atmospheric pressure to 100 bar, preferably up to 10 bar. Single- or multi-walled carbon nanotubes can be obtained, for example, by decomposition of carbon-containing compounds in the arc, in the presence or absence of a decomposition catalyst.
In einer Ausführungsform führt man die Zersetzung von flüchtiger Kohlenstoff-haltiger Verbin- dung bzw. Kohlenstoff-haltigen Verbindungen in Gegenwart eines Zersetzungskatalysators durch, beispielsweise Fe, Co oder bevorzugt Ni. In one embodiment, the decomposition of volatile carbon-containing compound or carbon-containing compounds in the presence of a decomposition catalyst, for example Fe, Co or preferably Ni.
Unter Graphen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung fast ideal oder ideal zweidimensionale hexagonale Kohlenstoffkristalle verstanden, die analog zu einzelnen Graphitschichten auf- gebaut sind. Sie können eine C-Atom-Schicht dick sein oder nur wenige, beispielsweise 2 bis 5 C-Atom-Schichten. Man kann Graphen durch Exfoliation oder durch Delaminierung von Graphit herstellen. Unter interkalierten Graphiten werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht vollständig delaminierte Graphite verstanden, die andere Atome, Ionen oder Verbindungen zwischen den hexagonalen C-Atom-Schichten eingelagert enthalten. Eingelagert können beispielsweise Alka- limetallionen sein, S03, Nitrat oder Acetat. Die Herstellung interkalierter Graphite (auch: Blähgraphite) sind bekannt, siehe beispielsweise Rüdorff, Z. anorg. Allg. Chem. 1938, 238(1 ), 1. Interkalierte Graphite sind z.B. durch thermische Expansion von Graphit darstellbar. In the context of the present invention, graphene is understood as meaning almost ideal or ideally two-dimensional hexagonal carbon crystals, which are constructed analogously to individual graphite layers. They can be one C-atom layer thick or only a few, for example 2 to 5 C-atom layers. Graphene can be prepared by exfoliation or by delamination of graphite. In the context of the present invention, intercalated graphites are understood to mean not completely delaminated graphites which contain other atoms, ions or compounds intercalated between the hexagonal C atom layers. For example, alkali metal ions, S0 3 , nitrate or acetate can be incorporated. The production of intercalated graphites (also: expandable graphites) are known, see for example Rüdorff, Z. anorg. Gen. Chem. 1938, 238 (1), 1. Intercalated graphites can be prepared, for example, by thermal expansion of graphite.
Expandierte Graphite kann man beispielsweise durch Expansion interkalierter Graphite erhal- ten, siehe z.B. McAllister et al. Chem. Mater. 2007, 19, 4396-4404. Expanded graphites can be obtained, for example, by expansion of intercalated graphites, see, e.g. McAllister et al. Chem. Mater. 2007, 19, 4396-4404.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt das Gewichtsverhältnis von Übergangsmetallverbindung (I) und Kohlenstoff (H) im Bereich von 200:1 bis 5:1 , bevorzugt 100:1 bis 10:1 , besonders bevorzugt 100 : 1 ,5 bis 20 : 1. In one embodiment of the present invention, the weight ratio of transition metal compound (I) and carbon (H) is in the range from 200: 1 to 5: 1, preferably 100: 1 to 10: 1, more preferably 100: 1, 5 to 20: 1 ,
Kohlenstoff (H) liegt in den Poren von Sekundärpartikeln von Übergangsmetallverbindung (I) oder in Form von Partikeln vor, die Partikel von Übergangsmetallverbindung (I) punktförmig o- der einen oder mehrere Partikel von Kohlenstoff (H) kontaktieren können. Kohlenstoff (H) liegt nicht als Beschichtung von Sekundärpartikeln von Übergangsmetallverbindung (I) vor, und zwar weder als komplette Beschichtung noch als partielle Beschichtung. Partikel von Kohlenstoff (H) kontaktieren Sekundärpartikel von Übergangsmetallverbindung (I) nicht über Kanten. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegen Kohlenstoff (H) und Übergangsmetallverbindung (I) in diskreten Partikeln, die einander punktförmig oder gar nicht kontaktieren, nebeneinander vor. Carbon (H) exists in the pores of secondary particles of transition metal compound (I) or in the form of particles which can contact particles of transition metal compound (I) at a point or one or more particles of carbon (H). Carbon (H) is not present as a coating of secondary particles of transition metal compound (I), neither as a complete coating nor as a partial coating. Particles of carbon (H) do not contact secondary particles of transition metal compound (I) beyond edges. In one embodiment of the present invention, carbon (H) and transition metal compound (I) coexist in discrete particles which contact each other point-wise or not at all.
Die vorstehend beschriebene Morphologie von Kohlenstoff (H) und Übergangsmetallverbindung (I) lässt sich beispielsweise durch Lichtmikroskopie, TransmissionselektronenmikroskopieThe above-described morphology of carbon (H) and transition metal compound (I) can be understood, for example, by light microscopy, transmission electron microscopy
(TEM) oder Rasterelektronenmikroskopie (SEM) nachweisen, außerdem beispielsweise durch röntgenographisch am Beugungsbild. (TEM) or scanning electron microscopy (SEM) prove, in addition, for example, by X-ray on the diffraction pattern.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen Primärpartikel von Verbindung (I) einen mittleren Durchmesser im Bereich von 1 bis 2000 nm auf, bevorzugt 10 bis 1000 nm, besonders bevorzugt 50 bis 500 nm. Den mittleren Primärpartikeldurchmesser kann man beispielsweise bestimmen durch SEM oder TEM. In one embodiment of the present invention, primary particles of compound (I) have an average diameter in the range from 1 to 2000 nm, preferably 10 to 1000 nm, particularly preferably 50 to 500 nm. The mean primary particle diameter can be determined, for example, by SEM or TEM.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt Übergangsmetallverbindung (I) in Form von Partikeln vor, die einen mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 1 bis 150 μιη (d50) aufweisen und in Form von Agglomeraten (Sekundärpartikel) vorliegen können. Bevor- zugt sind mittlere Partikeldurchmesser (d50) im Bereich von 2 bis 50 μιη, besonders bevorzugt im Bereich von 4 bis 30 μιη. In one embodiment of the present invention, transition metal compound (I) is present in the form of particles which have an average particle diameter in the range from 1 to 150 μm (d50) and can be present in the form of agglomerates (secondary particles). Before- zugt are average particle diameter (d50) in the range of 2 to 50 μιη, more preferably in the range of 4 to 30 μιη.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt Übergangsmetallverbindung (I) in Form von Partikeln vor, die einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 0,05 μιη bis 2 μιτι aufweisen und die in Agglomeraten vorliegen können. Der mittlere Porendurchmesser lässt sich beispielsweise durch Quecksilberporosimetrie bestimmen, beispielsweise nach DIN 66133. In one embodiment of the present invention, transition metal compound (I) is in the form of particles which have an average pore diameter in the range from 0.05 μm to 2 μm and which can be present in agglomerates. The average pore diameter can be determined, for example, by mercury porosimetry, for example according to DIN 66133.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt Übergangsmetallverbindung (I) in Form von Partikeln vor, die einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 0,05 μιη bis 2 μιτι aufweisen und einen mono- oder multimodale Verlauf der Intrusionsvolumina im Bereich 100- 0,001 μιη zeigen und dabei vorzugsweise ein ausgeprägtes Maximum im Bereich zwischen 10 μιτι und 1 μιη aufweisen, bevorzugt zwei ausgeprägte Maxima, je eins zwischen 10 und 1 sowie zwischen 1 und 0,1 μιη. In one embodiment of the present invention, transition metal compound (I) is present in the form of particles which have an average pore diameter in the range of 0.05 μm to 2 μm and exhibit a mono- or multimodal course of the intrusion volumes in the range 100-0.001 μm and thereby preferably have a pronounced maximum in the range between 10 μιτι and 1 μιη, preferably two distinct maxima, one each between 10 and 1 and between 1 and 0.1 μιη.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist Kohlenstoff (H) einen mittleren Primärpartikeldurchmesser im Bereich von 1 bis 500 nm auf, bevorzugt im Bereich von 2 bis 100 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 3 bis 50 nm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 4 bis 10 nm. In one embodiment of the present invention, carbon (H) has an average primary particle diameter in the range of 1 to 500 nm, preferably in the range of 2 to 100 nm, more preferably in the range of 3 to 50 nm, most preferably in the range of 4 to 10 nm.
Dabei werden Partikeldurchmesser im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt als Volumenmittel angegeben, bestimmbar beispielsweise durch Laserbeugung an Dispersionen nach der Fraunhofer oder Mie Theorie. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält erfindungsgemäßes Elektrodenmaterial zusätzlich mindestens ein Bindemittel (J), beispielsweise ein polymeres Bindemittel. Particle diameters in the context of the present invention are preferably given as volume average, determinable for example by laser diffraction on dispersions according to the Fraunhofer or Mie theory. In one embodiment of the present invention, electrode material according to the invention additionally contains at least one binder (J), for example a polymeric binder.
Geeignete Bindemittel (J) sind vorzugsweise gewählt aus organischen (Co)polymeren. Geeignete (Co)polymere, also Homopolymere oder Copolymere, kann man beispielsweise wählen aus durch anionische, katalytische oder radikalische (Co)polymerisation erhältlichen Suitable binders (J) are preferably selected from organic (co) polymers. Suitable (co) polymers, ie homopolymers or copolymers, can be selected, for example, from anionic, catalytic or free-radical (co) polymerization
(Co)polymeren, insbesondere aus Polyethylen, Polyacrylnitril, Polybutadien, Polystyrol, und Copolymeren von mindestens zwei Comonomeren, gewählt aus Ethylen, Propylen, Styrol, (Meth)acrylnitril und 1 ,3-Butadien. Außerdem ist Polypropylen geeignet. Weiterhin sind Polyi- sopren und Polyacrylate geeignet. Besonders bevorzugt ist Polyacrylnitril.  (Co) polymers, in particular of polyethylene, polyacrylonitrile, polybutadiene, polystyrene, and copolymers of at least two comonomers selected from ethylene, propylene, styrene, (meth) acrylonitrile and 1, 3-butadiene. In addition, polypropylene is suitable. Furthermore, polyisoprene and polyacrylates are suitable. Particularly preferred is polyacrylonitrile.
Unter Polyacrylnitril werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht nur Polyacrylnitril- Homopolymere verstanden, sondern auch Copolymere von Acrylnitril mit 1 ,3-Butadien oder Styrol. Bevorzugt sind Polyacrylnitril-Homopolymere. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Polyethylen nicht nur Homo-Polyethylen verstanden, sondern auch Copolymere des Ethylens, die mindestens 50 mol-% Ethylen einpolyme- risiert enthalten und bis zu 50 mol-% von mindestens einem weiteren Comonomer, beispiels- weise α-Olefine wie Propylen, Butylen (1 -Buten), 1 -Hexen, 1 -Octen, 1 -Decen, 1 -Dodecen, 1 - Penten, weiterhin Isobuten, Vinylaromaten wie beispielsweise Styrol, weiterhin In the context of the present invention, polyacrylonitrile is understood to mean not only polyacrylonitrile homopolymers, but also copolymers of acrylonitrile with 1,3-butadiene or styrene. Preference is given to polyacrylonitrile homopolymers. In the context of the present invention, polyethylene is understood to mean not only homo-polyethylene, but also copolymers of ethylene which contain at least 50 mol% of ethylene in copolymerized form and up to 50 mol% of at least one further comonomer, for example example, α-olefins such as propylene, butylene (1-butene), 1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene, 1-pentene, also isobutene, vinyl aromatics such as styrene, continue
(Meth)acrylsäure, Vinylacetat, Vinylpropionat, Ci-Cio-Alkylester der (Meth)acrylsäure, insbesondere Methylacrylat, Methylmethacrylat, Ethylacrylat, Ethylmethacrylat, n-Butylacrylat, 2- Ethylhexylacrylat, n-Butylmethacrylat, 2-Ethylhexylmethacrylat, weiterhin Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid und Itaconsäureanhydrid. Bei Polyethylen kann es sich um HDPE oder um LDPE handeln. (Meth) acrylic acid, vinyl acetate, vinyl propionate, Ci-Cio-alkyl esters of (meth) acrylic acid, in particular methyl acrylate, methyl methacrylate, ethyl acrylate, ethyl methacrylate, n-butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, n-butyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, further maleic acid, maleic anhydride and itaconic. Polyethylene may be HDPE or LDPE.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Polypropylen nicht nur Homo-Polypropylen verstanden, sondern auch Copolymere des Propylens, die mindestens 50 mol-% Propylen ein- polymerisiert enthalten und bis zu 50 mol-% von mindestens einem weiteren Comonomer, beispielsweise Ethylen und α-Olefine wie Butylen, 1 -Hexen, 1 -Octen, 1 -Decen, 1 -Dodecen und 1 - Penten. Bei Polypropylen handelt es sich vorzugsweise um isotaktisches oder um im Wesentlichen isotaktisches Polypropylen. In the context of the present invention, polypropylene is understood to mean not only homo-polypropylene but also copolymers of propylene which contain at least 50 mol% of propylene polymerized and up to 50 mol% of at least one further comonomer, for example ethylene and α-propylene. Olefins such as butylene, 1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene and 1-pentene. Polypropylene is preferably isotactic or substantially isotactic polypropylene.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter Polystyrol nicht nur Homopolymere des Styrols verstanden, sondern auch Copolymere mit Acrylnitril, 1 ,3-Butadien, (Meth)acrylsäure, Ci-Cio-Alkylester der (Meth)acrylsäure, Divinylbenzol, insbesondere 1 ,3-Divinylbenzol, 1 ,2- Diphenylethylen und a-Methylstyrol. In the context of the present invention, polystyrene is understood to mean not only homopolymers of styrene, but also copolymers with acrylonitrile, 1,3-butadiene, (meth) acrylic acid, C 1 -C 10 -alkyl esters of (meth) acrylic acid, divinylbenzene, in particular 1, 3. Divinylbenzene, 1, 2-diphenylethylene and a-methylstyrene.
Ein anderes bevorzugtes Bindemittel (J) ist Polybutadien. Another preferred binder (J) is polybutadiene.
Andere geeignete Bindemittel (J) sind gewählt aus Polyethylenoxid (PEO), Cellulose, Carboxy- methylcellulose, Polyimiden und Polyvinylalkohol. Other suitable binders (J) are selected from polyethylene oxide (PEO), cellulose, carboxymethyl cellulose, polyimides and polyvinyl alcohol.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man Bindemittel (J) aus solchen (Co)polymeren, die ein mittleres Molekulargewicht Mw im Bereich von 50.000 bis 1.000.000 g/mol, bevorzugt bis 500.000 g/mol aufweisen. Bei Bindemitteln (J) kann es sich um vernetzte oder unvernetzte (Co)polymere handeln. In one embodiment of the present invention, binders (J) are selected from those (co) polymers which have an average molecular weight M w in the range from 50,000 to 1,000,000 g / mol, preferably up to 500,000 g / mol. Binders (J) may be crosslinked or uncrosslinked (co) polymers.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt man Bindemittel (J) aus halogenierten (Co)polymeren, insbesondere aus fluorierten (Co)polymeren. Dabei werden unter halogenierten bzw. fluorierten (Co)polymeren solche (Co)polymere ver- standen, die mindestens ein (Co)monomer einpolymerisiert enthalten, das mindestens ein Halogenatom bzw. mindestens ein Fluoratom pro Molekül aufweist, bevorzugt mindestens zwei Halogenatome bzw. mindestens zwei Fluoratome pro Molekül. In a particularly preferred embodiment of the present invention, binders (J) are selected from halogenated (co) polymers, in particular from fluorinated (co) polymers. Halogenated or fluorinated (co) polymers include those (co) polymers which contain at least one (co) monomer in copolymerized form which has at least one halogen atom or at least one fluorine atom per molecule, preferably at least two halogen atoms or at least two fluorine atoms per molecule.
Beispiele sind Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid (PVdF), Tetrafluoroethylen-Hexafluorpropylen-Copolymere, Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen- Copolymere (PVdF-HFP), Vinylidenfluorid-Tetrafluorethylen-Copolymere, Perfluoralkylviny- lether-Copolymere, Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymere, Vinylidenfluorid-Chlortrifluorethylen- Copolymere und Ethylen-Chlorfluorethylen-Copolymere. Examples are polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVdF), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymers (PVdF-HFP), vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymers, perfluoroalkylviny- lether copolymers, ethylene-tetrafluoroethylene copolymers, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymers and ethylene-chlorofluoroethylene copolymers.
Geeignete Bindemittel (J) sind insbesondere Polyvinylalkohol und halogenierte (Co)polymere, beispielsweise Polyvinylchlorid oder Polyvinylidenchlorid, insbesondere fluorierte (Co)polymere wie Polyvinylfluorid und insbesondere Polyvinylidenfluorid und Polytetrafluorethylen. Suitable binders (J) are in particular polyvinyl alcohol and halogenated (co) polymers, for example polyvinyl chloride or polyvinylidene chloride, in particular fluorinated (co) polymers such as polyvinyl fluoride and in particular polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält erfindungsgemäßes Elektrodenmaterial: In one embodiment of the present invention, electrode material according to the invention contains:
im Bereich von 60 bis 98 Gew.-%, bevorzugt 70 bis 96 Gew.-% Übergangsmetallverbindung (I), im Bereich von 1 bis 25 Gew.-% bevorzugt 2 bis 20 Gew.-% Kohlenstoff (H), in the range from 60 to 98% by weight, preferably from 70 to 96% by weight of transition metal compound (I), in the range from 1 to 25% by weight, preferably from 2 to 20% by weight, of carbon (H),
im Bereich von 1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 15 Gew.-% Bindemittel (J). in the range of 1 to 20 wt .-%, preferably 2 to 15 wt .-% binder (J).
Erfindungsgemäße Elektrodenmaterialien lassen sich gut zur Herstellung von elektrochemi- sehen Zellen verwenden. Beispielsweise lassen sie sich zu Pasten mit guten Theologischen Eigenschaften verarbeiten. Inventive electrode materials can be used well for the production of electrochemical cells. For example, they can be processed into pastes with good theological properties.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind elektrochemische Zellen, hergestellt unter Verwendung von mindestens einer erfindungsgemäßen Elektrode. Ein weiterer Gegen- stand der vorliegenden Erfindung sind elektrochemische Zellen, enthaltend mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode. Another object of the present invention are electrochemical cells prepared using at least one electrode according to the invention. A further subject of the present invention are electrochemical cells containing at least one electrode according to the invention.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Elektrode, enthaltend mindestens eine Übergangsmetallverbindung (I), Kohlenstoff (H) und mindestens ein Bindemittel (J). Another aspect of the present invention is an electrode containing at least one transition metal compound (I), carbon (H) and at least one binder (J).
Verbindung der allgemeinen Formel (I), Kohlenstoff (H) und Bindemittel (J) sind vorstehend beschrieben. Compound of the general formula (I), carbon (H) and binder (J) are described above.
Die Geometrie von erfindungsgemäßen Elektroden kann man in weiten Grenzen wählen. Be- vorzugt ist es, erfindungsgemäße Elektroden in dünnen Filmen auszugestalten, beispielsweise in Filmen mit einer Dicke im Bereich von 10 μιη bis 250 μιη, bevorzugt 20 bis 130 μιη. The geometry of electrodes according to the invention can be chosen within wide limits. It is preferred to design electrodes according to the invention in thin films, for example in films having a thickness in the range from 10 μm to 250 μm, preferably from 20 to 130 μm.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen erfindungsgemäße Elektroden eine Folie, beispielsweise eine Metallfolie, insbesondere eine Aluminiumfolie, oder eine Poly- merfolie, beispielsweise eine Polyesterfolie, die unbehandelt oder silikonisiert sein kann. In one embodiment of the present invention, electrodes according to the invention comprise a foil, for example a metal foil, in particular an aluminum foil, or a polymer foil, for example a polyester foil, which may be untreated or siliconized.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von erfindungsgemäßen Elektrodenmaterialien bzw. erfindungsgemäßen Elektroden in elektrochemischen Zellen. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von elekt- rochemischen Zellen unter Verwendung von erfindungsgemäßem Elektrodenmaterial bzw. von erfindungsgemäßen Elektroden. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind e- lektrochemische Zellen, enthaltend mindestens ein erfindungsgemäßes Elektrodenmaterial oder mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode. Another object of the present invention is the use of electrode materials according to the invention or electrodes according to the invention in electrochemical cells. A further subject of the present invention is a process for the production of electrochemical cells using electrode material according to the invention or electrodes according to the invention. Another object of the present invention are e- electrochemical cells containing at least one electrode material according to the invention or at least one electrode according to the invention.
Erfindungsgemäße Elektroden dienen in erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen definiti- onsgemäß als Kathoden. Erfindungsgemäße elektrochemische Zellen enthalten eine Gegenelektrode, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Anode definiert wird und die beispielsweise eine Kohlenstoff-Anode, insbesondere eine Graphit-Anode, eine Lithium-Anode, eine Silizium-Anode oder eine Lithium-Titanat-Anode sein kann. Bei erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen kann es sich beispielsweise um Batterien oder um Akkumulatoren handeln. Electrochemical cells according to the invention definitely serve as cathodes in electrochemical cells according to the invention. Electrochemical cells according to the invention contain a counterelectrode which is defined as an anode in the context of the present invention and which can be, for example, a carbon anode, in particular a graphite anode, a lithium anode, a silicon anode or a lithium titanate anode. Electrochemical cells according to the invention may be, for example, batteries or accumulators.
Erfindungsgemäße elektrochemische Zellen können neben Anode und erfindungsgemäßer E- lektrode weitere Bestandteile umfassen, beispielsweise Leitsalz, nicht-wässriges Lösungsmittel, Separator, Stromableiter, beispielsweise aus einem Metall oder einer Legierung, weiterhin Kabelverbindungen und Gehäuse. Electrochemical cells according to the invention may comprise, in addition to the anode and the electrode according to the invention, further constituents, for example conductive salt, nonaqueous solvent, separator, current conductor, for example of a metal or an alloy, furthermore cable connections and housing.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten erfindungsgemäße elektrische Zellen mindestens ein nicht-wässriges Lösungsmittel, das bei Zimmertemperatur flüssig oder fest sein kann, bevorzugt gewählt aus Polymeren, cyclischen oder nicht-cyclischen Ethern, cyc- lischen und nicht-cyclischen Acetalen und cyclischen oder nicht cyclischen organischen Carbo- naten. In one embodiment of the present invention, electrical cells according to the invention contain at least one non-aqueous solvent which may be liquid or solid at room temperature, preferably selected from polymers, cyclic or non-cyclic ethers, cyclic and non-cyclic acetals and cyclic or not cyclic organic carbonates.
Beispiele für geeignete Polymere sind insbesondere Polyalkylenglykole, bevorzugt P0IV-C1-C4- alkylenglykole und insbesondere Polyethylenglykole. Dabei können Polyethylenglykole bis zu 20 mol-% ein oder mehrere Ci-C4-Alkylenglykole einpolymerisiert enthalten. Vorzugsweise handelt es sich bei Polyalkylenglykolen um zweifach mit Methyl oder Ethyl verkappte Polyalkylenglykole. Das Molekulargewicht Mw von geeigneten Polyalkylenglykolen und insbesondere von geeigneten Polyethylenglykolen kann mindestens 400 g/mol betragen. Examples of suitable polymers are in particular polyalkylene glycols, preferably P0IV-C1-C4-alkylene glycols and in particular polyethylene glycols. Polyethylene glycols may contain up to 20 mol% of one or more C 1 -C 4 -alkylene glycols in copolymerized form. Preferably, polyalkylene glycols are polyalkylene glycols double capped with methyl or ethyl. The molecular weight M w of suitable polyalkylene glycols and especially of suitable polyethylene glycols may be at least 400 g / mol.
Das Molekulargewicht Mw von geeigneten Polyalkylenglykolen und insbesondere von geeigneten Polyethylenglykolen kann bis zu 5.000.000 g/mol betragen, bevorzugt bis zu 2.000.000 g/mol betragen The molecular weight M w of suitable polyalkylene glycols and in particular of suitable polyethylene glycols may be up to 5,000,000 g / mol, preferably up to 2,000,000 g / mol
Beispiele für geeignete nicht-cyclische Ether sind beispielsweise Diisopropylether, Di-n- Butylether, 1 ,2-Dimethoxyethan, 1 ,2-Diethoxyethan, bevorzugt ist 1 ,2-Dimethoxyethan. Examples of suitable non-cyclic ethers are, for example, diisopropyl ether, di-n-butyl ether, 1, 2-dimethoxyethane, 1, 2-diethoxyethane, preference is 1, 2-dimethoxyethane.
Beispiele für geeignete cyclische Ether sind Tetrahydrofuran und 1 ,4-Dioxan. Beispiele für geeignete nicht-cyclische Acetale sind beispielsweise Dimethoxymethan, Dietho- xymethan, 1 , 1 -Dimethoxyethan und 1 , 1 -Diethoxyethan. Examples of suitable cyclic ethers are tetrahydrofuran and 1,4-dioxane. Examples of suitable non-cyclic acetals are, for example, dimethoxymethane, diethoxymethane, 1,1-dimethoxyethane and 1,1-diethoxyethane.
Beispiele für geeignete cyclische Acetale sind 1 ,3-Dioxan und insbesondere 1 ,3-Dioxolan. Examples of suitable cyclic acetals are 1, 3-dioxane and in particular 1, 3-dioxolane.
Beispiele für geeignete nicht-cyclische organische Carbonate sind Dimethylcarbonat, Ethylme- thylcarbonat und Diethylcarbonat. Examples of suitable non-cyclic organic carbonates are dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate and diethyl carbonate.
Beispiele für geeignete cyclische organische Carbonate sind Verbindungen der allgemeinen Formeln (I I) und (II I) Examples of suitable cyclic organic carbonates are compounds of the general formulas (I I) and (II I)
bei denen R3, R4 und R5 gleich oder verschieden sein können und gewählt aus Wasserstoff und Ci-C4-Alkyl, beispielsweise Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl und tert.-Butyl, wobei vorzugsweise R4 und R5 nicht beide tert.-Butyl sind. in which R 3 , R 4 and R 5 may be identical or different and selected from hydrogen and C 1 -C 4 -alkyl, for example methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, sec. Butyl and tert-butyl, preferably R 4 and R 5 are not both tert-butyl.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist R3 Methyl, und R4 und R5 sind jeweils Wasserstoff, oder R5, R3 und R4 sind jeweils gleich Wasserstoff. In particularly preferred embodiments, R 3 is methyl and R 4 and R 5 are each hydrogen or R 5 , R 3 and R 4 are each hydrogen.
Ein anderes bevorzugtes cyclisches organisches Carbonat ist Vinylencarbonat, Formel (IV). Another preferred cyclic organic carbonate is vinylene carbonate, formula (IV).
Vorzugsweise setzt man das oder die Lösungsmittel im so genannten wasserfreien Zustand ein, d.h. mit einem Wassergehalt im Bereich von 1 ppm bis 0,1 Gew.-%, bestimmbar beispielsweise durch Karl-Fischer-Titration. Preferably, the solvent or solvents are used in the so-called anhydrous state, i. with a water content in the range of 1 ppm to 0.1 wt .-%, determined for example by Karl Fischer titration.
Erfindungsgemäße elektrochemische Zellen enthalten weiterhin mindestens ein Leitsalz. Geeignete Leitsalze sind insbesondere Lithiumsalze. Beispiele für geeignete Lithiumsalze sind LiPF6, LiBF4, L1CIO4, LiAsF6, L1CF3SO3, LiC(CnF2n+iS02)3, Lithiumimide wie LiN(CnF2n+iS02)2, wobei n eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis 20 ist, LiN(S02F)2, Li2SiF6, LiSbFß, LiAICU, und Salze der allgemeinen Formel (CnF2n+iS02)mYLi, wobei m wie folgt definiert ist: Inventive electrochemical cells also contain at least one conductive salt. Suitable conductive salts are in particular lithium salts. Examples of suitable lithium salts are LiPF 6, LiBF 4, L1CIO4, LiAsF 6, L1CF3SO3, LiC (CnF 2 n + IS0 2) 3, lithium imides such as LiN (CnF 2 n + IS0 2) 2, where n is an integer ranging from 1 to 20; LiN (SO 2 F) 2, Li 2 SiF 6, LiSbF 2 O, LiAICU, and salts of the general formula (C n F 2n + i SO 2) mYLi, where m is defined as follows:
m = 1 , wenn Y gewählt wird aus Sauerstoff und Schwefel, m = 1, when Y is selected from oxygen and sulfur,
m = 2, wenn Y gewählt wird aus Stickstoff und Phosphor, und m = 2 when Y is selected from nitrogen and phosphorus, and
m = 3, wenn Y gewählt wird aus Kohlenstoff und Silizium. m = 3 when Y is selected from carbon and silicon.
Bevorzugte Leitsalze sind gewählt aus LiC(CF3S02)3, LiN(CF3S02)2, LiPF6, LiBF4, Preferred conducting salts are selected from LiC (CF 3 SO 2 ) 3, LiN (CF 3 SO 2 ) 2, LiPF 6 , LiBF 4 ,
L1CIO4, und besonders bevorzugt sind LiPFß und LiN(CF3SC>2)2. L1CIO4, and particularly preferred are LiPFβ and LiN (CF3SC> 2) 2.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten erfindungsgemäße elektrochemische Zellen einen oder mehrere Separatoren, durch die die Elektroden mechanisch getrennt sind. Als Separatoren sind Polymerfilme, insbesondere poröse Polymerfilme, geeignet, die gegenüber metallischem Lithium unreaktiv sind. Besonders geeignete Materialien für Separatoren sind Polyolefine, insbesondere filmförmiges poröses Polyethylen und filmförmiges poröses Polypropylen. In one embodiment of the present invention, electrochemical cells according to the invention contain one or more separators, by means of which the electrodes are mechanically separated. Suitable separators are polymer films, in particular porous polymer films, which are unreactive with respect to metallic lithium. Particularly suitable materials for separators are polyolefins, in particular film-shaped porous polyethylene and film-shaped porous polypropylene.
Separatoren aus Polyolefin, insbesondere aus Polyethylen oder Polypropylen, können eine Porosität im Bereich von 35 bis 45% haben. Geeignete Porendurchmesser liegen beispielsweise im Bereich von 30 bis 500 nm. Polyolefin separators, particularly polyethylene or polypropylene, may have a porosity in the range of 35 to 45%. Suitable pore diameters are for example in the range from 30 to 500 nm.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann man Separatoren aus mit anorganischen Partikeln gefüllten PET-Vliesen wählen. Derartige Separatoren können eine Porosität im Bereich von 40 bis 55 % aufweisen. Geeignete Porendurchmesser liegen beispiels- weise im Bereich von 80 bis 750 nm. In another embodiment of the present invention, separators may be selected from inorganic particle filled PET webs. Such separators may have a porosity in the range of 40 to 55%. Suitable pore diameters are, for example, in the range from 80 to 750 nm.
Erfindungsgemäße elektrochemische Zellen enthalten weiterhin ein Gehäuse, das beliebige Form haben kann, beispielsweise quaderförmig oder die Form einer zylindrischen Scheibe. In einer Variante wird als Gehäuse eine als Beutel ausgearbeitete Metallfolie eingesetzt. Electrochemical cells according to the invention furthermore contain a housing which can have any shape, for example cuboidal or the shape of a cylindrical disk. In one variant, a metal foil developed as a bag is used as the housing.
Erfindungsgemäße elektrochemische Zellen liefern eine hohe Spannung und zeichnen sich aus durch eine hohe Energiedichte und gute Stabilität aus. Inventive electrochemical cells provide a high voltage and are characterized by a high energy density and good stability.
Erfindungsgemäße elektrochemische Zellen lassen sich miteinander kombinieren, beispielswei- se in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung. Reihenschaltung ist bevorzugt. Electrochemical cells according to the invention can be combined with one another, for example in series connection or in parallel connection. Series connection is preferred.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen in Geräten, insbesondere in mobilen Geräten. Beispiele für mobile Geräte sind Fahrzeuge, beispielsweise Automobile, Zweiräder, Flugzeuge oder Wasserfahr- zeuge wie Boote oder Schiffe. Andere Beispiele für mobile Geräte sind solche, die man selber bewegt, beispielsweise Computer, insbesondere Laptops, Telefone oder elektrische Hand- werkszeuge, beispielsweise aus dem Bereich des Bauens, insbesondere Bohrmaschinen, Ak- kubohrschrauber oder Akku-Tacker. Another object of the present invention is the use of electrochemical cells according to the invention in devices, in particular in mobile devices. Examples of mobile devices are vehicles, for example automobiles, two-wheelers, aircraft or watercraft, such as boats or ships. Other examples of mobile devices are those that you move yourself, such as computers, especially laptops, phones, or electrical tools, for example in the field of construction, in particular drills, cordless screwdrivers or cordless tackers.
Die Verwendung von erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen in Geräten bietet den Vorteil einer längeren Laufzeit vor dem Nachladen. Wollte man mit elektrochemischen Zellen mit geringerer Energiedichte eine gleiche Laufzeit verwirklichen, so müsste man ein höheres Gewicht für elektrochemische Zellen in Kauf nehmen. The use of electrochemical cells in devices according to the invention offers the advantage of a longer running time before reloading. If one wanted to realize an equal running time with electrochemical cells with a lower energy density, then one would have to accept a higher weight for electrochemical cells.
Die Erfindung wird durch Arbeitsbeispiele erläutert. The invention will be explained by working examples.
Arbeitsbeispiele working examples
Herstellung eines Elektrodenmaterials Schritt (a.1 ) Preparation of an electrode material step (a.1)
Ausgangsmaterialien:  Starting materials:
12,14 kg a-FeOOH (A.1 ) 12.14 kg a-FeOOH (A.1)
5,83 kg LiOH H20 (C.1 ) 5.83 kg of LiOH H 2 O (C.1)
5,66 kg H3P03 (B.1 ) 5.66 kg H 3 P0 3 (B.1)
7,89 kg H3P04 (B.2) 7.89 kg H 3 P0 4 (B.2)
2,17 kg Laktose (D.1 ) 2.17 kg lactose (D.1)
1 ,96 kg Stärke (D.2) 1, 96 kg thickness (D.2)
Zuerst wurden 133,5 I destilliertes Wasser in einem 200-Liter-Doppelmantelrührgefäß mit An- kerrührer vorgelegt und auf 58,5°C aufgeheizt. Anschließend wurde das LiOH H2O (C.1 ) darin gelöst und dann die Eisenverbindung (A.1 ) zugegeben. Danach wurden (B.1 ) und (B.2) zugegeben. Die Temperatur stieg auf 78°C. Danach gab man (D.1 ) und (D.2) zu. Man rührte bei 75°C über 16 Stunden nach (pH-Wert: 5). Man erhielt eine gelbe Suspension. Schritt (b.1 ) First, 133.5 l of distilled water were placed in a 200 liter double-walled stirred vessel with an anchor stirrer and heated to 58.5 ° C. Subsequently, the LiOH was dissolved H2O (C.1) therein, and then the iron compound (A.1) was added. Thereafter, (B.1) and (B.2) were added. The temperature rose to 78 ° C. Then you gave (D.1) and (D.2). The mixture was stirred at 75 ° C. for 16 hours (pH 5). A yellow suspension was obtained. Step (b.1)
Die Lösung aus Schritt (a.1 ) wurde in einem Sprühturm nach Programm unter Luft versprüht. Der Heißluftstrom hatte beim Eingang eine Temperatur von 330°C, beim Ausgang noch 1 10°C. Der Trockner wurde mit 350 kg/h Trocknungsgas betrieben sowie 33 kg/h Düsengas (Zerstäubungsgas) mit einem Zerstäubungsdruck von 3,5 bar.  The solution from step (a.1) was sprayed in a spray tower by program under air. The hot air flow had a temperature of 330 ° C at the entrance, at the exit still 1 10 ° C. The dryer was operated with 350 kg / h of drying gas and 33 kg / h of nozzle gas (sputtering gas) with an atomization pressure of 3.5 bar.
Man erhielt ein gelbes gut rieselfähiges Pulver mit einer Restfeuchte von 8%. Es lag in Form von Partikeln vor, deren Durchmesser (D50) 19 μιη war. SEM-Bilder zeigten sphärische Agglomerate des gelben Pulvers, die im Inneren durch die organischen Bestandteile Laktose und Stärke zusammengehalten wurden. A yellow free-flowing powder with a residual moisture content of 8% was obtained. It was in the form of particles whose diameter (D50) was 19 μm. SEM images showed spherical agglomerates of yellow powder held together by the organic components lactose and starch.
Schritt (c.1 ) Das gelbe Pulver aus Schritt (b.1 ) wurde in einem 2-l-Stahl-Labordrehrohrofen unter N2- Atmosphäre thermisch behandelt. Der 2-l-Stahl-Labordrehrohrofen wies drei Temperaturzonen auf und drehte sich mit einer Geschwindigkeit von 10 Umdrehungen/min. Die Temperatur in Zone 1 betrug 450°C, in Zone 2 betrug die Temperatur 725°C und in Zone 3 betrug sie 775°C. Die mittlere Verweilzeit betrug eine Stunde. Nach erfolgter thermischer Behandlung ließ man auf Zimmertemperatur abkühlen. Man erhielt erfindungsgemäßes Elektrodenmaterial, enthaltend Übergangsmetallverbindung (1.1 ) und Kohlenstoff (H.1 ). Kohlenstoff (H.1 ) und Übergangsmetallverbindung (1.1 ) lagen, wie durch Lichtmikroskop gezeigt werden konnte, in diskre- ten Partikeln vor, die sich entweder gar nicht oder nur jeweils an einem einzigen Punkt berührten. Durchmesser (D50): 17,2 μιτι. Step (c.1) The yellow powder from step (b.1) was thermally treated in a 2 liter steel laboratory rotary kiln under an N 2 atmosphere. The 2-liter steel laboratory rotary kiln had three temperature zones and rotated at a speed of 10 revolutions / min. The temperature in zone 1 was 450 ° C., in zone 2 the temperature was 725 ° C. and in zone 3 it was 775 ° C. The mean residence time was one hour. After the thermal treatment was allowed to cool to room temperature. Inventive electrode material containing transition metal compound (1.1) and carbon (H.1) was obtained. Carbon (H.1) and transition metal compound (1.1) were present in discrete particles, as shown by light microscopy, which did not touch at all or only at a single point. Diameter (D50): 17.2 μιτι.
Die Stampfdichte der Siebfraktion <32μιτι betrug 0,92 g/ml. The tamped density of the sieve fraction <32μιτι was 0.92 g / ml.
II. Herstellung von erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen II. Production of Electrochemical Cells According to the Invention
Erfindungsgemäßes Elektrodenmaterial wurde mit einem Bindemittel (J.1 ): Copolymer von Vi- nylidenfluorid und Hexafluopropen, als Pulver, kommerziell erhältlich als Kynar Flex® 2801 der Fa. Arkema, Inc., wie folgt verarbeitet. Inventive electrode material was processed with a binder (J.1): copolymer of vinylidene fluoride and hexafluopropene, as a powder, commercially available as Kynar Flex® 2801 from Arkema, Inc., as follows.
Zur Bestimmung der elektrochemischen Daten der Elektrodenmaterialien wurden 8 g erfindungsgemäßes Elektrodenmaterial aus Schritt (c.1 ) und 1 g (J.1 ) unter Zusatz von 1 g N- Methylpyrrolidon (NM P) zu einer Paste vermischt. Man beschichtet eine 30 μιη dicke Alumini- umfolie mit der vorstehend beschriebenen Paste (Aktivmaterialbeladung 2,72 mg/cm2). Nach Trocknung, aber ohne Kompression, bei 105°C wurden kreisförmige Teile der so beschichteten Aluminiumfolie (Durchmesser 20 mm) ausgestanzt. Aus den so erhältlichen Elektroden stellte man elektrochemische Zellen her. Als Elektrolyt wurde eine 1 mol/l Lösung von LiPFß in Ethylencarbonat/Dimethylcarbonat (1 :1 bezogen auf Massenanteile) eingesetzt. Die Anode der Testzellen bestand aus einer Lithiumfolie, die über einen Separator aus Glasfaserpapier zur Kathodenfolie in Kontakt steht. To determine the electrochemical data of the electrode materials, 8 g of electrode material according to the invention from step (c.1) and 1 g (J.1) with the addition of 1 g of N-methylpyrrolidone (NM P) were mixed to form a paste. A 30 μιη thick aluminum foil is coated with the paste described above (active material loading 2.72 mg / cm 2 ). After drying, but without compression, at 105 ° C, circular parts of the thus coated aluminum foil (diameter 20 mm) were punched out. Electrochemical cells were prepared from the electrodes thus obtained. As the electrolyte, a 1 mol / l solution of LiPFß in ethylene carbonate / dimethyl carbonate (1: 1 based on mass fractions) was used. The anode of the test cells consisted of a lithium foil, which is in contact with the cathode foil via a separator made of glass fiber paper.
Man erhält erfindungsgemäße elektrochemische Zellen EZ.1 . The invention gives electrochemical cells EZ.1.
Wenn man erfindungsgemäße elektrochemische Zellen zwischen 3 V und 4 V bei 25°C in 100 Zyklen zyklisiert (geladen/entladen), und wenn Lade- und Entladeströme 150 mA/g Kathodenmaterial betragen, so kann man die Erhaltung der Entladekapazität nach 100 Zyklen bestimmen. When cycling electrochemical cells of the invention between 3V and 4V at 25 ° C in 100 cycles (charged / discharged) and charging and discharging currents are 150 mA / g cathode material, one can determine the retention of discharge capacity after 100 cycles.
Erfindungsgemäße elektrochemische Zellen EZ.1 zeigen eine gute Zyklenstabilität. Inventive electrochemical cells EZ.1 show good cycling stability.

Claims

Patentansprüche  claims
Verfahren zur Herstellung von Elektrodenmaterialien, dadurch gekennzeichnet, dass man Process for the production of electrode materials, characterized in that
(a) miteinander vermischt:  (a) mixed together:
(A) mindestens eine Eisenverbindung, in der Fe in der Oxidationsstufe +2 oder +3 vorliegt,  (A) at least one iron compound in which Fe is in the oxidation state +2 or +3,
(B) mindestens eine Phosphorverbindung,  (B) at least one phosphorus compound,
(C) mindestens eine Lithiumverbindung,  (C) at least one lithium compound,
(D) mindestens eine Kohlenstoffquelle, die eine separate Kohlenstoffquelle oder gleich mindestens einer Eisenverbindung (A) oder Phosphorverbindung (B) oder Lithiumverbindung (C) sein kann,  (D) at least one carbon source which may be a separate carbon source or at least one iron compound (A) or phosphorus compound (B) or lithium compound (C),
(E) gegebenenfalls mindestens ein Reduktionsmittel,  (E) optionally at least one reducing agent,
(F) gegebenenfalls mindestens eine Metallverbindung, die ein von Eisen verschiedenes Metall aufweist,  (F) optionally at least one metal compound having a metal other than iron,
(G) gegebenenfalls Wasser oder mindestens ein organisches Lösungsmittel,  (G) optionally water or at least one organic solvent,
(b) mit Hilfe einer mindestens Apparatur, die sich zum Versprühen mindestens einer Sprühdüse bedient, miteinander sprühtrocknet und (b) spray-dried with each other by means of an at least apparatus which uses at least one spray nozzle for spraying
(c) bei mindestens zwei verschiedenen Temperaturen im Bereich von 350 bis  (c) at least two different temperatures in the range of 350 to
1200°C thermisch behandelt.  1200 ° C thermally treated.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass man als Kohlenstoffquelle (D) eine separate Kohlenstoffquelle einsetzt, die gewählt wird aus Aktivkohle, Ruß, Leitruß, Graphenen, Carbiden, organischen Polymeren und Graphit. Process according to Claim 1, characterized in that the carbon source (D) used is a separate carbon source selected from activated carbon, carbon black, carbon black, graphenes, carbides, organic polymers and graphite.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass man als Kohlenstoffquelle, die gleich mindestens einer Eisenverbindung (A) oder Lithiumverbindung (C) ist, mindestens ein Salz von Eisen oder Lithium mit mindestens einer organischen Säure einsetzt. A method according to claim 1, characterized in that at least one salt of iron or lithium with at least one organic acid is used as the carbon source which is equal to at least one iron compound (A) or lithium compound (C).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man Eisenverbindung (A) wählt aus Fe(OH)3, FeOOH, Ammoniumeisencitrat, Fe2<D3, Fe304, Ei- senacetat, FeS04, Eisencitrat, Eisenlactat, Eisenphosphat, Eisenphosphonat und Eisen- carbonat. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that iron compound (A) is selected from Fe (OH) 3 , FeOOH, ammonium iron citrate, Fe2 <D 3 , Fe 3 0 4 , iron acetate, FeS0 4 , iron citrate, iron lactate , Iron phosphate, iron phosphonate and iron carbonate.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man Lithiumverbindung (C) wählt aus LiOH, Li2C03, Li20, LiN03, Li2S04, Lithiumphosphonaten und Li-Phosphaten. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man Phosphorverbindung (B) wählt aus H3P04, H3P03 und Salzen und Estern der vorstehend genannten Säuren. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die thermische Behandlung in Schritt (c) in einer inerten oder einer reduzierenden Atmosphäre durchführt. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that lithium compound (C) is selected from LiOH, Li 2 C0 3 , Li 2 0, LiN0 3 , Li 2 S0 4 , lithium phosphonates and Li phosphates. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that one selects phosphorus compound (B) from H 3 P0 4 , H 3 P0 3 and salts and esters of the abovementioned acids. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that one carries out the thermal treatment in step (c) in an inert or a reducing atmosphere.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die thermische Behandlung in Schritt (c) in einer oxidierenden Atmosphäre durchführt. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that one carries out the thermal treatment in step (c) in an oxidizing atmosphere.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man Metallverbindung (F) wählt aus Verbindungen von Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Mg, AI, Nb, W, Mo, Cu und Zn. Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that one selects metal compound (F) from compounds of Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Mg, Al, Nb, W, Mo, Cu and Zn.
Elektrodenmaterial, enthaltend Electrode material containing
(H) Kohlenstoff in einer elektrisch leitfähigen Modifikation,  (H) carbon in an electrically conductive modification,
(I) mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel (I)  (I) at least one compound of general formula (I)
Lix(M(i-y)Fey)aPOz (I) wobei die Variablen wie folgt definiert sind: Lix (M (i-y) Fe y) APOZ (I) wherein the variables are defined as follows:
M gewählt aus Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Mg, AI, Nb, W, Mo, Cu und Zn, x eine Zahl im Bereich von 0,1 bis 4,  M is selected from Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Mg, Al, Nb, W, Mo, Cu and Zn, x is a number in the range of 0.1 to 4,
y eine Zahl im Bereich von 0,1 bis 1 ,  y is a number in the range of 0.1 to 1,
z eine Zahl im Bereich von 2 bis 6,  z is a number in the range of 2 to 6,
a eine Zahl im Bereich von 0,1 bis 4, wobei Kohlenstoff (H) in den Poren von Sekundärpartikeln von Übergangsmetallverbindung (I) oder in Form von Partikeln vorliegt, die Partikel von Übergangsmetallverbindung (I) punktförmig oder einen oder mehrere Partikel von Kohlenstoff (H) kontaktieren können.  a is a number in the range of 0.1 to 4, wherein carbon (H) is present in the pores of secondary particles of transition metal compound (I) or in the form of particles, the particles of transition metal compound (I) point or one or more particles of carbon ( H) can contact.
Elektrodenmaterial nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass (dadurch gekenn zeichnet, dass die Variablen wie folgt gewählt werden: Electrode material according to claim 10, characterized in that (characterized in that the variables are chosen as follows:
x ist eine Zahl im Bereich von 0,8 bis 3,  x is a number in the range of 0.8 to 3,
y ist mindestens 0,01 ,  y is at least 0.01,
z ist eine Zahl im Bereich von 3 bis 5,  z is a number in the range of 3 to 5,
a ist eine Zahl im Bereich von 0,2 bis 2,  a is a number in the range of 0.2 to 2,
und dass die übrigen Variablen wie vorstehend definiert sind.  and that the remaining variables are as defined above.
Elektrodenmaterial nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Variablen wie folgt gewählt werden: Electrode material according to claim 10 or 11, characterized in that the variables are chosen as follows:
x ist 1 ,  x is 1,
y ist 1 , Elektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoff (H) einen mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 1 bis 500 nm aufweist. y is 1, Electrode material according to one of claims 10 to 12, characterized in that carbon (H) has an average particle diameter in the range of 1 to 500 nm.
Elektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Restfeuchte im Bereich von 100 bis 5.000 ppm aufweist. Electrode material according to one of claims 10 to 13, characterized in that it has a residual moisture in the range of 100 to 5000 ppm.
Elektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindung der allgemeinen Formel (I) in Form von Partikeln vorliegt, die in Agglomeraten vorliegen können und einen mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 1 bis 150 μιη (d50) aufweisen. An electrode material according to any one of claims 10 to 14, characterized in that compound of the general formula (I) is in the form of particles which may be present in agglomerates and have a mean particle diameter in the range of 1 to 150 μιη (d50).
Elektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindung der allgemeinen Formel (I) in Form von Partikeln vorliegt, die einen mittleren Porendurchmesser im Bereich von 0,05 μιη bis 2 μιτι aufweisen und die in Agglomeraten vorliegen können. An electrode material according to any one of claims 10 to 15, characterized in that compound of the general formula (I) is in the form of particles having a mean pore diameter in the range of 0.05 μιη to 2 μιτι and which may be present in agglomerates.
Verwendung von Elektrodenmaterialien nach einem der Ansprüche 10 bis 16 zur Herstellung von elektrochemischen Zellen. Use of electrode materials according to any one of claims 10 to 16 for the production of electrochemical cells.
Elektrochemische Zellen, enthaltend mindestens ein Elektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 10 bis 16. Electrochemical cells containing at least one electrode material according to one of Claims 10 to 16.
Verwendung von elektrochemischen Zellen nach Anspruch 18 in Geräten. Use of electrochemical cells according to claim 18 in devices.
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