EP4272272A1 - Method for producing a porous anode for a lithium-ion secondary battery, resulting anode, and battery comprising said anode - Google Patents

Method for producing a porous anode for a lithium-ion secondary battery, resulting anode, and battery comprising said anode

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EP4272272A1
EP4272272A1 EP21835415.7A EP21835415A EP4272272A1 EP 4272272 A1 EP4272272 A1 EP 4272272A1 EP 21835415 A EP21835415 A EP 21835415A EP 4272272 A1 EP4272272 A1 EP 4272272A1
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tii
anode
porous
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coating
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I Ten SA
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Abstract

A method for producing an anode having a porosity of between 25% and 50% by volume, comprising: (a) supplying a substrate and a colloidal suspension or paste consisting of monodispersed primary nanoparticles, in agglomerate or dispersed form, of at least one active anode material A selected from niobium oxides and mixed oxides of niobium and titanium, germanium, cerium, lanthanum, copper, or tungsten, having an average primary diameter D50 of between 2 nm and 100 nm; (b) depositing, on at least one face of the substrate, a layer from said colloidal suspension or paste supplied in step (a) using a method selected from the group made up of electrophoresis, a printing method, preferably inkjet printing or flexographic printing, and a coating method, preferably by means of knife coating, roller coating, curtain coating, dip coating, or slot-die coating; and (c) drying the layer obtained in step (b), and solidifying same, by pressing and/or heating, to obtain a porous layer.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UNE ANODE POREUSE POUR BATTERIE SECONDAIRE A IONS DE LITHIUM, ANODE AINSI OBTENUE, ET BATTERIE COMPRENANT CETTE ANODE METHOD FOR MANUFACTURING A POROUS ANODE FOR A SECONDARY LITHIUM ION BATTERY, ANODE THUS OBTAINED, AND BATTERY COMPRISING THIS ANODE
Domaine technique de l’invention Technical field of the invention
L’invention concerne le domaine de l’électrochimie, et plus particulièrement les systèmes électrochimiques. Elle concerne plus particulièrement les électrodes utilisables dans des batteries ayant une capacité supérieure à 1 mA h. L’invention porte sur un nouveau procédé de fabrication d’anodes poreuses utilisables dans les systèmes électrochimiques tels que des batteries à haute puissance (notamment des batteries à ions de lithium). Ce procédé met en œuvre des nanoparticules d’un matériau d’anode. The invention relates to the field of electrochemistry, and more particularly to electrochemical systems. It relates more particularly to electrodes which can be used in batteries having a capacity greater than 1 mA h. The invention relates to a new process for the manufacture of porous anodes which can be used in electrochemical systems such as high-power batteries (in particular lithium ion batteries). This process uses nanoparticles of an anode material.
L’invention porte également sur les anodes obtenues par ce procédé, qui sont mésoporeuses. L’invention concerne également les batteries comprenant une telle anode poreuse. A ce titre, l’invention porte également sur un procédé de préparation d’une batterie à ions de lithium formée à partir d’une telle anode mésoporeuse, qui est en contact avec un séparateur poreux, ce dernier étant également en contact avec une cathode poreuse. Ces ensembles électrode poreuse / séparateur peuvent être imprégnés d’un électrolyte liquide. The invention also relates to the anodes obtained by this process, which are mesoporous. The invention also relates to batteries comprising such a porous anode. As such, the invention also relates to a process for preparing a lithium ion battery formed from such a mesoporous anode, which is in contact with a porous separator, the latter also being in contact with a cathode porous. These porous electrode/separator assemblies can be impregnated with a liquid electrolyte.
De manière plus précise, l’invention porte sur des anodes combinant les caractéristiques suivantes : une forte capacité volumique (exprimée en mAh/cm3), un potentiel d’insertion suffisamment élevé pour permettre des recharges rapides sans induire de risques de « plating » de lithium, et l’absence de variations importantes de volume pendant les étapes de charges et décharge de la batterie, de sorte que ladite batterie puisse être mise en œuvre sous forme de structure rigide, monobloc entièrement solide et mésoporeuse. More specifically, the invention relates to anodes combining the following characteristics: a high volume capacity (expressed in mAh/cm 3 ), an insertion potential high enough to allow rapid recharging without inducing risks of "plating" of lithium, and the absence of significant variations in volume during the steps of charging and discharging the battery, so that said battery can be implemented in the form of a rigid structure, entirely solid and mesoporous one-piece.
Etat de la technique State of the art
Les batteries idéales pour l’alimentation des dispositifs électriques autonomes (tels que : téléphones et ordinateurs portables, outils portatifs, capteurs autonomes) ou bien pour la traction des véhicules électriques présenteraient une durée de vie élevée, seraient capables de stocker à la fois de grandes quantités d’énergie et de puissance, pourraient fonctionner dans une très large gamme de température et ne présenteraient pas de risques de surchauffe ni d’explosion. Actuellement ces dispositifs électriques sont alimentés essentiellement par des batteries à ions de lithium, qui présentent la meilleure densité d’énergie parmi les différentes technologies de stockage proposées. Il existe différentes architectures et compositions chimiques d’électrodes permettant de réaliser des batteries à ions de lithium. Les procédés de fabrication des batteries à ions de lithium sont présentés dans de nombreux articles et brevets, et les ouvrages « Advances in Lithium-Ion Batteries » (Ed. W. van Schalkwijk et B. Scrosati), paru en 2002 (Kluever Academie / Plenum Publishers), et « Lithium Batteries. Science and Technology » par C. Julien, A. Mauger, A. Vijh et K. Zaghib (Springer, Heidelberg 2016) en donnent un bon état des lieux. The ideal batteries for powering autonomous electrical devices (such as: telephones and portable computers, portable tools, autonomous sensors) or for the traction of electric vehicles would have a long lifespan, would be able to store both large quantities of energy and power, could operate in a very wide temperature range and would present no risk of overheating or explosion. Currently, these electrical devices are essentially powered by lithium ion batteries, which have the best energy density among the various storage technologies proposed. There are different architectures and chemical compositions of electrodes making it possible to produce lithium ion batteries. The manufacturing processes for lithium ion batteries are presented in numerous articles and patents, and the books “Advances in Lithium-Ion Batteries” (Ed. W. van Schalkwijk and B. Scrosati), published in 2002 (Kluever Academie / Plenum Publishers), and “Lithium Batteries. Science and Technology” by C. Julien, A. Mauger, A. Vijh and K. Zaghib (Springer, Heidelberg 2016) provide a good overview.
Les électrodes des batteries à ions de lithium peuvent être fabriquées à l’aide de techniques de revêtement connues (notamment par les techniques d’enduction, telles que l’enduction au rouleau (appelée « roll coating » en anglais), l’enduction au rideau (appelée « curtain coating » en anglais), l’enduction à travers une fente (appelée « slot die coating » en anglais), le raclage (appelé « doctor blade » en anglais), le coulage en bande (appelé « tape casting » en anglais)). The electrodes of lithium ion batteries can be manufactured using known coating techniques (in particular by coating techniques, such as roller coating (called "roll coating"), curtain (called "curtain coating" in English), coating through a slot (called "slot die coating" in English), scraping (called "doctor blade" in English), tape casting (called "tape casting " in English)).
Avec ces procédés, les matériaux actifs servant à réaliser les électrodes sont utiliséEs sous forme de suspensions de poudres dont la taille moyenne des particules se situe entre 5 pm et 15 pm de diamètre. Ces particules sont intégrées dans une encre qui est constituée de ces particules, de liants organiques, et une charge d’une poudre d’un matériau conducteur électronique (« conductive filler » en anglais), typiquement du noir de carbone. Cette encre est déposée à la surface d’un substrat métallique, puis séchée afin d’éliminer les solvants organiques qu’elle contient et ne laisser à la surface du feuillard métallique plus qu’un dépôt poreux constitué des particules de matériaux actifs liées mécaniquement entre-elles par des liants organiques et connectées électriquement par du noir de carbone. With these methods, the active materials used to make the electrodes are used in the form of suspensions of powders, the average particle size of which is between 5 μm and 15 μm in diameter. These particles are integrated into an ink which consists of these particles, organic binders, and a charge of a powder of an electronic conductive material (“conductive filler”), typically carbon black. This ink is deposited on the surface of a metal substrate, then dried in order to eliminate the organic solvents it contains and leave on the surface of the metal strip nothing more than a porous deposit consisting of particles of active materials mechanically bound between -they by organic binders and electrically connected by carbon black.
Ces techniques permettent de réaliser des couches d’une épaisseur comprise entre environ 20 pm et environ 400 pm. En fonction de l’épaisseur des couches, de leur porosité et de la taille des particules actives, la puissance et l’énergie de la batterie peuvent être modulées. These techniques make it possible to produce layers with a thickness of between about 20 μm and about 400 μm. Depending on the thickness of the layers, their porosity and the size of the active particles, the power and energy of the battery can be modulated.
Selon l’état de la technique, les encres (ou pâtes) déposées pour former les électrodes contiennent des particules de matériaux actifs, mais également des liants (organiques), de la poudre de carbone permettant d’assurer le contact électrique entre les particules, et des solvants qui sont évaporés lors de l’étape de séchage des électrodes. Pour améliorer la qualité du contact électrique entre les particules et pour compacter les couches déposées, une étape de calandrage est réalisée sur les électrodes. Après cette étape de compression, les particules actives des électrodes occupent environ 60-70 % du volume du dépôt, ce qui signifie qu’il reste généralement 30 à 40 % de porosités entre les particules. According to the state of the art, the inks (or pastes) deposited to form the electrodes contain particles of active materials, but also binders (organic), carbon powder making it possible to ensure electrical contact between the particles, and solvents which are evaporated during the electrode drying step. To improve the quality of the electrical contact between the particles and to compact the layers deposited, a calendering step is performed on the electrodes. After this compression step, the active particles of the electrodes occupy approximately 60-70% of the volume of the deposit, which means that there generally remain 30 to 40% of porosities between the particles.
Pour optimiser au mieux la densité d’énergie volumique des batteries à ions de lithium produites avec ces procédés de fabrication conventionnels, il peut être très utile de réduire la porosité des électrodes. Cette réduction de la porosité, autrement dit l’accroissement de quantité de matière active par unité de volume d’électrode, peut être réalisée de plusieurs manières. To best optimize the bulk energy density of lithium ion batteries produced with these conventional manufacturing processes, it can be very useful to reduce the porosity of the electrodes. This reduction in porosity, in other words the increase in the quantity of active material per unit volume of electrode, can be achieved in several ways.
A l’extrême, les films d’électrodes présentant les plus fortes densités d’énergie volumiques sont réalisés à l’aide de techniques de dépôt sous vide, par exemple en PVD. Ces films sont totalement denses, et ne présentent pas de porosités. En revanche, comme ces films entièrement solides ne contiennent pas d’électrolytes liquides pour faciliter le transport ionique ni de charge conducteur électronique pour faciliter le transport des charges électriques, leur épaisseur reste limitée à quelques microns afin d’éviter qu’ils ne deviennent trop résistifs. In the extreme, the electrode films with the highest volume energy densities are produced using vacuum deposition techniques, for example in PVD. These films are completely dense, and have no porosities. On the other hand, as these entirely solid films do not contain liquid electrolytes to facilitate ionic transport nor electronically conductive charge to facilitate the transport of electrical charges, their thickness remains limited to a few microns in order to prevent them from becoming too resistive.
Avec les techniques d’encrage classiques, il est également possible d’augmenter la densité volumique d’énergie en optimisant la distribution en taille des particules déposées. En effet, comme le montre par exemple l’article de J. Ma et L.C. Lim « Effect of particle size distribution on sintering of agglomerate-free submicron alumina powder compacts » paru en 2002 dans la revue J. European Ceramic Society 22 (2002), pp. 2197-2208, en optimisant la distribution en taille des particules, il est possible d’atteindre une densité d’environ 70%. Une électrode ayant 30% de porosité, contenant des charges conductrices et imprégnée d’un électrolyte conducteur des ions lithium aura une densité d’énergie volumique supérieure d’environ 35% que la même électrode à 50% de porosité constituée de particules monodisperses en taille. With conventional inking techniques, it is also possible to increase the energy volume density by optimizing the size distribution of the deposited particles. Indeed, as shown for example in the article by J. Ma and L.C. Lim “Effect of particle size distribution on sintering of agglomerate-free submicron alumina powder compacts” published in 2002 in the journal J. European Ceramic Society 22 (2002) , p. 2197-2208, by optimizing the particle size distribution, it is possible to reach a density of around 70%. An electrode with 30% porosity, containing conductive fillers and impregnated with a conductive electrolyte of lithium ions will have a volume energy density approximately 35% higher than the same electrode with 50% porosity made up of particles monodispersed in size .
Par ailleurs, du fait de l’imprégnation par des phases à très forte conductivité ionique et l’ajout de conducteurs électroniques, l’épaisseur de ces électrodes peut être très largement augmentée en comparaison de ce qu’il est possible de faire avec les techniques de dépôt sous vide. Ces accroissements en épaisseur contribuent également à l’augmentation de la densité d’énergie des cellules batteries. Furthermore, due to the impregnation by phases with very high ionic conductivity and the addition of electronic conductors, the thickness of these electrodes can be greatly increased in comparison with what is possible with the techniques of vacuum deposition. These increases in thickness also contribute to the increase in the energy density of the battery cells.
Bien que permettant d’accroitre la densité d’énergie des électrodes, cette distribution en taille des particules de matériau actif n’est pas sans poser de problèmes. Des particules de tailles différentes dans une électrode, auront des capacités différentes et sous l’effet de courants de charge et/ou de décharge identiques seront localement plus ou moins chargées et/ou déchargées en fonction de leur taille. Lorsque la batterie ne sera plus sollicitée en courant, les états de charge locaux entre particules seront à nouveau équilibrés, mais pendant ces phases transitoires, les déséquilibres locaux peuvent conduire à avoir localement des particules sollicitées en dehors de leurs plages de tension stables. Ces déséquilibres d’états de charge locaux seront d’autant plus prononcés que les densités de courant seront importantes. Ces déséquilibres induisent par conséquent des pertes de performance en cyclage, des risques de sécurité et une limitation de la puissance de la cellule batterie. Although making it possible to increase the energy density of the electrodes, this distribution in size of the particles of active material is not without posing problems. particles of different sizes in an electrode, will have different capacities and under the effect of identical charging and/or discharging currents will be locally more or less charged and/or discharged according to their size. When the battery will no longer be under current demand, the local states of charge between particles will again be balanced, but during these transient phases, local imbalances can lead to locally stressed particles outside their stable voltage ranges. These local charge state imbalances will be all the more pronounced as the current densities are high. These imbalances consequently induce losses of performance in cycling, safety risks and a limitation of the power of the battery cell.
Ces effets de la distribution en tailles des particules de matériaux actifs sur les relations courant/tension des électrodes ont été étudiés et simulés par S. T. Taleghani et al. dans la publication “A study on the effect of porosity and particles size distribution on Li-ion battery performance’’, paru dans la revue J. Electrochemical Society, 164 (11) 2017, p. E3179-E3189. These effects of the particle size distribution of active materials on the current/voltage relationships of the electrodes have been studied and simulated by S. T. Taleghani et al. in the publication “A study on the effect of porosity and particles size distribution on Li-ion battery performance”, published in the journal J. Electrochemical Society, 164 (11) 2017, p. E3179-E3189.
Avec les techniques d’encrage des électrodes de l’art antérieur, les particules de matériau actif ont une taille généralement comprise entre 5 pm et 15 pm. Le contact entre deux particules voisines est essentiellement ponctuel, les particules étant liées entre-elles par un liant organique qui est dans la plupart du temps du PVDF. With the electrode inking techniques of the prior art, the particles of active material have a size generally comprised between 5 μm and 15 μm. The contact between two neighboring particles is essentially point-like, the particles being bonded together by an organic binder which is usually PVDF.
Les électrolytes liquides utilisés pour l’imprégnation des électrodes sont constitués de solvants aprotiques dans lesquels des sels de lithium ont été dissous. Ces électrolytes organiques sont très inflammables et peuvent donner lieu à une combustion violente des cellules batteries, surtout lorsque les matériaux actifs de cathodes sont sollicités dans des plages de tensions situées en dehors de leur plage de tension de stabilité, ou lorsque des points chauds apparaissent localement dans la cellule. The liquid electrolytes used for the impregnation of the electrodes consist of aprotic solvents in which lithium salts have been dissolved. These organic electrolytes are highly flammable and can lead to violent combustion of battery cells, especially when the active cathode materials are stressed in voltage ranges outside their stability voltage range, or when hot spots appear locally. in the cell.
Pour résoudre ces problèmes de sécurité inhérents à la structure des cellules de batteries à ions de lithium conventionnelles, il convient de : o Remplacer les électrolytes à base de solvants organiques par des liquides ioniques extrêmement stables en température. Cependant, les liquides ioniques ne mouillent pas sur les surfaces de matériaux organiques et la présence de PVDF et autres liants organiques dans les électrodes de batteries conventionnelles empêche le mouillage des électrodes par ce type d’électrolyte et la performance des électrodes s’en trouve affectée. Des séparateurs céramiques ont été développés pour résoudre ce problème au niveau de la jonction électrolytique entre électrodes, mais, il n’en demeure pas moins que la présence de liants organiques dans les électrodes continue de poser des problèmes pour l’utilisation des électrolytes à base de liquides ioniques. o Homogénéiser les tailles de particules, afin d’éviter des déséquilibres locaux d’états de charge qui peuvent conduire lors de décharges intensives à solliciter localement des matériaux actifs en dehors de leurs plages de tension de fonctionnement conventionnelles. Cette optimisation se ferait alors au détriment de la densité d’énergie de la cellule. o Homogénéiser la distribution et répartition en charges conductrices (noir de carbone) dans l’électrode, afin d’éviter d’avoir localement des zones plus résistives électriquement qui pourraient conduire à la formation d’un point chaud pendant le fonctionnement en puissance de la batterie. To solve these safety problems inherent in the structure of conventional lithium ion battery cells, it is necessary to: o Replace organic solvent-based electrolytes with ionic liquids that are extremely stable in temperature. However, ionic liquids do not wet on the surfaces of organic materials and the presence of PVDF and other organic binders in the electrodes of conventional batteries prevents the wetting of the electrodes by this type of electrolyte and the performance of the electrodes is thereby affected. . Ceramic separators have been developed to solve this problem at the level of the electrolytic junction between electrodes, but the fact remains that the presence of organic binders in the electrodes continues to pose problems for the use of electrolytes based on ionic liquids. o Homogenize the particle sizes, in order to avoid local imbalances of states of charge which can lead during intensive discharges to locally soliciting active materials outside their conventional operating voltage ranges. This optimization would then be to the detriment of the energy density of the cell. o Homogenize the distribution and distribution of conductive charges (carbon black) in the electrode, in order to avoid locally having more electrically resistive zones which could lead to the formation of a hot spot during the power operation of the battery.
S’agissant plus particulièrement des procédés de fabrication des électrodes de batteries suivant l’état de la technique, leur coût de fabrication dépend en partie de la nature des solvants utilisés. Outre le coût intrinsèque des matériaux actifs, le coût de fabrication des électrodes provient essentiellement de la complexité des encres mises en œuvre (liants, solvants, noir de carbone...). As regards more particularly the manufacturing processes for battery electrodes according to the state of the art, their manufacturing cost depends in part on the nature of the solvents used. In addition to the intrinsic cost of the active materials, the manufacturing cost of the electrodes comes mainly from the complexity of the inks used (binders, solvents, carbon black, etc.).
Le principal solvant utilisé pour la réalisation des électrodes de batteries à ions de lithium est le NMP. Le NMP est un excellent solvant pour dissoudre le PVDF qui agit comme liant dans la formulation des encres. Le séchage du NMP contenu dans les électrodes revêt un réel enjeu économique. La température d’ébullition élevée du NMP couplée à une très faible tension de vapeur rend son séchage difficile à réaliser. Les vapeurs de solvants doivent être collectées et retraitées. Par ailleurs, pour garantir une meilleure adhérence des électrodes sur les substrats la température de séchage du NMP ne doit pas être trop élevée, ce qui tend à accroitre une nouvelle fois le temps de séchage et son coût ; cela est décrit dans la publication “Technical and economic analysis of solvent-based lithium- ion electrode drying with water and NMP" par D.L. Wood & al., parue dans la revue Drying Technology, vol. 36, n°2 (2018). The main solvent used for the production of lithium ion battery electrodes is NMP. NMP is an excellent solvent for dissolving PVDF which acts as a binder in the formulation of inks. The drying of the NMP contained in the electrodes is a real economic issue. The high boiling temperature of NMP coupled with a very low vapor pressure makes its drying difficult to achieve. Solvent vapors must be collected and reprocessed. Furthermore, to guarantee better adhesion of the electrodes to the substrates, the drying temperature of the NMP must not be too high, which again tends to increase the drying time and its cost; this is described in the publication “Technical and economic analysis of solvent-based lithium-ion electrode drying with water and NMP" by D.L. Wood & al., published in the journal Drying Technology, vol. 36, n°2 (2018).
D’autres solvants moins coûteux peuvent être utilisés pour réaliser des encres, notamment l’eau et l’éthanol. Cependant leur tension de surface est plus grande que celle du NMP, et ils mouillent donc moins bien la surface des collecteurs de courant métalliques. De plus, les particules ont tendance à s’agglomérer dans l’eau, surtout les nanoparticules de noir de carbone. Ces agglomérations conduisent à une distribution hétérogène des composants entrant dans la composition de l’électrode (liants, noir de carbone ...). De plus, que ce soit avec l’eau ou l’éthanol, des traces d’eau peuvent rester adsorbées à la surface des particules de matériaux actifs, même après séchage. Other less expensive solvents can be used to make inks, including water and ethanol. However, their surface tension is greater than that of NMP, and they therefore wet the surface of the metallic current collectors less well. In addition, particles tend to agglomerate in water, especially carbon black nanoparticles. These agglomerations lead to a heterogeneous distribution of the components entering into the composition of the electrode (binders, carbon ...). Moreover, whether with water or ethanol, traces of water can remain adsorbed on the surface of the particles of active materials, even after drying.
Enfin, outre les problématiques de difficulté de formulation des encres pour avoir une électrode performante, à bas cout de fabrication, il est également important d’avoir à l’esprit qu’en fonction des tailles de particules de matériaux actifs, et indirectement de la porosité des dépôts d’électrodes et de leurs épaisseurs, le rapport entre la densité d’énergie et la densité de puissance des électrodes peut être ajusté. L’article de J. Newman « Optimization of Porosity and Thickness of a Battery Electrode by Means of a Reaction-zone Model”, paru dans la revue J. Electrochem. Soc., Vol. 142, n°1 (1995), démontre les effets respectifs des épaisseurs des électrodes et de leur porosité sur leur régime de décharge (puissance) et densité d’énergie. Finally, in addition to the problems of difficulty in formulating inks in order to have a high-performance electrode at low manufacturing cost, it is also important to bear in mind that, depending on the particle sizes of active materials, and indirectly on the porosity of the electrode deposits and their thicknesses, the ratio between the energy density and the power density of the electrodes can be adjusted. The article by J. Newman “Optimization of Porosity and Thickness of a Battery Electrode by Means of a Reaction-zone Model”, published in the journal J. Electrochem. Soc., Vol. 142, n°1 (1995), demonstrates the respective effects of the thickness of the electrodes and their porosity on their discharge rate (power) and energy density.
Outre l’architecture et les procédés de fabrication des cellules batteries, le choix des matériaux d’électrode est également fondamental. L’énergie stockée dans les batteries est le produit de la capacité des électrodes en Ah ou en mAh multiplié par la tension de fonctionnement de la cellule. Cette tension de fonctionnement est la différence entre les potentiels d’insertion du lithium dans les anodes et les cathodes. In addition to the architecture and manufacturing processes of battery cells, the choice of electrode materials is also fundamental. The energy stored in the batteries is the product of the capacity of the electrodes in Ah or in mAh multiplied by the operating voltage of the cell. This operating voltage is the difference between the lithium insertion potentials in the anodes and the cathodes.
Plus cette insertion du lithium s’effectue à bas potentiel pour les anodes, plus à isocapacité, l’énergie de la batterie sera importante. Cependant, les anodes à bas potentiel d’insertion comme le graphite, induisent des risques de « plating » de lithium à fort courant de recharge. En effet, pour effectuer une recharge rapide de la batterie, il convient d’insérer rapidement une grande quantité de lithium dans les anodes. Une forte concentration en lithium à la surface de l’anode, associée à un potentiel très bas favorise la précipitation de dendrites de lithium métalliques, qui induiront des courts-circuits dans la cellule. The more this insertion of lithium is carried out at low potential for the anodes, the more at isocapacitance, the energy of the battery will be important. However, anodes with low insertion potential, such as graphite, induce risks of lithium plating at high recharge current. Indeed, to carry out a rapid recharge of the battery, it is necessary to quickly insert a large quantity of lithium into the anodes. A high concentration of lithium at the surface of the anode, associated with a very low potential favors the precipitation of metallic lithium dendrites, which will induce short circuits in the cell.
Aussi, dès lors que l’on cherche à obtenir des batteries avec une capacité de recharge très rapide, ne présentant pas de risques de sécurité dû au plating de lithium, et pour lesquelles la densité d’énergie de la cellule resterait élevée, il faudrait, en même temps : Also, when seeking to obtain batteries with a very rapid recharging capacity, presenting no safety risks due to lithium plating, and for which the energy density of the cell would remain high, it would be necessary , at the same time :
Utiliser des anodes insérant le lithium à une tension relativement élevée (supérieure à 0,5V/Li) pour éviter la formation de dendrites de lithium pendant les phases de recharges rapides. Ces anodes doivent également présenter de très fortes capacités massiques afin de compenser les pertes d’énergie par réduction de la tension de fonctionnement par un accroissement de leur capacité. Disposer d’électrodes avec une très grande surface spécifique, et des tailles de particules (épaisseurs des zones d’insertion) les plus homogènes possibles pour éviter les déséquilibres dynamiques. Use anodes inserting lithium at a relatively high voltage (greater than 0.5V/Li) to avoid the formation of lithium dendrites during the fast charging phases. These anodes must also have very high mass capacities in order to compensate for energy losses by reducing the operating voltage by increasing their capacity. Have electrodes with a very large specific surface, and particle sizes (thickness of the insertion zones) as homogeneous as possible to avoid dynamic imbalances.
Avoir des électrodes dotées d’excellentes conductions ioniques et électroniques.Have electrodes with excellent ionic and electronic conduction.
Avoir des électrolytes très bon conducteurs ioniques avec des nombres de transport élevés et donnant de faibles résistances de polarisation. Have very good ion conducting electrolytes with high transport numbers and giving low polarization resistances.
La présente invention vise à proposer une batterie à ions de lithium qui présente au moins certaines de ces caractéristiques techniques, et qui présente de préférence de l’ensemble de ces caractéristiques. Selon l’invention, ce problème est résolu par un choix judicieux du matériau de l’anode et de sa structure, et par un procédé de fabrication qui permet d’obtenir une anode d’une telle structure. The present invention aims to provide a lithium ion battery which has at least some of these technical characteristics, and which preferably has all of these characteristics. According to the invention, this problem is solved by a judicious choice of the material of the anode and its structure, and by a manufacturing process which makes it possible to obtain an anode of such a structure.
Objets de l'invention Objects of the invention
Selon l’invention le problème est résolu par un procédé de fabrication d’une anode poreuse pour une batterie conçue pour avoir une capacité supérieure à 1 mA h comportant une anode, un séparateur et une cathode, ladite anode présentant une porosité comprise entre 25 et 50% en volume, et de préférence environ 35% en volume, et des pores de diamètre moyen inférieur à 50 nm, selon un procédé particulier qui forme le premier objet de l’invention. L’anode selon l’invention est avantageusement utilisée dans des batteries conçues pour avoir une capacité supérieure à 1 mA h. According to the invention, the problem is solved by a process for manufacturing a porous anode for a battery designed to have a capacity greater than 1 mA h comprising an anode, a separator and a cathode, said anode having a porosity of between 25 and 50% by volume, and preferably approximately 35% by volume, and pores with an average diameter of less than 50 nm, according to a particular process which forms the first object of the invention. The anode according to the invention is advantageously used in batteries designed to have a capacity greater than 1 mA h.
Le procédé de fabrication de l’anode poreuse pour batterie selon l’invention comprend les étapes suivantes : The process for manufacturing the porous battery anode according to the invention comprises the following steps:
(a) on approvisionne un substrat et une suspension colloïdale ou une pâte composée de nanoparticules primaires monodisperses, sous forme d’agglomérats ou dispersées, d’au moins un matériau actif d’anode A, de diamètre primaire moyen D50 compris entre 2 nm et 100 nm, et de préférence entre 2 nm et 60 nm, étant entendu que ladite suspension colloïdale ou ladite pâte comprend également un constituant liquide, étant entendu que ledit matériau actif d’anode A est sélectionné parmi les oxydes de niobium et les oxydes mixtes de niobium avec le titane, le germanium, le cérium, le lanthane, le cuivre, ou le tungstène, et de préférence dans les groupes formés par : o Nb20s-s , NbisWieOgs-s , NbieWsOss-s avec 0 S x < 1 et 0 s 5 < 2 o TiNb2C>7-8, Tii.xM1xNb2.yM2yO7-S , LiwTii.xM1xNb2-yM2yO7-s dans lesquels M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn, M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, et dans lequel 0 < w < 5 et 0 < x < 1 et 0 < y < 2 et 0 < 5 < 0,3 ; o Tii.xM1xNb2-yM2yO7-zM3 z , LiwTii.xM1xNb2-yM2yO7-zM3 z dans lesquels (a) a substrate and a colloidal suspension or a paste composed of monodisperse primary nanoparticles, in the form of agglomerates or dispersed, of at least one anode active material A, with an average primary diameter D50 of between 2 nm and 100 nm, and preferably between 2 nm and 60 nm, it being understood that said colloidal suspension or said paste also comprises a liquid constituent, it being understood that said active anode material A is selected from niobium oxides and mixed oxides of niobium with titanium, germanium, cerium, lanthanum, copper, or tungsten, and preferably in the groups formed by: o Nb20s-s , NbisWieOgs-s , NbieWsOss-s with 0 S x < 1 and 0 s 5 < 2 o TiNb2C>7-8, Tii.xM 1 xNb 2 .yM 2 yO7- S , Li w Tii. x M 1 xNb2-yM 2 yO7-s wherein M 1 and M 2 are each at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr , Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn, M 1 and M 2 possibly being identical to or different from each other, and in which 0 < w < 5 and 0 < x < 1 and 0 < y < 2 and 0 < 5 <0.3; o Tii. x M 1 xNb2-yM 2 yO7-zM 3 z , Li w Tii. x M 1 xNb2-yM 2 yO7-zM 3 z in which
■ M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn, ■ M 1 and M 2 are each at least one element chosen from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn,
■ M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, ■ M 1 and M 2 can be identical or different from each other,
■ M3 est au moins un halogène, ■ M 3 is at least one halogen,
■ et dans lesquels 0<w<5et0<x<1 et 0 < y < 2 et z < 0,3 ; o TiNb2C>7-zM3 z , LiwTiNb2C>7-zM3 z dans lesquels M3 est au moins un halogène, de préférence choisi parmi F, Cl, Br, I ou un mélange de ceux-ci, et0<w<5et0< z <0,3 ; o Tii-xGexNb2-yM1yO7-zM2 z , LiwTii-xGexNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii-xLaxNb2-yM1yO7-zM2 z, LiwTii. xLaxNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii-xCuxNb2-yM1yO7-zM2 z, LiwTii-xCuxNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii- xCexNb2-yM1yO7-zM2 z, LiwTii-xCexNb2-yM1yO7-zM2 zdans lesquels ■ and in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and z<0.3; o TiNb2C>7-zM 3 z , Li w TiNb2C>7-zM 3 z in which M 3 is at least one halogen, preferably chosen from F, Cl, Br, I or a mixture thereof, and0<w <5 and 0< z <0.3; o Tii-xGe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii-xGe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii-xLa x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii. xLa x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii-xCu x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii-xCu x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii- xCe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii-xCe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z in which
■ M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn, ■ M 1 and M 2 are each at least one element chosen from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn,
■ M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, ■ M 1 and M 2 can be identical or different from each other,
■ et dans lesquels 0<w<5et0<x<1 et 0 < y < 2 et z < 0,3 ; o Tii-xGexNb2-yM1yO7-z, LiwTii.xGexNb2-yM1yO7-z , Tii.xCexNb2-yM1yO7-z, LiwTii.xCexNb2- yM1 yO7-z dans lesquels ■ and in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and z<0.3; o Tii- x Ge x Nb2-yM 1 yO7-z, Li w Tii. x Ge x Nb2-yM 1 yO7-z , Tii. x Ce x Nb2-yM 1 yO7-z, Li w Tii. x Ce x Nb2- yM 1 y O7-z in which
■ M1 est au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn, ■ M 1 is at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn,
■ et dans lesquels 0<w<5et0<x< 1 et0<y<2etz< 1, de préférence dans lesquels 0<w<5et0<x< 1 et0<y<2etz<0.3 ; ■ and in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2andz<1, preferably in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2andz<0.3;
(b) on dépose sur au moins une face dudit substrat une couche à partir de ladite suspension colloïdale ou pâte approvisionnée à l’étape (a), par un procédé sélectionné dans le groupe formé par : l’électrophorèse, l’extrusion, un procédé d’impression et de préférence l’impression par jet d’encre ou l’impression flexographique, un procédé d’enduction et de préférence à la racle, au rouleau, au rideau, par trempage, ou à travers une filière en forme de fente ; (b) depositing on at least one face of said substrate a layer from said colloidal suspension or paste provided in step (a), by a method selected from the group formed by: electrophoresis, extrusion, a printing process and preferably ink jet printing or flexographic printing, a coating process and preferably squeegee, roller, curtain, dipping, or through a die slot ;
(c) on sèche ladite couche obtenue à l’étape (b) et on la consolide, par pressage et/ou chauffage, pour obtenir une couche poreuse. Avantageusement, ledit matériau actif d’anode A peut aussi être sélectionné parmi les oxydes de niobium et les oxydes mixtes de niobium avec le titane, le germanium, le cérium, le lanthane, le cuivre, ou le tungstène, et de préférence dans les groupes formés par : o Nb20s-s , NbisWieOgs-s , NbieWsOss-s avec 0 Sx< 1 et 0 < 5 s 2 o TiNb2C>7-8 avec 0 < 5 < 0,3, Tii.xM1xNb2-yM2yO7-s , LiwTii.xM1xNb2-yM2yO7-s dans lesquels M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn, M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, et dans lequel 0<w<5et0<x<1 et 0 < y < 2 et 0 < 5 < 0,3 ; o Tii-xM1xNb2-yM2 yO7-zM3 z , LiwTii-xM1xNb2-yM2 yO7-zM3 z dans lesquels (c) said layer obtained in step (b) is dried and consolidated, by pressing and/or heating, to obtain a porous layer. Advantageously, said anode active material A can also be selected from niobium oxides and mixed oxides of niobium with titanium, germanium, cerium, lanthanum, copper, or tungsten, and preferably from the groups formed by: o Nb20s-s , NbisWieOgs-s , NbieWsOss-s with 0 Sx<1 and 0 <5 s 2 o TiNb2C>7-8 with 0 <5 <0.3, Tii. x M 1 xNb2-yM 2 yO7-s , Li w Tii. x M 1 xNb2-yM 2 yO7-s wherein M 1 and M 2 are each at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr , Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn, M 1 and M 2 may be the same or different from each other , and wherein 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and 0<5<0.3; o Tii-xM 1 xNb2-yM 2 y O7-zM 3 z , Li w Tii-xM 1 xNb2-yM 2 y O7-zM 3 z in which
■ M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn, ■ M 1 and M 2 are each at least one element chosen from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn,
■ M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, ■ M 1 and M 2 can be identical or different from each other,
■ M3 est au moins un halogène, ■ M 3 is at least one halogen,
■ et dans lesquels 0<w<5et0<x<1 et 0 < y < 2 et z < 0,3 ; o TiNb2C>7-zM3z , LiwTiNb2C>7-zM3z dans lesquels M3 est au moins un halogène, de préférence choisi parmi F, Cl, Br, I ou un mélange de ceux-ci, et0<w<5et0< z <0,3 ; o Tii.xGexNb2-yM1yO7-zM2z , LiwTii.xGexNb2-yM1yO7-zM2z , Tii.xLaxNb2-yM1yO7-zM2z, LiwTii. xLaxNb2-yM1yO7-zM2z , Tii.xCuxNb2-yM1yO7-zM2z, LiwTii.xCuxNb2-yM1yO7-zM2z , Tii- xCexNb2-yM1yO7-zM2z, LiwTii.xCexNb2-yM1yO7-zM2zdans lesquels ■ and in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and z<0.3; o TiNb2C>7-zM 3 z , Li w TiNb2C>7-zM 3 z in which M 3 is at least one halogen, preferably chosen from F, Cl, Br, I or a mixture thereof, and0<w <5 and 0< z <0.3; o Tii.xGe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii.xGe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii.xLa x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z, Li w Tii. xLa x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii.xCu x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z, Li w Tii.xCu x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii- xCe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z, Li w Tii.xCe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 zin which
■ M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn, ■ M 1 and M 2 are each at least one element chosen from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn,
■ M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, ■ M 1 and M 2 can be identical or different from each other,
■ et dans lesquels 0<w<5et0<x< 1 et 0 < y < 2 et z < 0,3 ; o Tii-xGexNb2-yM1yO7-z, LiwTii.xGexNb2-yM1yO7-z , Tii.xCexNb2-yM1yO7-z, LiwTii.xCexNb2- yM1 yO7-z dans lesquels ■ and in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and z<0.3; o Tii- x Ge x Nb2-yM 1 yO7-z, Li w Tii. x Ge x Nb2-yM 1 yO7-z , Tii. x Ce x Nb2-yM 1 yO7-z, Li w Tii. x Ce x Nb2- yM 1 y O7-z in which
■ M1 est au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn, ■ M 1 is at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn,
■ et dans lesquels 0<w<5et0<x< 1 et0<y<2etz< 1, de préférence dans lesquels 0<w<5et0<x< 1 et0<y<2etz< 0.3. De manière optionnelle, lors de l’étape (c) on chauffe ladite couche à une température suffisante pour enlever les résidus organiques par évaporation et/ou pyrolyse (étape appelée déliantage). ■ and in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2andz<1, preferably in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2andz<0.3. Optionally, during step (c) said layer is heated to a temperature sufficient to remove the organic residues by evaporation and/or pyrolysis (step called debinding).
D’une manière plus générale, les traitements de l’étape (c) sont effectués en plusieurs étapes, ou encore lors d’une rampe de température continue. Ce traitement débute par le séchage, suivi optionnellement d’un déliantage si le dépôt contient des matières organiques (ce déliantage est un traitement thermique sous air pour pyrolyser ou calciner les matières organiques), et enfin un traitement de consolidation qui peut être seulement un traitement thermique et/ou un traitement thermomécanique. More generally, the treatments of step (c) are carried out in several steps, or even during a continuous temperature ramp. This treatment begins with drying, optionally followed by debinding if the deposit contains organic matter (this debinding is a heat treatment in air to pyrolyze or calcine the organic matter), and finally a consolidation treatment which may only be a treatment thermal and/or thermomechanical treatment.
Les matériaux actifs d’anode A représentés par des formules indiquant la présence possible de lithium, à savoir UwTii.xM1xNb2-yM2yO7, LiwTii.xM1xNb2-yM2yO7-zM3 z , LiwTii. xGexNb2-yM1yO7-zM2 z , LiwTii.xGexNb2-yM1yO7-z , LiwTii.xLaxNb2-yM1yO7-zM2 z , LiwTii.xCuxNb2- yM1 yO7-zM2 z , LiwTii.xCexNb2-yM1yO7-zM2 z et LiwTii.xCexNb2-yM1yO7-z , sont approvisionnés et déposés avec w = 0 (i.e. sans contenir du lithium) : ces matériaux ont la capacité intercaler du lithium lors du la première charge de la batterie dont l’anode fait partie. The anode active materials A represented by formulas indicating the possible presence of lithium, namely U w Tii. x M 1 xNb2-yM 2 yO7, Li w Tii. x M 1 xNb2-yM 2 yO7-zM 3 z , Li w Tii. x Ge x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii.xGe x Nb2-yM 1 yO7-z , Li w Tii.xLa x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii. x Cu x Nb2- y M 1 y O7-zM 2 z , Li w Tii.xCe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z and Li w Tii.xCe x Nb2-yM 1 yO7-z , are supplied and deposited with w = 0 (ie without containing lithium): these materials have the ability to insert lithium during the first charge of the battery of which the anode is part.
A l’étape (b) le dépôt peut se faire sur les deux faces du substrat. In step (b) the deposition can be done on both sides of the substrate.
Dans un premier mode de réalisation, ledit substrat peut être un substrat capable d’agir comme collecteur de courant électrique. L’épaisseur de la couche après l’étape (c) est avantageusement comprise entre environ 1 pm et environ 300 pm, ou entre 1 pm et 150 pm. In a first embodiment, said substrate may be a substrate capable of acting as an electric current collector. The thickness of the layer after step (c) is advantageously between about 1 μm and about 300 μm, or between 1 μm and 150 μm.
Dans un deuxième mode de réalisation, ledit substrat est un substrat intermédiaire, temporaire, tel qu’un film de polymère. Dans ce deuxième mode de réalisation on peut séparer la couche de son substrat après séchage, de préférence avant de la chauffer, mais au plus tard à la fin de l’étape (c). L’épaisseur de la couche après l’étape (c) est avantageusement comprise entre environ 5 pm et environ 300 pm. In a second embodiment, said substrate is an intermediate, temporary substrate, such as a polymer film. In this second embodiment, the layer can be separated from its substrate after drying, preferably before heating it, but at the latest at the end of step (c). The thickness of the layer after step (c) is advantageously between about 5 μm and about 300 μm.
Dans les deux modes de réalisation, lorsque les couches sont épaisses et résistives il est avantageux d’ajouter l’étape (d) selon laquelle : In both embodiments, when the layers are thick and resistive, it is advantageous to add step (d) according to which:
(d) on dépose, i.e. on forme, sur et à l’intérieur des pores de ladite couche poreuse, un revêtement d’un matériau conducteur électronique, ledit matériau conducteur électronique étant de préférence le carbone ou un matériau oxyde conducteur électronique. L’étape (d) peut être réalisée par ALD. (d) depositing, ie forming, on and inside the pores of said porous layer, a coating of an electronically conductive material, said electronically conductive material preferably being carbon or an electronically conductive oxide material. Step (d) can be performed by ALD.
L’étape (d) peut comprendre les étapes successives suivantes, où on dépose lors d’une étape (d1), sur et à l’intérieur des pores de ladite couche poreuse, une couche d’un précurseur d’un matériau conducteur électronique, et lors d’une étape (d2), on réalise la transformation du précurseur d’un matériau conducteur électronique, déposée lors de l’étape (d1) sur ladite couche poreuse, en matériau conducteur électronique, de manière à ce que ladite couche poreuse présente sur et à l’intérieur des pores, une couche dudit matériau conducteur électronique. Step (d) may comprise the following successive steps, where during a step (d1), on and inside the pores of said porous layer, a layer of a precursor of an electronically conductive material is deposited , and during a step (d2), the precursor of an electronically conductive material, deposited during step (d1) on said porous layer, is transformed into an electronically conductive material, so that said layer present on and inside the pores, a layer of said electronically conductive material.
Le matériau conducteur électronique peut être du carbone. Dans ce cas, l’étape (d1) est avantageusement effectuée par immersion de la couche poreuse dans une phase liquide comportant un composé riche en carbone, tel qu’un glucide, et ladite transformation en matériau conducteur électronique effectuée lors de l’étape (d2) est, dans ce cas, une pyrolyse, de préférence réalisée sous atmosphère inerte, plus préférentiellement sous azote. The electronic conductive material may be carbon. In this case, step (d1) is advantageously carried out by immersing the porous layer in a liquid phase comprising a carbon-rich compound, such as a carbohydrate, and said transformation into an electronically conductive material carried out during step ( d2) is, in this case, a pyrolysis, preferably carried out under an inert atmosphere, more preferably under nitrogen.
L’étape (d1) est avantageusement effectuée par immersion de la couche poreuse dans une phase liquide comportant un précurseur dudit matériau conducteur électronique, et, dans ce cas, ladite transformation du précurseur d’un matériau conducteur électronique en matériau conducteur électronique, lors de l’étape (d2), est un traitement thermique tel qu’une calcination, de préférence réalisé sous air ou sous atmosphère oxydante. Step (d1) is advantageously carried out by immersing the porous layer in a liquid phase comprising a precursor of said electronically conductive material, and, in this case, said transformation of the precursor from an electronically conductive material into an electronically conductive material, during step (d2) is a heat treatment such as calcination, preferably carried out in air or in an oxidizing atmosphere.
Avantageusement, ledit précurseur du matériau conducteur électronique est choisi parmi des sels organiques contenant un ou plusieurs éléments métalliques capable, après traitement thermique tel qu’une calcination, de préférence réalisé sous air ou sous atmosphère oxydante, de former un oxyde conducteur électronique. Ces éléments métalliques, de préférence, ces cations métalliques, peuvent avantageusement être choisis parmi l’étain, le zinc, l’indium, le gallium, ou un mélange de deux ou trois ou quatre de ces éléments. Les sels organiques sont de préférence choisis parmi un alcoolate d’au moins un élément métallique capable, après traitement thermique tel qu’une calcination, de préférence réalisé sous air ou sous atmosphère oxydante, de former un oxyde conducteur électronique, un oxalate d’au moins un élément métallique capable, après calcination sous air, de former un oxyde conducteur électronique et un acétate d’au moins un élément métallique capable, après traitement thermique tel qu’une calcination, de préférence réalisé sous air ou sous atmosphère oxydante, de former un oxyde conducteur électronique. Advantageously, said precursor of the electronically conductive material is chosen from organic salts containing one or more metallic elements capable, after heat treatment such as calcination, preferably carried out in air or under an oxidizing atmosphere, of forming an electronically conductive oxide. These metallic elements, preferably these metallic cations, can advantageously be chosen from tin, zinc, indium, gallium, or a mixture of two or three or four of these elements. The organic salts are preferably chosen from an alkoxide of at least one metallic element capable, after heat treatment such as calcination, preferably carried out in air or under an oxidizing atmosphere, of forming an electronic conductive oxide, an oxalate of au at least one metallic element capable, after calcination in air, of forming an electronically conductive oxide and an acetate of at least one metallic element capable, after heat treatment such as calcination, preferably carried out in air or in an oxidizing atmosphere, of forming an electronic conductive oxide.
Avantageusement, ledit matériau conducteur électronique peut-être un matériau oxyde conducteur électronique, de préférence choisi parmi : l’oxyde d’étain (SnC>2), l’oxyde de zinc (ZnO), l’oxyde d’indium (ln2O3), l’oxyde de gallium (Ga2O3), un mélange de deux de ces oxydes tel que l’oxyde d’indium-étain correspondant à un mélange d’oxyde d’indium (ln2O3) et d’oxyde d’étain (SnC>2), un mélange de trois de ces oxydes ou un mélange de quatre de ces oxydes, les oxydes dopés à base d’oxyde de zinc, le dopage étant de préférence au gallium (Ga) et/ou à l’aluminium (Al) et/ou au bore (B) et/ou au béryllium (Be), et/ou au chrome (Cr) et/ou au cérium (Ce) et/ou au titane (Ti) et/ou à l’indium (In) et/ou au cobalt (Co) et/ou au nickel (Ni) et/ou au cuivre (Cu) et/ou au manganèse (Mn) et/ou au germanium (Ge), les oxydes dopés à base d’oxyde d’indium, le dopage étant de préférence à l’étain (Sn), et/ou au gallium (Ga) et/ou au chrome (Cr) et/ou au cérium (Ce) et/ou au titane (Ti) et/ou à l’indium (In) et/ou au cobalt (Co) et/ou au nickel (Ni) et/ou au cuivre (Cu) et/ou au manganèse (Mn) et/ou au germanium (Ge), les oxydes d’étain dopés, le dopage étant de préférence à l’arsenic (As) et/ou au fluoré (F) et/ou à l’azote (N) et/ou au niobium (Nb) et/ou au phosphore (P) et/ou à l’antimoine (Sb) et/ou à l’aluminium (Al) et/ou au titane (Ti), et/ou au gallium (Ga) et/ou au chrome (Cr) et/ou au cérium (Ce) et/ou à l’indium (In) et/ou au cobalt (Co) et/ou au nickel (Ni) et/ou au cuivre (Cu) et/ou au manganèse (Mn) et/ou au germanium (Ge). Advantageously, said electronically conductive material may be an electronically conductive oxide material, preferably chosen from: tin oxide (SnC>2), zinc oxide (ZnO), indium oxide (ln 2 O 3 ), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), a mixture of two of these oxides such as indium-tin oxide corresponding to a mixture of indium oxide (ln 2 O 3 ) and tin oxide (SnC>2), a mixture of three of these oxides or a mixture of four of these oxides, the doped oxides based on zinc oxide, the doping being preferably with gallium (Ga) and/or aluminum (Al) and/or boron (B) and/or beryllium (Be), and/or chromium (Cr) and/or cerium (Ce) and/or titanium (Ti) and/or indium (In) and/or cobalt (Co) and/ or nickel (Ni) and/or copper (Cu) and/or manganese (Mn) and/or germanium (Ge), the doped oxides based on indium oxide, the doping preferably being at l tin (Sn), and/or gallium (Ga) and/or chromium (Cr) and/or cerium (Ce) and/or titanium (Ti) and/or indium (In) and/ or cobalt (Co) and/or nickel (Ni) and/or copper (Cu) and/or manganese (Mn) and/or germanium (Ge), oxides doped tin, the doping preferably being arsenic (As) and/or fluorine (F) and/or nitrogen (N) and/or niobium (Nb) and/or phosphorus (P ) and/or antimony (Sb) and/or aluminum (Al) and/or titanium (Ti), and/or gallium (Ga) and/or chromium (Cr) and/or cerium (Ce) and/or indium (In) and/or cobalt (Co) and/or nickel (Ni) and/or copper (Cu) and/or manganese (Mn) and/or germanium (Ge).
D’une manière générale, lesdites nanoparticules primaires se présentent avantageusement sous la forme d’agrégats ou d’agglomérats, lesdits agrégats ou agglomérats présentant un diamètre moyen D50 compris ente 50 nm et 300 nm, et de préférence entre 100 nm et 200 nm. In general, said primary nanoparticles are advantageously in the form of aggregates or agglomerates, said aggregates or agglomerates having an average diameter D50 of between 50 nm and 300 nm, and preferably between 100 nm and 200 nm.
Ladite couche poreuse issue de l’étape (c) présente une surface spécifique comprise entre 10 m2/g et 500 m2/g. Said porous layer from step (c) has a specific surface of between 10 m 2 /g and 500 m 2 /g.
Le dépôt dudit revêtement de matériau conducteur électronique est effectué par la technique de dépôt de couches atomiques ALD ou par immersion dans une phase liquide comportant un précurseur dudit matériau conducteur électronique, suivie par la transformation dudit précurseur en matériau conducteur électronique. The deposition of said coating of electronically conductive material is carried out by the technique of deposition of atomic layers ALD or by immersion in a liquid phase comprising a precursor of said electronically conductive material, followed by the transformation of said precursor into electronically conductive material.
Dans ledit deuxième mode de réalisation, le procédé de fabrication de l’anode poreuse pour batterie utilise un substrat intermédiaire en polymère (tel que le PET) et conduit à une bande dit « bande à cru ». Cette bande à cru est ensuite séparée de son substrat ; elle forme alors des plaques ou feuilles (on utilise ici par la suite le terme « plaque », quelle que soit son épaisseur). Ces plaques peuvent être découpées avant ou après leur séparation de leur substrat intermédiaire. Ces plaques sont ensuite calcinées afin d’éliminer les constituants organiques. Ces plaques sont ensuite frittées afin de consolider les nanoparticules jusqu’à l’obtention d’une structure céramique mésoporeuse avec une porosité comprise entre 25 et 50%. Ladite plaque poreuse obtenue à l’étape (c) présente avantageusement une épaisseur comprise entre 5 pm et 300 pm. Il est avantageux de déposer un revêtement d’un matériau conducteur électronique, comme cela vient d’être décrit. In said second embodiment, the process for manufacturing the porous battery anode uses an intermediate polymer substrate (such as PET) and results in a strip called “raw strip”. This raw strip is then separated from its substrate; it then forms plates or sheets (the term “plate” is used hereafter, whatever its thickness). These plates can be cut before or after their separation from their intermediate substrate. These plates are then calcined in order to eliminate the organic constituents. These plates are then sintered in order to consolidate the nanoparticles until a mesoporous ceramic structure with a porosity of between 25 and 50% is obtained. Said porous plate obtained in step (c) advantageously has a thickness of between 5 μm and 300 μm. It is advantageous to deposit a coating of an electronically conductive material, as has just been described.
Dans ce deuxième mode de réalisation on approvisionne également une feuille métallique, recouverte sur ses deux faces d’une couche mince intermédiaire de nanoparticules de préférence identiques à celles constituants la plaque d’électrode. Ladite couche mince présente de préférence une épaisseur inférieure à 1 pm. In this second embodiment, a metal sheet is also supplied, covered on both sides with a thin intermediate layer of nanoparticles, preferably identical to those constituting the electrode plate. Said thin layer preferably has a thickness of less than 1 μm.
Cette feuille est ensuite intercalée entre deux plaques d’électrodes poreuses obtenues précédemment (par exemple deux plaques d’anodes poreuses). L’ensemble est ensuite thermopressé de manière à ce que ladite couche mince intermédiaire de nanoparticules se transforme par frittage et vienne consolider l’ensemble électrode / substrat / électrode pour obtenir un sous-ensemble rigide et monobloc. Lors de ce frittage la liaison entre la couche d’électrode et la couche intermédiaire s’établit par diffusion d’atomes ; ce phénomène est connu sous le terme anglais « diffusion bonding ». Cet assemblage se fait avec deux plaques d’électrodes de même polarité (typiquement entre deux anodes), et la feuille métallique entre ces deux plaques d’électrodes de même polarité établit entre elles une connexion en parallèle. This sheet is then inserted between two porous electrode plates obtained previously (for example two porous anode plates). The assembly is then heat-pressed so that said thin intermediate layer of nanoparticles is transformed by sintering and consolidates the electrode/substrate/electrode assembly to obtain a rigid and one-piece subassembly. During this sintering, the bond between the electrode layer and the intermediate layer is established by diffusion of atoms; this phenomenon is known by the English term “diffusion bonding”. This assembly is done with two electrode plates of the same polarity (typically between two anodes), and the metal sheet between these two electrode plates of the same polarity establishes a parallel connection between them.
Un des avantages du deuxième mode de réalisation est qu’il permet d’utiliser des substrats peu coûteux comme les feuillards d’aluminium ou de cuivre. En effet, ces feuillards ne résisteraient pas aux traitements thermiques de consolidation des couches déposées ; le fait de les coller sur les plaques d’électrodes après leur traitement thermique permet aussi d’éviter leur oxydation. One of the advantages of the second embodiment is that it makes it possible to use inexpensive substrates such as aluminum or copper strips. Indeed, these strips would not resist the heat treatments for consolidating the deposited layers; gluing them to the electrode plates after their heat treatment also prevents their oxidation.
Cet assemblage par « diffusion bonding » peut être réalisé séparément comme cela vient d’être décrit, et les sous-ensembles électrode / substrat / électrodes ainsi obtenus peuvent être utilisés pour fabriquer une batterie. Cet assemblage par diffusion bonding peut aussi être réalisé par empilement et thermopressage de l’ensemble de la structure de la batterie ; dans ce cas on assemble un empilement multicouche comprenant une première couche d’anode poreuse selon l’invention, son substrat métallique, une deuxième couche d’anode poreuse selon l’invention, une couche d’électrolyte solide, une première couche de cathode, son substrat métallique, une deuxième couche de cathode, une nouvelle couche d’électrolyte solide, et ainsi de suite. This assembly by “diffusion bonding” can be carried out separately as has just been described, and the electrode/substrate/electrode subassemblies thus obtained can be used to manufacture a battery. This assembly by diffusion bonding can also be carried out by stacking and thermopressing the entire structure of the battery; in this case, a multilayer stack is assembled comprising a first porous anode layer according to the invention, its metal substrate, a second porous anode layer according to the invention, a solid electrolyte layer, a first cathode layer, its metal substrate, a second cathode layer, a new solid electrolyte layer, and so on.
Plus précisément, on peut soit coller des plaques d’électrodes (et notamment d’anodes selon l’invention) céramiques mésoporeuses sur les deux faces d’un substrat métallique (on retrouve alors la même configuration que celle issue des dépôts sur les deux faces d’un substrat métallique). Sur ce sous-ensemble électrode/substrat/électrode (et notamment anode/substrat/anode) on vient ensuite déposer le film d’électrolyte (séparateur). On réalise ensuite les découpes nécessaires pour réaliser une batterie à plusieurs cellules élémentaires, puis on empile les sous-ensembles (typiquement en mode « tête bêche ») et on réalise la thermocompression pour souder les électrodes entre elles au niveau de l’électrolyte solide. More precisely, it is possible either to stick mesoporous ceramic electrode plates (and in particular anodes according to the invention) on both sides of a metal substrate (we then find the same configuration as that resulting from the deposits on the two sides of a metal substrate). On this electrode/substrate/electrode (and in particular anode/substrate/anode) subassembly, the electrolyte film (separator) is then deposited. The necessary cutouts are then made to make a battery with several elementary cells, then the sub-assemblies are stacked (typically in “head to tail” mode) and thermocompression is carried out to weld the electrodes together at the level of the solid electrolyte.
Alternativement, on peut réaliser l’empilement comportant la première plaque d’électrode, son substrat revêtu de l’élément servant aux collage (typiquement une couche intermédiaire de nanoparticules du matériau de l’électrode à laquelle cette couche intermédiaire doit se souder), la deuxième plaque d’électrode de même polarité que la première, l’électrolyte solide (séparateur), la plaque d’électrode de polarité opposée, son substrat revêtu de l’élément de collage (typiquement une couche intermédiaire de nanoparticules du matériau de l’électrode à laquelle cette couche intermédiaire doit se souder), et ainsi de suite. On réalise ensuite la thermocompression finale qui sert à la fois à souder les électrodes entre-elles au niveau de l’électrolyte solide mais également à la soudure des plaques d’électrodes sur les collecteurs de courant. Alternatively, the stack can be made comprising the first electrode plate, its substrate coated with the element used for bonding (typically an intermediate layer of nanoparticles of the material of the electrode to which this intermediate layer must be welded), the second electrode plate of the same polarity as the first, the solid electrolyte (separator), the electrode plate of opposite polarity, its substrate coated with the bonding element (typically an intermediate layer of nanoparticles of the material of the electrode to which this intermediate layer must be welded), and so on. The final thermocompression is then carried out which is used both to weld the electrodes together at the level of the solid electrolyte but also to weld the electrode plates to the current collectors.
Dans les deux variantes qui viennent d’être présentées, la soudure par thermocompression se fait à une température relativement basse, ce qui est possible grâce à la très faible taille des nanoparticules. De ce fait on n’observe pas d’oxydation des couches métalliques du substrat. In the two variants that have just been presented, welding by thermocompression is done at a relatively low temperature, which is possible thanks to the very small size of the nanoparticles. As a result, no oxidation of the metal layers of the substrate is observed.
Dans le cas où les couches ou plaques d’électrodes (on rappelle ici que dans l’expression « plaque d’électrode », le terme « plaque » englobe les « feuilles ») montrent une conductivité électronique suffisante, on peut ne pas prévoir un collecteur de courant séparé. Cette variante s’applique surtout aux microbatteries et aux batteries de puissance intermédiaire, et ne représente pas un mode de réalisation préféré pour les batteries d’une puissance supérieure à 1 mA h. Dans d’autres modes de réalisation de l’assemblage, qui seront décrit ci-dessous, on utilise une colle conductrice (chargée en graphite) ou un dépôt de type sol-gel chargé en particules conductrices, ou encore des feuillards métalliques, de préférence à bas point de fusion (par exemple l’aluminium) ; lors du traitement thermomécanique (thermopressage) le feuillard métallique peut se déformer par fluage et venir faire cette soudure entre les plaques. In the case where the layers or plates of electrodes (it is recalled here that in the expression "electrode plate", the term "plate" encompasses the "sheets") show sufficient electronic conductivity, it is not possible to provide a separate current collector. This variant applies above all to microbatteries and intermediate power batteries, and does not represent a preferred embodiment for batteries with a power greater than 1 mA h. In other embodiments of the assembly, which will be described below, a conductive adhesive (charged with graphite) or a sol-gel type deposit charged with conductive particles, or metal strips, preferably low melting point (eg aluminum); during the thermomechanical treatment (thermopressing) the metal strip can be deformed by creep and come to make this weld between the plates.
Un deuxième objet de l’invention est une anode poreuse pour une batterie à ions de lithium conçue pour avoir une capacité supérieure à 1 mA h, comprenant une couche poreuse de porosité comprise entre 25 % et 50% en volume, de préférence comprise entre 28 % et 43 % en volume, et encore plus préférentiellement entre 30 % et 40 % en volume, caractérisée en ce que ladite couche poreuse comporte : A second object of the invention is a porous anode for a lithium ion battery designed to have a capacity greater than 1 mA h, comprising a porous layer with a porosity of between 25% and 50% by volume, preferably between 28 % and 43% by volume, and even more preferably between 30% and 40% by volume, characterized in that said porous layer comprises:
- des pores de diamètre moyen inférieur à 50 nm, un réseau poreux d’un matériau A, comportant optionnellement sur et à l’intérieur des pores formant ledit réseau poreux un revêtement d’un matériau conducteur électronique, et caractérisée en ce que ledit matériau A est sélectionné parmi les oxydes de niobium et les oxydes mixtes de niobium avec le titane, le germanium, le cérium, le lanthane, le cuivre, ou le tungstène, et de préférence dans le groupe formé par : o Nb20s-s , NbisWieOgs-s , NbieWsOss-s avec 0 £ x < 1 et 0 s 5 < 2 o TiNb2C>7-8 , Tii.xM1xNb2-yM2yO7-s , LiwTii.xM1xNb2-yM2yO7-s dans lesquels M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs et Sn, M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, et dans lequel 0 < w < 5 et 0 < x < 1 et 0 < y < 2 et 0 < S < 0,3 ; o Tii-xM1xNb2-yM2 yO7-zM3 z , LiwTii-xM1xNb2-yM2 yO7-zM3 zdans lesquels - pores with an average diameter of less than 50 nm, a porous network of a material A, optionally comprising on and inside the pores forming said porous network a coating of an electronically conductive material, and characterized in that said material A is selected from niobium oxides and mixed oxides of niobium with titanium, germanium, cerium, lanthanum, copper, or tungsten, and preferably from the group formed by: o Nb20s-s , NbisWieOgs- s , NbieWsOss-s with 0 £ x < 1 and 0 s 5 < 2 o TiNb2C>7-8 , Tii. x M 1 xNb2-yM 2 yO7-s , Li w Tii. x M 1 xNb2-yM 2 yO7-s wherein M 1 and M 2 are each at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr , Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs and Sn, M 1 and M 2 possibly being the same or different from each other, and wherein 0 < w < 5 and 0 < x < 1 and 0 < y < 2 and 0 < S <0.3; o Tii-xM 1 xNb2-yM 2 y O7-zM 3 z , Li w Tii-xM 1 xNb2-yM 2 y O7-zM 3 z in which
■ M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs et Sn, ■ M 1 and M 2 are each at least one element chosen from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs and Sn,
■ M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, ■ M 1 and M 2 can be identical or different from each other,
■ M3 est au moins un halogène, ■ M 3 is at least one halogen,
■ et dans lesquels 0 < w < 5 et 0 < x < 1 et 0 < y < 2 et z < 0,3 ; o TiNb2C>7-zM3 z , LiwTiNb2O7-zM3 z dans lesquels M3 est au moins un halogène, de préférence choisi parmi F, Cl, Br, I ou un mélange de ceux-ci, et 0 < z < 0,3 , o Tii.xGexNb2.yM1yO7-z , LiwTii-xG6xNb2-yM1yO7-z , Tii-xC6xNb2-yM1yO7-z , LiwTii-xCexNb2-yM1yO7- zdans lesquels ■ and in which 0 < w < 5 and 0 < x < 1 and 0 < y < 2 and z <0.3; o TiNb2C>7-zM 3 z , Li w TiNb2O7-zM 3 z in which M 3 is at least one halogen, preferably chosen from F, Cl, Br, I or a mixture thereof, and 0 < z < 0.3, o Tii.xGexNb 2.yM 1 yO7-z , Li w Tii-xG6xNb2-yM 1 yO7-z , Tii- x C6xNb2-yM 1 yO7-z , Li w Tii-xCe x Nb2- yM 1 yO7 -z
■ M1 et M2 sont au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn ; ■ M 1 and M 2 are at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca , Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn;
■ 0 < w < 5 et 0 < x < 1 et 0 < y < 2 et z <1 , de préférence dans lesquels 0 < w < 5 et 0 < x < 1 et 0 < y < 2 et z < 0,3 (avec de préférence z < 0,3) ; o Tii-xGexNb2-yM1yO7-zM2 z , LiwTii.xGexNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii-xLaxNb2-yM1yO7-zM2 z , LiwTii. xLaxNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii-xCuxNb2-yM1yO7-zM2 z , LiwTii-xCuxNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii-xCexNb2- yM1yO7-z M2 z, LiwTii-xCexNb2-yM1yO7-zM2 z , dans lesquels ■ 0 < w < 5 and 0 < x < 1 and 0 < y < 2 and z < 1, preferably in which 0 < w < 5 and 0 < x < 1 and 0 < y < 2 and z < 0.3 (with preferably z<0.3); o Tii-xGe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii.xGe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii-xLa x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii. xLa x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii-xCu x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii-xCu x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii- x Ce x Nb2- yM 1 yO7-z M 2 z , Li w Tii-xCe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , in which
■ M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn, ■ M 1 and M 2 are each at least one element chosen from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn,
■ M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, ■ M 1 and M 2 can be identical or different from each other,
■ et dans lesquels 0 < w < 5 et 0 < x < 1 et 0 < y < 2 et z < 0,3 ; ladite anode étant susceptible d’être obtenue par le procédé selon l’invention. ■ and in which 0 < w < 5 and 0 < x < 1 and 0 < y < 2 and z < 0.3; said anode being capable of being obtained by the process according to the invention.
Un troisième objet est un procédé de fabrication d’une batterie, de préférence une batterie à ions de lithium, mettant en œuvre le procédé de fabrication d’une anode poreuse selon l’invention, ou mettant en œuvre une anode poreuse selon l’invention. A third object is a method for manufacturing a battery, preferably a lithium ion battery, implementing the method for manufacturing a porous anode according to the invention, or implementing a porous anode according to the invention. .
Un tel procédé est un procédé de fabrication d’une batterie, comprenant au moins une anode poreuse selon l’invention, au moins un séparateur et au moins une cathode poreuse, caractérisé en ce que : Such a process is a process for manufacturing a battery, comprising at least one porous anode according to the invention, at least one separator and at least one porous cathode, characterized in that:
(a) on approvisionne un premier substrat, un second substrat, et (a) providing a first substrate, a second substrate, and
- on approvisionne une première suspension colloïdale ou une pâte comprenant des agrégats ou des agglomérats de nanoparticules primaires monodisperses d’au moins un matériau actif d’anode A, de diamètre primaire moyen D50 compris entre 2 et 100 nm, de préférence entre 2 et 60 nm, lesdits agrégats ou agglomérats présentant un diamètre moyen D50 compris entre 50 nm et 300 nm (de préférence entre 100 nm et 200 nm), étant entendu que ledit matériau A est sélectionné parmi les oxydes de niobium et les oxydes mixtes de niobium avec le titane, le germanium, le cérium, le lanthane, le cuivre, ou le tungstène, et de préférence dans le groupe formé par : o Nb2O5-s , NbisWieOgs-s , NbieWsOss-s avec 0 £ x < 1 et 0 s 5 < 2 ; o TiNb2C>7-8 , Tii.xM1xNb2-yM2yO7-S, LiwTii-xM1 xNb2-yM2yO7 dans lequel M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs et Sn, M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, et dans lequel 0<w<5et0<x< 1 et 0 < y < 2 et 0 < S < 0,3 ; o Tii-xM1xNb2-yM2 yO7-zM3 z , LiwTii-xM1xNb2-yM2 yO7-zM3 zdans lesquels - a first colloidal suspension or a paste comprising aggregates or agglomerates of monodisperse primary nanoparticles of at least one anode active material A, with an average primary diameter D50 of between 2 and 100 nm, preferably between 2 and 60, is supplied nm, said aggregates or agglomerates having an average diameter D50 of between 50 nm and 300 nm (preferably between 100 nm and 200 nm), it being understood that said material A is selected from niobium oxides and mixed niobium oxides with the titanium, germanium, cerium, lanthanum, copper, or tungsten, and preferably from the group formed by: o Nb 2 O5-s , NbisWieOgs-s , NbieWsOss-s with 0 £ x < 1 and 0 s 5 <2; o TiNb2C>7-8 , Tii. x M 1 xNb2-yM 2 yO 7-S , Li w Tii-xM 1 x Nb2-yM 2 yO7 wherein M 1 and M 2 are each at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe , Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs and Sn, M 1 and M 2 which may be the same or different from each other, and wherein 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and 0<S<0.3; o Tii-xM 1 xNb2-yM 2 y O7-zM 3 z , Li w Tii-xM 1 xNb2-yM 2 y O7-zM 3 z in which
■ M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs et Sn, ■ M 1 and M 2 are each at least one element chosen from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs and Sn,
■ M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, ■ M 1 and M 2 can be identical or different from each other,
■ M3 est au moins un halogène, ■ M 3 is at least one halogen,
■ et dans lesquels 0<w<5et0<x< 1 et 0 < y < 2 et z < 0,3 ; o TiNb2C>7-zM3 z , LiwTiNb2O?-zM3 z dans lesquels M3 est au moins un halogène, de préférence choisi parmi F, Cl, Br, I ou un mélange de ceux-ci, et 0 < z < 0,3 , o Tii-xGexNb2-yM1yO7-z, LiwTii-xGexNb2-yM1yO7-z, Tii.xCexNb2-yM1yO7-z, LiwTii.xCexNb2- yM1 yO7-zdans lesquels ■ and in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and z<0.3; o TiNb2C>7-zM 3 z , Li w TiNb2O?-zM 3 z in which M 3 is at least one halogen, preferably chosen from F, Cl, Br, I or a mixture thereof, and 0 < z <0.3, o Tii- x Ge x Nb2-yM 1 yO7-z, Li w Tii- x Ge x Nb2-yM 1 yO7-z, Tii. x Ce x Nb2-yM 1 yO7-z, Li w Tii. x Ce x Nb2- yM 1 y O7-zin which
■ M1 est au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn, ■ M 1 is at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn,
■ et dans lesquels 0<w<5et0<x< 1 et0<y<2etz< 1, de préférence dans lesquels 0<w<5et0<x<1 et0<y<2etz<0.3 ; o Tii-xGexNb2-yM1yO7-zM2 z , LiwTii-xGexNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii-xLaxNb2-yM1yO7-zM2 z, LiwTii. xLaxNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii-xCuxNb2-yM1yO7-zM2 z, LiwTii-xCuxNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii-xCexNb2- yM1yO7-zM2 z , LiwTii-xCexNb2-yM1yO7-zM2 z dans lesquels ■ and in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2etz<1, preferably in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2etz<0.3; o Tii-xGe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii-xGe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii-xLa x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii. xLa x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii-xCu x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii-xCu x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii- x Ce x Nb2- yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii-xCe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z in which
■ M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn, ■ M 1 and M 2 are each at least one element chosen from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn,
■ M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, ■ M 1 and M 2 can be identical or different from each other,
■ et dans lesquels 0<w<5et0<x< 1 et 0 < y < 2 et z < 0,3 ; sachant que ledit premier et/ou ledit deuxième substrat peut être un substrat capable d’agir comme collecteur de courant électrique, ou un substrat intermédiaire, ■ and in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and z<0.3; knowing that said first and/or said second substrate may be a substrate capable of acting as an electric current collector, or an intermediate substrate,
- on approvisionne une seconde suspension colloïdale comprenant des agrégats ou des agglomérats de nanoparticules primaires monodisperses d’au moins un matériau actif de cathode C, de diamètre primaire moyen D50 compris entre 2 nm et 100 nm, de préférence entre 2 nm et 60 nm, lesdits agrégats ou agglomérats présentant un diamètre moyen D50 compris entre 50 nm et 300 nm (de préférence entre 100 nm et 200 nm), et - a second colloidal suspension is supplied comprising aggregates or agglomerates of monodisperse primary nanoparticles of at least one cathode active material C, with an average primary diameter D50 of between 2 nm and 100 nm, preferably between 2 nm and 60 nm, said aggregates or agglomerates having an average diameter D50 of between 50 nm and 300 nm (preferably between 100 nm and 200 nm), and
- on approvisionne une troisième suspension colloïdale comprenant des agrégats ou des agglomérats de nanoparticules d’au moins un matériau inorganique E (qui est de préférence un isolant électrique), de diamètre primaire moyen D50 compris entre 2 nm et 100 nm, de préférence entre 2 nm et 60 nm, lesdits agrégats ou agglomérats présentant un diamètre moyen D50 compris entre 50 nm et 300 nm (de préférence entre 100 nm et 200 nm) ; - a third colloidal suspension is supplied comprising aggregates or agglomerates of nanoparticles of at least one inorganic material E (which is preferably an electrical insulator), with an average primary diameter D50 of between 2 nm and 100 nm, preferably between 2 nm and 60 nm, said aggregates or agglomerates having an average diameter D50 of between 50 nm and 300 nm (preferably between 100 nm and 200 nm);
(b) on dépose sur au moins une face dudit premier substrat une couche d’anode à partir de ladite première suspension colloïdale approvisionnée à l’étape (a), et on dépose sur au moins une face dudit second substrat une couche de cathode à partir de ladite seconde suspension colloïdale approvisionnée à l’étape (a), par un procédé sélectionné de préférence dans le groupe formé par : l’électrophorèse, l’extrusion, un procédé d’impression, choisi de préférence parmi l’impression par jet d’encre et l’impression flexographique, et un procédé d’enduction, choisi de préférence parmi l’enduction au rouleau, l’enduction au rideau, l’enduction par raclage, l’enduction par extrusion à travers une filière en forme de fente, l’enduction par trempage ; (b) an anode layer from said first colloidal suspension provided in step (a) is deposited on at least one face of said first substrate, and a cathode layer is deposited on at least one face of said second substrate from said second colloidal suspension provided in step (a), by a process preferably selected from the group formed by: electrophoresis, extrusion, a printing process, preferably selected from jet printing of ink and flexographic printing, and a coating process, preferably selected from roller coating, curtain coating, doctor coating, coating by extrusion through a die in the form of slit, coating by dipping;
(c) on sèche lesdites couches d’anode et de cathode obtenues à l’étape (b) et, le cas échéant après avoir séparée ladite couche de son substrat intermédiaire, on consolide chaque couche, par pressage et/ou chauffage, pour obtenir respectivement une couche d’anode poreuse, de préférence mésoporeuse et inorganique, et une couche de cathode poreuse, de préférence mésoporeuse et inorganique ; (c) said anode and cathode layers obtained in step (b) are dried and, where appropriate after having separated said layer from its intermediate substrate, each layer is consolidated, by pressing and/or heating, to obtain respectively a porous anode layer, preferably mesoporous and inorganic, and a porous cathode layer, preferably mesoporous and inorganic;
(d) optionnellement, on dépose, sur et à l’intérieur des pores desdites couches d’anode et/ou de cathode poreuses, un revêtement d’un matériau conducteur électronique, de manière à former lesdites anodes poreuses et cathodes poreuses ; (d) optionally, a coating of an electronically conductive material is deposited on and inside the pores of said porous anode and/or cathode layers, so as to form said porous anodes and porous cathodes;
(e) on dépose sur ladite anode poreuse et/ou ladite cathode poreuse obtenue à l’étape (c) ou (d), une couche inorganique poreuse à partir de la troisième suspension colloïdale approvisionnée à l’étape (a), par une technique sélectionnée dans le groupe formé par : l’électrophorèse, l’extrusion, un procédé d’impression, choisi de préférence parmi l’impression par jet d’encre et l’impression flexographique, et un procédé d’enduction, choisi de préférence parmi l’enduction au rouleau, l’enduction au rideau, l’enduction par raclage, l’enduction par extrusion à travers une filière en forme de fente, l’enduction par trempage ; (e) depositing on said porous anode and/or said porous cathode obtained in step (c) or (d), a porous inorganic layer from the third colloidal suspension supplied in step (a), by a technique selected from the group formed by: electrophoresis, extrusion, a printing process, preferably chosen from inkjet printing and flexographic printing, and a coating process, preferably chosen among roll coating, curtain coating, doctor coating, extrusion coating through a slot-shaped die, dip coating;
(f) on sèche ladite couche inorganique poreuse de la structure obtenue à l’étape (e), de préférence sous flux d’air, et on procède à un traitement thermique à un température supérieure à 130 °C et de préférence comprise entre environ 300 °C et environ 600 °C, sachant que le cas échéant, on presse la couche séparée de son substrat intermédiaire sur une feuille métallique capable d’agir comme collecteur de courant, avant de procéder audit traitement thermique ; (f) said porous inorganic layer of the structure obtained in step (e) is dried, preferably under a flow of air, and a heat treatment is carried out at a temperature above 130° C. and preferably between approximately 300°C and about 600°C, knowing that, where appropriate, the layer separated from its intermediate substrate is pressed onto a metal sheet capable of acting as a current collector, before carrying out said heat treatment;
(g) on empile face sur face successivement l’anode poreuse obtenue à l’étape d), ou e) avec la cathode poreuse obtenue à l’étape d) ou e), étant entendu que dans l’empilement obtenu les couches d’anode poreuse sont séparées des couches de cathode poreuse par au moins une couche inorganique poreuse telle qu’obtenue à l’étape e) formant ledit séparateur ; (g) the porous anode obtained in step d), or e) is successively stacked face to face with the porous cathode obtained in step d) or e), it being understood that in the stack obtained the layers d porous anode are separated from the porous cathode layers by at least one porous inorganic layer as obtained in step e) forming said separator;
(h) on réalise un traitement de thermocompression à une température comprise entre 120 °C et 600 °C de l’empilement obtenu à l’étape (g) afin d’obtenir une batterie comprenant au moins une anode poreuse, au moins un séparateur et au moins une cathode poreuse. (h) a thermocompression treatment is carried out at a temperature of between 120°C and 600°C of the stack obtained in step (g) in order to obtain a battery comprising at least one porous anode, at least one separator and at least one porous cathode.
Le traitement thermique à l’étape (h) est fait après le dépôt sur les électrodes du film séparateur. The heat treatment in step (h) is done after the deposition on the electrodes of the separator film.
Le produit issu de l’étape (h) peut ensuite être est imprégné par un polymère conducteur ionique ou un polymère qui a été rendu conducteur ionique, ou encore par un électrolyte liquide contenant au moins un sel de lithium, qui sont avantageusement sélectionnés dans le groupe formé par : The product resulting from step (h) can then be impregnated with an ionically conductive polymer or a polymer which has been made ionically conductive, or else with a liquid electrolyte containing at least one lithium salt, which are advantageously selected from the group formed by:
• un électrolyte composé d’au moins un solvant aprotique et d’au moins un sel de lithium ; • an electrolyte composed of at least one aprotic solvent and at least one lithium salt;
• un électrolyte composé d’au moins un liquide ionique et d’au moins un sel de lithium ; • an electrolyte composed of at least one ionic liquid and at least one lithium salt;
• un mélange d’au moins un solvant aprotique et d’au moins un liquide ionique et d’au moins un sel de lithium ; • a mixture of at least one aprotic solvent and at least one ionic liquid and at least one lithium salt;
• un polymère rendu conducteur ionique par l’ajout d’au moins un sel de lithium ; et• a polymer made ionically conductive by the addition of at least one lithium salt; and
• un polymère rendu conducteur ionique par l’ajout d’un électrolyte liquide, soit dans la phase polymère, soit dans la structure mésoporeuse. • a polymer made ionically conductive by the addition of a liquid electrolyte, either in the polymer phase or in the mesoporous structure.
Ces procédés de fabrication permettent de réaliser des batteries entièrement solides avec des séparateurs fins et céramiques. Ces séparateurs s’imprégnent très bien avec les liquides ioniques et résistent aux fortes températures. These manufacturing processes make it possible to produce fully solid batteries with fine and ceramic separators. These separators impregnate very well with ionic liquids and are resistant to high temperatures.
Encore un autre objet de l’invention est une batterie à ions de lithium ayant une capacité supérieure à 1 mA h, susceptible d’être obtenue par le procédé selon l’invention. Dans ce cas, la batterie comprend une anode selon l’invention ou susceptible d’être obtenue par le procédé selon l’invention. Cette anode présente avantageusement une capacité massique supérieure à 200 mAh/g, et de préférence supérieure à 250 mAh/g. Yet another object of the invention is a lithium ion battery having a capacity greater than 1 mA h, capable of being obtained by the method according to the invention. In this case, the battery comprises an anode according to the invention or capable of being obtained by the process according to the invention. This anode advantageously has a mass capacity greater than 200 mAh/g, and preferably greater than 250 mAh/g.
Un dernier objet de l’invention est l’utilisation d’une batterie selon l’invention à une température inférieure à -10 °C et/ou à une température supérieure à 50 °C, et de préférence à une température inférieure -20 °C et/ou à une température supérieure à 60 °C, et encore plus préférentiellement à une température inférieure à -30°C et/ou à une température supérieure à 70°C. A final object of the invention is the use of a battery according to the invention at a temperature below -10°C and/or at a temperature above 50°C, and preferably at a temperature below -20°C. C and/or at a temperature above 60°C, and even more preferably at a temperature below -30°C and/or at a temperature above 70°C.
Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, la batterie présente une capacité surfacique des anodes inférieure à celle des cathodes ; cela améliore ta tenue en température de la batterie. In an advantageous embodiment of the invention, the battery has a surface capacity of the anodes lower than that of the cathodes; This improves your battery temperature resistance.
D’une manière générale, la réalisation de structures entièrement solides, frittées et multicouches pose de nombreux problèmes. Il fait chauffer à des températures élevées pour réaliser le frittage, ce qui peut dégrader les matériaux d’électrode et induire une interdiffusion aux interfaces. Selon une de ses caractéristiques essentielles, le procédé selon l’invention utilise des nanoparticules, ce qui permet de réduire la température de frittage. Par ailleurs on effectue avantageusement un frittage partiel pour obtenir des structures mésoporeuses. De plus ce frittage peut être effectué sur les couches ou plaques d’électrodes avant l’assemblage avec le séparateur, ce qui évite que lors du frittage il y ait des couches céramiques de matériaux différents en contact. Pour le séparateur, on sélectionne avantageusement un matériau avec un point de fusion relativement bas et qui est inerte au contact des électrodes afin de pouvoir effectuer cet assemblage à une température relativement basse. In general, the realization of entirely solid, sintered and multilayer structures poses many problems. It heats to high temperatures to achieve sintering, which can degrade electrode materials and induce interdiffusion at interfaces. According to one of its essential characteristics, the process according to the invention uses nanoparticles, which makes it possible to reduce the sintering temperature. Furthermore, partial sintering is advantageously carried out to obtain mesoporous structures. In addition, this sintering can be carried out on the layers or plates of electrodes before assembly with the separator, which avoids that during sintering there are ceramic layers of different materials in contact. For the separator, a material is advantageously selected with a relatively low melting point and which is inert in contact with the electrodes in order to be able to carry out this assembly at a relatively low temperature.
Figures tricks
[Fig. 1] montre une courbe de décharge obtenue avec une anode en Tio.gsGeo.osNbgO? selon l’invention, pour deux régimes différents. [Fig. 1] shows a discharge curve obtained with an anode in Tio.gsGeo.osNbgO? according to the invention, for two different regimes.
Description détaillée detailed description
1. Définitions 1. Definitions
Dans le cadre du présent document, la taille d’une particule est définie par sa plus grande dimension. Par « nanoparticule », on entend toute particule ou objet de taille nanométrique présentant au moins une de ses dimensions inférieure ou égale à 100 nm. Dans le cadre du présent document, le terme « oxyde conducteur électronique » comprend les oxydes conducteurs électroniques et les oxydes semi-conducteurs électroniques. In the context of this document, the size of a particle is defined by its largest dimension. By “nanoparticle”, is meant any particle or object of nanometric size having at least one of its dimensions less than or equal to 100 nm. As used herein, the term "electronic conductive oxide" includes electronic conductive oxides and electronic semiconductor oxides.
Dans le cadre du présent document, un matériau ou une couche isolante électroniquement, de préférence une couche isolante électroniquement et conductrice ionique est un matériau ou une couche dont la résistivité électrique (résistance au passage des électrons) est supérieure à 105 Q-cm. Par « liquide ionique » on entend tout sel liquide, apte à transporter de l’électricité, se différenciant de l’ensemble des sels fondus par une température de fusion inférieure à 100°C. Certains de ces sels restent liquides à température ambiante et ne se solidifient pas, même à très basse température. De tels sels sont appelés « liquides ioniques à température ambiante ». In the context of this document, an electronically insulating material or layer, preferably an electronically insulating and ion-conductive layer, is a material or a layer whose electrical resistivity (resistance to the passage of electrons) is greater than 10 5 Ω-cm. By "ionic liquid" is meant any liquid salt, capable of transporting electricity, differing from all molten salts by a melting temperature below 100°C. Some of these salts remain liquid at room temperature and do not solidify, even at very low temperatures. Such salts are called "ionic liquids at room temperature".
Par matériaux « mésoporeux », on entend tout solide qui présente au sein de sa structure des pores dites « mésopores » possédant une taille intermédiaire entre celle des micropores (largeur inférieure à 2 nm) et celle des macropores (largeur supérieure à 50 nm), à savoir une taille comprise entre 2 nm et 50 nm. Cette terminologie correspond à celle adoptée par IIIPAC (International Union for Pure and Applied Chemistry), qui fait référence pour l’homme du métier. On n’utilise donc ici pas le terme « nanopore », même si les mésopores telles que définies ci-dessus présentent des dimensions nanométriques au sens de la définition des nanoparticules, sachant les pores de taille inférieure à celle des mésopores sont appelées par l’homme du métier des « micropores ». By "mesoporous" materials, we mean any solid which has within its structure pores called "mesopores" having an intermediate size between that of micropores (width less than 2 nm) and that of macropores (width greater than 50 nm), namely a size between 2 nm and 50 nm. This terminology corresponds to that adopted by IIIPAC (International Union for Pure and Applied Chemistry), which is a reference for those skilled in the art. The term “nanopore” is therefore not used here, even if the mesopores as defined above have nanometric dimensions within the meaning of the definition of nanoparticles, knowing that the pores of a size smaller than that of the mesopores are called by the skilled in the art of "micropores".
Une présentation des concepts de porosité (et de la terminologie qui vient d’être exposée ci-dessus) est donnée dans l’article « Texture des matériaux pulvérulents ou poreux » par F. Rouquerol et al. paru dans la collection « Techniques de l’ingénieur », traité Analyse et Caractérisation, fascicule P 1050 ; cet article décrit également les techniques de caractérisation de la porosité, notamment la méthode BET. A presentation of the concepts of porosity (and of the terminology which has just been explained above) is given in the article “Texture of powdery or porous materials” by F. Rouquerol et al. published in the “Engineering Techniques” collection, treatise Analysis and Characterization, booklet P 1050; this article also describes porosity characterization techniques, in particular the BET method.
Au sens de la présente invention, on entend par « couche mésoporeuse » une couche qui présente des mésopores. Comme cela sera expliqué ci-dessous, dans ces couches, les mésopores contribuent de manière significative au volume poreux total ; cet état de fait est traduit par l’expression « Couche mésoporeuse de porosité mésoporeuse supérieure à X % en volume » utilisée dans la description ci-dessous où X % est de préférence supérieur à 25 %, préférentiellement supérieur à 30 % et encore plus préférentiellement compris entre 30 et 50 % du volume total de la couche. Le terme « agrégat » signifie, selon les définitions de l’IUPAC un assemblage faiblement lié de particules primaires. En l’occurrence, ces particules primaires sont des nanoparticules présentant un diamètre qui peut être déterminé par microscopie électronique à transmission. Un agrégat de nanoparticules primaires agrégées peut normalement être détruit (i.e. réduit à des nanoparticules primaires) en suspension dans une phase liquide sous l’effet d’ultrasons, selon une technique connue de l’homme du métier. Within the meaning of the present invention, the term "mesoporous layer" means a layer which has mesopores. As will be explained below, in these layers the mesopores contribute significantly to the total pore volume; this state of affairs is translated by the expression "Mesoporous layer of mesoporous porosity greater than X% by volume" used in the description below where X% is preferably greater than 25%, preferentially greater than 30% and even more preferentially between 30 and 50% of the total volume of the layer. The term "aggregate" means, according to IUPAC definitions, a loosely bound assembly of primary particles. In this case, these primary particles are nanoparticles having a diameter which can be determined by transmission electron microscopy. An aggregate of aggregated primary nanoparticles can normally be destroyed (ie reduced to primary nanoparticles) in suspension in a liquid phase under the effect of ultrasound, according to a technique known to those skilled in the art.
Le terme « agglomérat » signifie, selon les définitions de l’IUPAC un assemblage fortement lié de particules primaires ou d’agrégats. The term “agglomerate” means, according to IUPAC definitions, a strongly bound assembly of primary particles or aggregates.
Au sens de la présente invention le terme « couche d’électrolyte » se rapporte à la couche au sein d’un dispositif électrochimique, ce dispositif étant capable de fonctionner selon sa destination. A titre d’exemple, dans le cas où ledit dispositif électrochimique est une batterie secondaire aux ions de lithium le terme « couche d’électrolyte » désigne la « couche inorganique poreuse » imprégnée d’une phase porteuse d’ions de lithium. La couche d’électrolyte est un conducteur ionique, mais elle est isolante électroniquement.Within the meaning of the present invention, the term “electrolyte layer” refers to the layer within an electrochemical device, this device being capable of operating according to its intended purpose. By way of example, in the case where said electrochemical device is a lithium ion secondary battery, the term “electrolyte layer” designates the “porous inorganic layer” impregnated with a phase carrying lithium ions. The electrolyte layer is an ion conductor, but it is electronically insulating.
Ladite couche inorganique poreuse dans un dispositif électrochimique est ici aussi appelée « séparateur », selon la terminologie utilisée par l’homme du métier. Said porous inorganic layer in an electrochemical device is here also called “separator”, according to the terminology used by those skilled in the art.
Selon l’invention, la « couche inorganique poreuse », de préférence mésoporeuse peut être déposée par voie électrophorétique, par le procédé d’enduction par trempage ci- après « dip-coating », par le procédé d’impression par jet d’encre ci-après « ink-jet », par enduction au rouleau (appelé « roll coating » en anglais), par enduction au rideau (appelé « curtain coating » en anglais) ou par raclage ci-après « doctor blade », et ce à partir d’une suspension d’agrégat ou d’agglomérats de nanoparticules, de préférence à partir d’une suspension concentrée contenant des agglomérats de nanoparticules. According to the invention, the "porous inorganic layer", preferably mesoporous, can be deposited electrophoretically, by the coating process by dipping hereinafter "dip-coating", by the inkjet printing process. hereinafter "ink-jet", by roller coating (called "roll coating" in English), by curtain coating (called "curtain coating" in English) or by scraping hereinafter "doctor blade", and this at from a suspension of aggregate or agglomerates of nanoparticles, preferably from a concentrated suspension containing agglomerates of nanoparticles.
2. Préparation des suspensions de nanopoudres 2. Preparation of nanopowder suspensions
Dans le cadre de la présente invention on utilise pour les couches des électrodes et du séparateur de préférence des nanopoudres cristallisées monodisperses d’une taille de particules primaires inférieure à 100 nm. Cela favorise le frittage (necking) entre les particules primaires (sous forme agglomérée ou non) lors du traitement de consolidation. La consolidation peut alors avoir lieu à une température relativement basse, sachant que le dans la mesure où les particules primaires se présentent déjà à l’état cristallisé, l’objet de ce traitement n’est plus de les recristalliser. Pour certaines compositions chimiques, il faut recourir à des méthodes de synthèse spécifiques pour obtenir des populations de nanoparticules cristallisées monodisperses. In the context of the present invention, monodisperse crystallized nanopowders with a primary particle size of less than 100 nm are preferably used for the layers of the electrodes and of the separator. This promotes sintering (necking) between the primary particles (in agglomerated form or not) during the consolidation treatment. The consolidation can then take place at a relatively low temperature, knowing that insofar as the primary particles are already in the crystallized state, the object of this treatment is no longer to recrystallize them. For some chemical compositions, it must resort to specific synthesis methods to obtain populations of monodisperse crystallized nanoparticles.
D’une manière générale, les compositions de type TNO (TiNb2O7) présentent une conductivité électronique très faible. Dans une batterie, pour pouvoir délivrer une forte puissance, il faut que la taille de particules soit très faible. Par ailleurs, comme cela sera expliqué ci-dessous, il est avantageux que le réseau mésoporeux soit revêtu d’une mince couche d’un matériau conducteur électronique afin de compenser cette faible conductivité électronique du matériau d’anode ; on utilise à cette fin une fine couche de carbone graphitique (et non pas le carbone diamantique). In general, compositions of the TNO (TiNb2O7) type have a very low electronic conductivity. In a battery, to be able to deliver high power, the particle size must be very small. Furthermore, as will be explained below, it is advantageous for the mesoporous network to be coated with a thin layer of an electronically conductive material in order to compensate for this low electronic conductivity of the anode material; a thin layer of graphitic carbon (and not diamond carbon) is used for this purpose.
On sait que des particules de type TNO (TiNb2O?) peuvent être synthétisées par voie hydrothermale, avec une taille dispersée entre environ 50 nm et environ 300 nm ; il est cependant difficile de contrôler cette taille, et la dispersion est large. Cette synthèse conduit à des particules amorphes qu’il faut ensuite cristalliser par un traitement thermique à haute température, par exemple aux environs de 1 000 °C pendant environ 30 minutes. Lors de cette cristallisation les particules peuvent croître de manière incontrôlée, ce qui élargit la dispersion en taille. Alternativement, il existe des méthodes de synthèse par voie solide, qui nécessitent également un traitement à haute température pour homogénéiser la composition chimique. It is known that particles of the TNO (TiNb2O?) type can be synthesized hydrothermally, with a size dispersed between approximately 50 nm and approximately 300 nm; however, it is difficult to control this size, and the dispersion is wide. This synthesis leads to amorphous particles which must then be crystallized by heat treatment at high temperature, for example around 1000°C for around 30 minutes. During this crystallization, the particles can grow in an uncontrolled manner, which widens the dispersion in size. Alternatively, there are solid-state synthesis methods, which also require high temperature treatment to homogenize the chemical composition.
Dans le cadre de la présente invention on préfère utiliser des nanoparticules primaires, agglomérés ou non, d’une taille inférieure à 100 nm, de préférence inférieure à 60 nm, et encore plus préférentiellement inférieure à 40 nm. De telles nanoparticules peuvent être obtenues par différents procédés. In the context of the present invention, it is preferred to use primary nanoparticles, agglomerated or not, with a size of less than 100 nm, preferably less than 60 nm, and even more preferably less than 40 nm. Such nanoparticles can be obtained by various methods.
Selon une méthode on mélange des sels, des complexes ou bien des alcoolates (tels que des éthanolates) des cations d’éléments métalliques entrant dans la composition de la phase recherchée pour obtenir une répartition parfaitement homogénéisée à l’échelle atomique, et on utilise des polymères pour figer cette distribution des molécules, ions ou complexes comportant l’élément métallique. Ces polymères sont ensuite éliminés par traitement thermique et laissent uniquement les constituants inorganiques à l’échelle atomique pour lesquels une simple calcination à relativement basse température permettra d’obtenir la phase recherchée, cristallisée, à l’échelle de nanoparticules. On peut ajouter des matériaux organiques susceptibles de dégazer fortement pendant les phases de traitement thermique, ce qui contribuera à l’obtention de d’agglomérats mésoporeux. Un exemple pour une telle synthèse est la « méthode de Pechini », un procédé de type sol-gel dans lequel les cations de la phase recherchée (dans notre cas par exemple Nb, Ti et autres) sont complexés par une molécule organique (telle que l’acide citrique ou l’EDTA (éthylène diamine tétra acétate)) et introduites dans une matrice polymère (par exemple un polyalcool tel que le polyéthylène glycol ou l’alcool polyvinylique). On obtient ainsi une distribution très homogène de cations complexés et dilués. Par la suite, le polymère et la molécule organique complexante sont éliminés par pyrolyse, conduisant à la formation des oxydes inorganiques visés. Une calcination à environ 700 °C permet d’obtenir des nanoparticules cristallisées. Le procédé permet d’ajuster la taille des particules qui diminue lors la concentration des cations dans la matrice polymère diminue.According to one method, salts, complexes or alcoholates (such as ethanolates) of the cations of metallic elements entering into the composition of the desired phase are mixed together to obtain a perfectly homogenized distribution on the atomic scale, and polymers to freeze this distribution of molecules, ions or complexes comprising the metallic element. These polymers are then eliminated by heat treatment and leave only the inorganic constituents at the atomic scale for which a simple calcination at relatively low temperature will make it possible to obtain the desired phase, crystallized, at the scale of nanoparticles. It is possible to add organic materials liable to strongly degas during the heat treatment phases, which will contribute to obtaining mesoporous agglomerates. An example for such a synthesis is the “Pechini method”, a sol-gel type process in which the cations of the desired phase (in our case for example Nb, Ti and others) are complexed with an organic molecule (such as citric acid or EDTA (ethylene diamine tetra acetate)) and introduced into a polymer matrix (for example a polyalcohol such as polyethylene glycol or polyvinyl alcohol). A very homogeneous distribution of complexed and dilute cations is thus obtained. Subsequently, the polymer and the complexing organic molecule are eliminated by pyrolysis, leading to the formation of the targeted inorganic oxides. Calcination at approximately 700°C makes it possible to obtain crystallized nanoparticles. The process makes it possible to adjust the size of the particles which decreases when the concentration of cations in the polymer matrix decreases.
A titre d’exemple, pour obtenir une suspension de particules de matériau de cathode, on peut synthétiser une poudre de LiMn2C>4 constituée d’amas de nanoparticules en utilisant la méthode de Pechini décrite dans l'article « Synthesis and Electrochemical Studies of Spinel Phase LiMn2O4 Cathode Materials Prepared by the Pechini Process », W. Liu, G.C. Farrington, F. Chaput, B. Dunn, J. Electrochem. Soc., vol.143, No.3, 1996. Après l'étape de calcination à 600°C, la poudre contient des amas dont la taille est typiquement comprise entre 50 nm et 100 nm ; la taille des nanoparticules primaires, qui sont cristallisées, se situe typiquement entre 10 nm et 30 nm en fonction des conditions de synthèse. By way of example, to obtain a suspension of particles of cathode material, it is possible to synthesize a LiMn 2 C>4 powder consisting of clusters of nanoparticles using the Pechini method described in the article “Synthesis and Electrochemical Studies of Spinel Phase LiMn 2 O4 Cathode Materials Prepared by the Pechini Process”, W. Liu, GC Farrington, F. Chaput, B. Dunn, J. Electrochem. Soc., vol.143, No.3, 1996. After the calcination step at 600° C., the powder contains clusters whose size is typically between 50 nm and 100 nm; the size of the primary nanoparticles, which are crystallized, is typically between 10 nm and 30 nm depending on the synthesis conditions.
Un matériau d’anode particulièrement préféré est le LiwTii.xGexNb2-yM1yO7-zM3 z dans lequel M1 est au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn, et dans lequel 0 < w < 5, 0 < x < 1 , 0 < y < 2 et z < 0,3. M3 est au moins un halogène. On préfère 0 < x < 1 et encore plus 0,1 < x < 1 car la présence de germanium dans la composition de l’anode réduit la résistance de la batterie et augmente sa puissance. On constate que les propriétés d’oxydo-réduction du germanium permettent d’obtenir dans ce composé un comportement à l’insertion du lithium quasi identique à celui du composé analogue sans germanium. Même si le potentiel d’oxydo-réduction des ions Ge4+/Ge3+ est légèrement plus faible que celui du couple Ti4+/Ti3+, ce potentiel reste suffisamment élevé pour éviter le dépôt (plating) du lithium à la recharge et permet d’accroître la densité d’énergie de l’anode. A particularly preferred anode material is Li w Tii.xGe x Nb2-yM 1 yO7-zM 3 z wherein M 1 is at least one member selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti , Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn, and wherein 0 < w < 5, 0 < x < 1, 0 < y < 2 and z < 0.3. M 3 is at least one halogen. We prefer 0<x<1 and even more 0.1<x<1 because the presence of germanium in the composition of the anode reduces the resistance of the battery and increases its power. It can be seen that the oxidation-reduction properties of germanium make it possible to obtain in this compound a behavior on insertion of lithium almost identical to that of the analogous compound without germanium. Even if the oxidation-reduction potential of the Ge 4+ /Ge 3+ ions is slightly lower than that of the Ti 4+ /Ti 3+ pair, this potential remains high enough to avoid the deposition (plating) of lithium at the charging and increases the energy density of the anode.
D’autres matériaux actifs d’anode A sont particulièrement préférés ; ce sont les matériaux de type Tii.xGexNb2-yM1 yO7-zM2 z , LiwTii.xGexNb2-yM1 yO7-zM2 z , Tii.xLaxNb2-yM1 yO7-zM2 z , LiwTii.xLaxNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii.xCuxNb2-yM1yO7-zM2 z , LiwTii-xCuxNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii.xCexNb2- yM1yC>7-z M2 z, LiwTii-xCexNb2-yM1yO7-zM2 z dans lesquels Other anode active materials A are particularly preferred; these are the Tii type materials. x Ge x Nb2- y M 1 y O7-zM 2 z , Li w Tii. x Ge x Nb2- y M 1 y O7-zM 2 z , Tii. x La x Nb2- y M 1 y O7-zM 2 z , Li w Tii.xLa x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii.xCu x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii-xCu x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii. x Ce x Nb2- yM 1 yC>7-z M 2 z , Li w Tii-xCe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z in which
■ M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn, ■ M 1 and M 2 are each at least one element chosen from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn,
■ M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, ■ M 1 and M 2 can be identical or different from each other,
■ et dans lesquels 0 < w < 5 et 0 < x < 1 et 0 < y < 2 et z < 0,3. ■ and in which 0 < w < 5 and 0 < x < 1 and 0 < y < 2 and z < 0.3.
Pour chacun de ces matériaux actifs d’anode, on préfère 0 < x < 1 et encore plus 0,1 < x < 1 car la présence de germanium, de cérium, de lanthane ou de cuivre dans la composition de l’anode améliore les performances en cyclage de la batterie. For each of these active anode materials, 0 < x < 1 and even more 0.1 < x < 1 are preferred because the presence of germanium, cerium, lanthanum or copper in the composition of the anode improves the battery cycling performance.
Concernant le LiwTii-xCuxNb2-yM1yO7-zM2 z , on préfère 0 < x < 1 et encore plus 0,1 < x < 1 car la présence de cuivre dans ce matériau actif d’anode permet d’augmenter la puissance de la batterie. Concerning the Li w Tii-xCu x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , we prefer 0 < x < 1 and even more 0.1 < x < 1 because the presence of copper in this active anode material makes it possible to increase battery power.
Une batterie ayant une anode mésoporeuse faite à partir de ce matériau peut être rechargée très rapidement, et présente une très bonne densité d’énergie volumique, supérieure à celle obtenue avec une anode en Li4Ti50i2 selon l’état de la technique. A battery with a mesoporous anode made from this material can be recharged very quickly, and has a very good volumetric energy density, higher than that obtained with a Li4Ti50i2 anode according to the state of the art.
Selon l'invention le matériau de la cathode est avantageusement sélectionné dans le groupe formé par : LiCoPC ; LiMm.sNio.sC ; LiFexCoi.xPO4 (où 0 < x < 1) ; LiNii/xCoi/yMni/zC>2 avec x+y+z = 10 ; Lii,2Nio,i3Mno,54Coo,i302 ; LiMm.sNio.s-xXxC où X est sélectionné parmi Al, Fe, Cr, Co, Rh, Nd, Sc, Y, Lu, La, Ce, Pr, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb et où 0 < x < 0,1 ; LiNio.sCoo.isAlo.osC^ ; U2MPO4F (avec M = Fe, Co, Ni ou un mélange de ces différents éléments); UMPO4F (avec M = V, Fe, Ti ou un mélange de ces différents éléments); UMSO4F (avec M = Fe, Co, Ni, Mn, Zn, Mg), LiNii/xMni/yCoi/zO2 avec x+y+z = 10 ; UCOO2. According to the invention, the cathode material is advantageously selected from the group formed by: LiCoPC; LiMm.sNio.sC; LiFe x Coi. x PO4 (where 0 < x <1);LiNii/xCoi/yMni/zC>2 with x+y+z = 10; Lii,2Nio,i3Mno,54Coo,i302; LiMm.sNio.s-xXxC where X is selected from Al, Fe, Cr, Co, Rh, Nd, Sc, Y, Lu, La, Ce, Pr, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and where 0 < x <0.1;LiNio.sCoo.isAlo.osC^; U2MPO4F (with M = Fe, Co, Ni or a mixture of these different elements); UMPO4F (with M = V, Fe, Ti or a mixture of these different elements); UMSO4F (with M = Fe, Co, Ni, Mn, Zn, Mg), LiNii/ x Mni/ y Coi/ z O2 with x+y+z = 10; UCOO2.
Pour les cathodes de forte capacité on préfère particulièrement les LiNii/xMni/yCoi/zO2 avec x+y+z = 10, le LiNio.sCoo.isAlo.osC^, et le UCOO2. For high capacity cathodes, LiNii/ x Mni/ y Coi/ z O2 with x+y+z=10, LiNio.sCoo.isAlo.osC^, and UCOO2 are particularly preferred.
A titre d’exemple, on peut utiliser le LiNixMnyCozO2 (connu aussi sous le sigle « NMC »), de préférence avec x + y + z = 1 , et encore plus préférentiellement avec x:y:z = 4:3:3 (matériau connu sous le sigle « NMC433 »). By way of example, LiNi x Mn y Co z O2 (also known by the acronym "NMC") can be used, preferably with x + y + z = 1, and even more preferably with x:y:z = 4:3:3 (material known as "NMC433").
3. Dépôt des couches et leur consolidation 3. Deposition of the layers and their consolidation
D’une manière générale, on dépose une couche d’une suspension de nanoparticules sur un substrat, par toute technique appropriée, et en particulier par un procédé sélectionné dans le groupe formé par : l’électrophorèse, l’extrusion, un procédé d’impression et de préférence l’impression par jet d’encre ou l’impression flexographique, un procédé d’enduction et de préférence à la racle, au rouleau, au rideau, par trempage, ou à travers une filière en forme de fente. La suspension se présente typiquement sous la forme d’une encre, c’est-à-dire d’un liquide assez fluide, mais peut aussi avoir une consistance pâteuse. La technique de dépôt et la conduite du procédé de dépôt doit être compatible avec la viscosité de la suspension, et vice versa. In general, a layer of a suspension of nanoparticles is deposited on a substrate, by any appropriate technique, and in particular by a selected process in the group formed by: electrophoresis, extrusion, a printing process and preferably inkjet printing or flexographic printing, a coating process and preferably with a doctor blade, a roller , curtain, dipping, or through a slot-shaped die. The suspension is typically in the form of an ink, that is to say a fairly fluid liquid, but can also have a pasty consistency. The deposition technique and the conduct of the deposition process must be compatible with the viscosity of the suspension, and vice versa.
La couche déposée sera ensuite séchée. La couche est ensuite consolidée pour obtenir la structure mésoporeuse céramique recherchée. Cette consolidation sera décrite ci- dessous. Elle comprend un traitement thermique et éventuellement thermomécanique, typiquement une thermocompression. Au cours de ce traitement thermomécanique la couche d’électrode sera débarrassée de tout constituant et résidu organique (tel que la phase liquide de la suspension des nanoparticules et d’éventuels produits tensioactifs) : elle devient une couche inorganique (céramique). La consolidation d’une plaque est de préférence effectuée après sa séparation de son substrat intermédiaire, car ce dernier risquerait d’être dégradé lors de ce traitement. The deposited layer will then be dried. The layer is then consolidated to obtain the desired ceramic mesoporous structure. This consolidation will be described below. It includes a thermal and possibly thermomechanical treatment, typically a thermocompression. During this thermomechanical treatment, the electrode layer will be freed of any constituent and organic residue (such as the liquid phase of the suspension of nanoparticles and any surfactants): it becomes an inorganic layer (ceramic). The consolidation of a plate is preferably carried out after its separation from its intermediate substrate, because the latter would risk being degraded during this treatment.
Le dépôt des couches, leur séchage et leur consolidation sont susceptibles de soulever certains problèmes qui seront discutés maintenant. Ces problèmes sont liés en partie au fait que lors de la consolidation des couches il se produit un retreint qui génère des contraintes internes. The deposition of the layers, their drying and their consolidation are likely to raise certain problems which will be discussed now. These problems are partly related to the fact that during the consolidation of the layers a shrinkage occurs which generates internal stresses.
Selon un premier mode de réalisation on dépose les couches d’électrodes chacune sur un substrat capable d’agir comme collecteur de courant électrique. On préfère à ce titre un feuillard métallique (i.e. une feuille de métal laminée). On peut déposer sur ses deux faces des couches comportant la suspension de nanoparticules ou d’agglomérats de nanoparticules, par les techniques de dépôt indiquées ci-dessus. According to a first embodiment, the layers of electrodes are each deposited on a substrate capable of acting as an electric current collector. In this regard, a metal strip (i.e. a laminated sheet of metal) is preferred. Layers comprising the suspension of nanoparticles or agglomerates of nanoparticles can be deposited on both sides, by the deposition techniques indicated above.
Lorsque l’on cherche à augmenter l’épaisseur des électrodes, on observe que le retreint généré par la consolidation peut conduire soit à la fissuration des couches, soit à une contrainte de cisaillement au niveau de l’interface entre le substrat (qui est de dimension fixe) et l’électrode céramique. Lors que cette contrainte de cisaillement dépasse un seuil, la couche se décroche de son substrat. When one seeks to increase the thickness of the electrodes, one observes that the shrinkage generated by the consolidation can lead either to the cracking of the layers, or to a shearing stress at the level of the interface between the substrate (which is fixed dimension) and the ceramic electrode. When this shear stress exceeds a threshold, the layer detaches from its substrate.
Pour éviter ce phénomène, on préfère réaliser l’accroissement de l’épaisseur des électrodes par une succession d’opération de dépôt - frittage. Cette première variante du premier mode de réalisation du dépôt des couches donne un bon résultat, mais est peu productif. Alternativement, dans une deuxième variante, on dépose des couches d’une épaisseur plus importante, sur les deux faces d’un substrat perforé. Les perforations doivent avoir un diamètre suffisant pour que les deux couches du recto et du verso soient en contact au niveau des perforations. Ainsi, lors de la consolidation, les nanoparticules et/ou agglomérats de nanoparticules de matériau d’électrode en contact à travers les perforations dans le substrat se soudent, formant un point d’accroche (point de soudure entre les dépôts des deux faces). Cela limite la perte d’adhérence des couches sur le substrat pendant les étapes de consolidation. To avoid this phenomenon, it is preferred to increase the thickness of the electrodes by a succession of deposition-sintering operation. This first variant of the first embodiment of depositing the layers gives a good result, but is not very productive. Alternatively, in a second variant, layers of greater thickness are deposited on both sides of a perforated substrate. The perforations must have a sufficient diameter so that the two layers of the front and the back are in contact at the level of the perforations. Thus, during consolidation, the nanoparticles and/or agglomerates of nanoparticles of electrode material in contact through the perforations in the substrate weld together, forming a point of attachment (weld point between the deposits on the two faces). This limits the loss of adhesion of the layers on the substrate during the consolidation steps.
Selon un deuxième mode de réalisation, on ne dépose pas les couches d’électrode sur un substrat capable d’agir comme collecteur de courant électrique, mais sur un substrat intermédiaire, temporaire. En particulier, on peut déposer, à partir de suspensions plus concentrées en nanoparticules et/ou agglomérats de nanoparticules (i.e. moins fluides, de préférence pâteuses), des couches assez épaisses (appelées « green sheet » en anglais). On dépose ces couches épaisses par exemple par un procédé d’enduction, de référence à la racle (technique connue en anglais sous le terme « doctor blade » ou « tape casting »). Ledit substrat intermédiaire peut être une feuille polymère, par exemple du poly(téréphtalate d'éthylène), abrégé PET. Lors du séchage, ces couches ne se fissurent pas. Pour la consolidation par traitement thermique (et de préférence déjà pour leur séchage) elles peuvent être détachées de leur substrat ; on obtient ainsi des plaques d’électrodes dites « crues » qui après traitement thermique de calcination et frittage partiel donneront des plaques céramiques mésoporeuses et autoportées. According to a second embodiment, the electrode layers are not deposited on a substrate capable of acting as an electric current collector, but on an intermediate, temporary substrate. In particular, it is possible to deposit, from suspensions that are more concentrated in nanoparticles and/or agglomerates of nanoparticles (i.e. less fluid, preferably pasty), fairly thick layers (called “green sheets”). These thick layers are deposited, for example, by a coating process, referred to as a doctor blade (technique known in English as “doctor blade” or “tape casting”). Said intermediate substrate can be a polymer sheet, for example poly(ethylene terephthalate), abbreviated PET. When drying, these layers do not crack. For consolidation by heat treatment (and preferably already for their drying) they can be detached from their substrate; so-called “raw” electrode plates are thus obtained which, after calcination heat treatment and partial sintering, will give mesoporous and self-supporting ceramic plates.
On réalise ensuite un empilement de trois couches, à savoir deux plaques d’électrodes de même polarité séparées par une feuille métallique capable d’agir comme colleteur de courant électrique. Cet empilement est ensuite assemblé par un traitement thermomécanique, comprenant un pressage et un traitement thermique, de préférence simultanément. Dans une variante, pour faciliter le collage entre les plaques de céramique et la feuille métallique, l’interface peut être revêtue d’une couche permettant un collage conducteur électronique. Cette couche peut être une couche sol-gel (de préférence de type permettant à obtenir après traitement thermique la composition chimique des électrodes) possiblement chargée de particules d’un matériau conducteur électronique, qui fera une soudure céramique entre l’électrode mésoporeuse et la feuille métallique. Cette couche peut également être constituée d’une couche mince de nanoparticules d’électrode non frittés, ou d’une couche mince d’une colle conductrice (chargée de particules de graphite par exemple), ou encore une couche métallique d’un métal à bas point de fusion. Ladite feuille métallique est de préférence une feuille laminée, i.e. obtenue par laminage. Le laminage peut éventuellement être suivi par un recuit final, qui peut être un recuit d’adoucissement (total ou partiel) ou de recristallisation, selon la terminologie de la métallurgie. On peut aussi utiliser une feuille déposée par voie électrochimique, par exemple une feuille de cuivre électrodéposée ou une feuille de nickel électrodéposée.A stack of three layers is then produced, namely two plates of electrodes of the same polarity separated by a metal sheet capable of acting as an electric current collector. This stack is then assembled by thermomechanical treatment, comprising pressing and heat treatment, preferably simultaneously. In a variant, to facilitate bonding between the ceramic plates and the metal sheet, the interface can be coated with a layer allowing electronic conductive bonding. This layer can be a sol-gel layer (preferably of the type allowing the chemical composition of the electrodes to be obtained after heat treatment) possibly loaded with particles of an electronically conductive material, which will make a ceramic weld between the mesoporous electrode and the sheet metallic. This layer can also consist of a thin layer of non-sintered electrode nanoparticles, or of a thin layer of a conductive glue (loaded with graphite particles for example), or even a metallic layer of a metal with low melting point. Said metal sheet is preferably a rolled sheet, ie obtained by rolling. Rolling may optionally be followed by final annealing, which may be softening (total or partial) or recrystallization annealing, depending on the terminology of metallurgy. It is also possible to use a sheet deposited by electrochemical means, for example an electrodeposited copper sheet or an electrodeposited nickel sheet.
En tous les cas, on obtient une électrode céramique, sans liant organique, mésoporeuse, située de part et d’autre d’un substrat métallique servant comme collecteur de courant électrodique. In all cases, a ceramic electrode is obtained, without organic binder, mesoporous, located on either side of a metallic substrate serving as an electrode current collector.
Dans une variante du procédé selon l’invention, on réalise des batteries sans utiliser des collecteurs de courant métalliques. Cela est possible dans le cas les plaques d’électrodes sont suffisamment conductrices électroniquement, pour assurer le passage des électrons sur les extrémités des électrodes. Une conductivité électronique suffisante peut être observée soit dans le cas où le matériau d’électrode présente intrinsèquement une très forte conductivité électronique (dans le cas de matériaux tels que UCOO2 ou Nb WsOss), soit dans le cas où la surface mésoporeuse a été revêtue d’une couche conductrice électronique. In a variant of the process according to the invention, batteries are produced without using metallic current collectors. This is possible in the case the electrode plates are sufficiently electronically conductive, to ensure the passage of electrons on the ends of the electrodes. Sufficient electronic conductivity can be observed either in the case where the electrode material intrinsically presents a very high electronic conductivity (in the case of materials such as UCOO2 or Nb WsOss), or in the case where the mesoporous surface has been coated with an electronic conductive layer.
4. Dépôt de la couche mince d’un conducteur électronique 4. Deposition of the thin layer of an electronic conductor
Cette étape est optionnelle. En effet, en fonction de la puissance recherchée de l’électrode (qui influe aussi sur son épaisseur) et de la conductivité des matériaux d’électrode il peut être nécessaire ou non de réaliser ce traitement pour améliorer la conductivité de l’électrode. A titre d’exemple, le TNO (Titanium Niobium Oxide) est en règle générale moins conducteur que le NWO (Niobium Tungstène Oxide), et c’est donc une couche d’anode en NWO qui aura, à épaisseur égale, davantage besoin de ce dépôt d’une couche mince conducteur électronique. De même, pour un même matériau, les couches d’électrode plus épaisses auront davantage besoin de ce dépôt d’une couche mince conducteur électronique que les couches d’électrode minces. This step is optional. Indeed, depending on the desired power of the electrode (which also influences its thickness) and the conductivity of the electrode materials, it may or may not be necessary to carry out this treatment to improve the conductivity of the electrode. For example, TNO (Titanium Niobium Oxide) is generally less conductive than NWO (Niobium Tungsten Oxide), and it is therefore an NWO anode layer which will, at equal thickness, need more this deposition of a thin layer of electronic conductor. Similarly, for the same material, the thicker electrode layers will need this deposition of a thin electronic conductor layer more than the thin electrode layers.
Les matériaux d’anodes (plus particulièrement les oxydes de titane, les oxydes de niobium et les oxydes mixtes de titane et de niobium, et en particulier le TiNb2O? abrégé TNO) et de cathodes utilisées dans le cadre de la présente invention sont de mauvais conducteurs électroniques. Une batterie qui les contient présenterait donc une résistance série importante, ce qui implique une perte ohmique d’énergie, et cela d’autant plus que les électrodes sont épaisses. Selon l’invention on dépose une nanocouche d'un matériau électroniquement conducteur dans le réseau de mésoporosité, i.e. à l’intérieur des pores, pour garantir une bonne conductivité électronique des électrodes. Ce besoin d’accroitre la conductivité est d’autant plus important que les dépôts sont épais. Il est ainsi possible d’avoir des électrodes épaisses, dotées d’une forte puissance, qui présentent une faible résistance série. The anode materials (more particularly titanium oxides, niobium oxides and mixed oxides of titanium and niobium, and in particular TiNb2O? abbreviated TNO) and cathodes used in the context of the present invention are of poor electronic conductors. A battery which contains them would therefore present a high series resistance, which implies an ohmic loss of energy, and this all the more so as the electrodes are thick. According to the invention, a nanolayer of an electronically conductive material is deposited in the mesoporosity network, ie inside the pores, to ensure good electronic conductivity of the electrodes. This need to increase the conductivity is all the more important as the deposits are thick. It is thus possible to have thick electrodes, endowed with high power, which have a low series resistance.
Pour remédier à ce problème, selon une caractéristique optionnelle de la présente invention, on dépose, sur et à l’intérieur des pores de ladite couche poreuse de matériau anodique, un revêtement d’un matériau conducteur électronique. To remedy this problem, according to an optional feature of the present invention, a coating of an electronically conductive material is deposited on and inside the pores of said porous layer of anodic material.
En effet, comme expliqué ci-dessus, lors de la consolidation de la couche de matériau d’anode, les nanoparticules de matériau anodique se « soudent » naturellement entre elles pour générer une structure poreuse, rigide, tridimensionnelle, sans liant organique ; cette couche poreuse, de préférence mésoporeuse, est parfaitement bien adaptée à l’application d’un traitement de surface, par voie gazeuse ou liquide, qui rentre dans la profondeur de la structure poreuse ouverte de la couche. Indeed, as explained above, during the consolidation of the layer of anode material, the nanoparticles of anodic material naturally “weld” together to generate a porous, rigid, three-dimensional structure, without organic binder; this porous layer, preferably mesoporous, is perfectly suited to the application of a surface treatment, by gaseous or liquid means, which goes into the depth of the open porous structure of the layer.
De manière très avantageuse ce dépôt, s’il est effectué, est réalisé par une technique permettant un revêtement enrobant (appelé aussi « dépôt conforme »), i.e. un dépôt qui reproduit fidèlement la topographie atomique du substrat sur lequel il est appliqué, et qui rentre profondément dans le réseau de porosité ouverte de la couche. Ledit matériau conducteur électronique peut être du carbone. Very advantageously, this deposit, if it is carried out, is carried out by a technique allowing an encapsulating coating (also called "conformal deposit"), i.e. a deposit which faithfully reproduces the atomic topography of the substrate on which it is applied, and which enters deeply into the layer's open porosity network. Said electronic conductive material may be carbon.
Les techniques de ALD (Atomic Layer Deposition) ou de CSD (Chemical Solution Deposition), connues en tant que telles, peuvent convenir. Elles peuvent être mises en œuvre sur les électrodes après fabrication, avant et/ou après le dépôt des particules de séparateur et avant et/ou après l’assemblage de la cellule. La technique de dépôt par ALD se fait couche par couche, par un procédé cyclique, et permet de réaliser un revêtement enrobant qui reproduit fidèlement la topographie du substrat ; le revêtement tapisse la totalité de la surface des électrodes. Ce revêtement enrobant présente typiquement une épaisseur comprise entre 1 nm et 5 nm. The ALD (Atomic Layer Deposition) or CSD (Chemical Solution Deposition) techniques, known as such, may be suitable. They can be implemented on the electrodes after manufacture, before and/or after deposition of separator particles and before and/or after assembly of the cell. The ALD deposition technique is done layer by layer, by a cyclic process, and makes it possible to produce an encapsulating coating which faithfully reproduces the topography of the substrate; the coating lines the entire surface of the electrodes. This conformal coating typically has a thickness of between 1 nm and 5 nm.
Le dépôt par ALD est réalisé à une température typiquement comprise entre 100 °C et 300 °C. Il est important que les couches soient exemptes de matières organiques : elles ne doivent pas comporter de liant organique, les éventuels résidus de ligands stabilisants utilisés pour stabiliser la suspension doivent avoir été éliminés par purification de la suspension et/ou lors du traitement thermique de la couche après séchage. En effet, à la température du dépôt ALD, les matériaux organiques formant le liant organique (par exemple les polymères contenus dans les électrodes réalisées par tape casting d’encre) risquent de se décomposer et vont polluer le réacteur ALD. Par ailleurs, la présence de polymères résiduels au contact des particules de matière active d’électrode peut empêcher le revêtement ALD d’enrober la totalité des surfaces de particules, ce qui nuit à son efficacité. ALD deposition is carried out at a temperature typically between 100°C and 300°C. It is important that the layers be free of organic matter: they must not contain any organic binder, any residues of stabilizing ligands used to stabilize the suspension must have been eliminated by purification of the suspension and/or during the heat treatment of the layer after drying. Indeed, at the temperature of the ALD deposition, the organic materials forming the organic binder (for example the polymers contained in the electrodes made by tape casting ink) may decompose and pollute the ALD reactor. Furthermore, the presence of residual polymers in contact with the particles of active electrode material can prevent the ALD coating from coating all of the surfaces of the particles, which is detrimental to its effectiveness.
La technique de dépôt par CSD permet également de réaliser un revêtement enrobant avec un précurseur du matériau conducteur électronique qui reproduit fidèlement la topographie du substrat ; il tapisse la totalité de la surface des électrodes. Ce revêtement enrobant présente typiquement une épaisseur inférieure à 5 nm, de préférence comprise entre 1 nm et 5 nm. Il doit ensuite être transformé en matériau conducteur électronique. Dans le cas d’un précurseur de carbone cela sera fait par pyrolyse, de préférence sous gaz inerte (tel quel l’azote). The CSD deposition technique also makes it possible to produce an encapsulating coating with a precursor of the electronically conductive material which faithfully reproduces the topography of the substrate; it lines the entire surface of the electrodes. This conformal coating typically has a thickness of less than 5 nm, preferably between 1 nm and 5 nm. It must then be transformed into electronic conductive material. In the case of a carbon precursor, this will be done by pyrolysis, preferably under inert gas (such as nitrogen).
Une couche d’un matériau conducteur électronique peut être formée, de manière très avantageuse, par immersion dans une phase liquide comportant un précurseur dudit matériau conducteur électronique suivie de la transformation dudit précurseur d’un matériau conducteur électronique en matériau conducteur électronique par traitement thermique. Ce procédé est simple, rapide, facile à mettre en œuvre et est moins onéreux que la technique de dépôt de couches atomiques ALD. Avantageusement, ledit précurseur du matériau conducteur électronique est choisi parmi des sels organiques contenant un ou plusieurs éléments métalliques capable, après traitement thermique tel qu’une calcination, de préférence réalisé sous air ou sous atmosphère oxydante, de former un oxyde conducteur électronique. Ces éléments métalliques, de préférence ces cations métalliques, peuvent avantageusement être choisis parmi l’étain, le zinc, l’indium, le gallium, ou un mélange de deux ou trois ou quatre de ces éléments. Les sels organiques sont de préférence choisis parmi un alcoolate d’au moins un cation métallique capable, après traitement thermique tel qu’une calcination, de préférence réalisé sous air ou sous atmosphère oxydante, de former un oxyde conducteur électronique, un oxalate d’au moins un cation métallique capable, après traitement thermique tel qu’une calcination, de préférence réalisé sous air ou sous atmosphère oxydante, de former un oxyde conducteur électronique et un acétate d’au moins un cation métallique capable, après traitement thermique tel qu’une calcination, de préférence réalisé sous air ou sous atmosphère oxydante, de former un oxyde conducteur électronique. A layer of an electronically conductive material can be formed, very advantageously, by immersion in a liquid phase comprising a precursor of said electronically conductive material followed by the transformation of said precursor from an electronically conductive material into an electronically conductive material by heat treatment. This method is simple, fast, easy to implement and is less expensive than the ALD atomic layer deposition technique. Advantageously, said precursor of the electronically conductive material is chosen from organic salts containing one or more metallic elements capable, after heat treatment such as calcination, preferably carried out in air or under an oxidizing atmosphere, of forming an electronically conductive oxide. These metallic elements, preferably these metallic cations, can advantageously be chosen from tin, zinc, indium, gallium, or a mixture of two or three or four of these elements. The organic salts are preferably chosen from an alkoxide of at least one metal cation capable, after heat treatment such as calcination, preferably carried out in air or under an oxidizing atmosphere, of forming an electronic conductive oxide, an oxalate of au at least one metal cation capable, after heat treatment such as calcination, preferably carried out in air or under an oxidizing atmosphere, of forming an electronically conductive oxide and an acetate of at least one metal cation capable, after heat treatment such as calcination, preferably carried out in air or under an oxidizing atmosphere, to form an electronically conductive oxide.
Avantageusement, ledit matériau conducteur électronique peut-être un matériau oxyde conducteur électronique, de préférence choisi parmi : l’oxyde d’étain (SnC>2), l’oxyde de zinc (ZnO), l’oxyde d’indium (ln2O3), l’oxyde de gallium (Ga2O3), un mélange de deux de ces oxydes tel que l’oxyde d’indium-étain correspondant à un mélange d’oxyde d’indium (ln2O3) et d’oxyde d’étain (SnC>2), un mélange de trois de ces oxydes ou un mélange de quatre de ces oxydes, les oxydes dopés à base d’oxyde de zinc, le dopage étant de préférence au gallium (Ga) et/ou à l’aluminium (Al) et/ou au bore (B) et/ou au béryllium (Be), et/ou au chrome (Cr) et/ou au cérium (Ce) et/ou au titane (Ti) et/ou à l’indium (In) et/ou au cobalt (Co) et/ou au nickel (Ni) et/ou au cuivre (Cu) et/ou au manganèse (Mn) et/ou au germanium (Ge), les oxydes dopés à base d’oxyde d’indium, le dopage étant de préférence à l’étain (Sn), et/ou au gallium (Ga) et/ou au chrome (Cr) et/ou au cérium (Ce) et/ou au titane (Ti) et/ou à l’indium (In) et/ou au cobalt (Co) et/ou au nickel (Ni) et/ou au cuivre (Cu) et/ou au manganèse (Mn) et/ou au germanium (Ge), les oxydes d’étain dopés, le dopage étant de préférence à l’arsenic (As) et/ou au fluoré (F) et/ou à l’azote (N) et/ou au niobium (Nb) et/ou au phosphore (P) et/ou à l’antimoine (Sb) et/ou à l’aluminium (Al) et/ou au titane (Ti), et/ou au gallium (Ga) et/ou au chrome (Cr) et/ou au cérium (Ce) et/ou à l’indium (In) et/ou au cobalt (Co) et/ou au nickel (Ni) et/ou au cuivre (Cu) et/ou au manganèse (Mn) et/ou au germanium (Ge). Advantageously, said electronically conductive material may be an electronically conductive oxide material, preferably chosen from: tin oxide (SnC>2), zinc oxide (ZnO), indium oxide (ln 2 O 3 ), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), a mixture of two of these oxides such as indium tin oxide corresponding to a mixture of indium oxide (ln 2 O 3 ) and tin oxide (SnC>2), a mixture of three of these oxides or a mixture of four of these oxides, the doped oxides containing zinc oxide, the doping preferably being gallium (Ga) and/or aluminum (Al) and/or boron (B) and/or beryllium (Be), and/or chromium (Cr ) and/or cerium (Ce) and/or titanium (Ti) and/or indium (In) and/or cobalt (Co) and/or nickel (Ni) and/or copper (Cu ) and/or manganese (Mn) and/or germanium (Ge), the doped oxides based on indium oxide, the doping preferably being tin (Sn), and/or gallium (Ga ) and/or chromium (Cr) and/or cerium (Ce) and/or titanium (Ti) and/or indium (In) and/or cobalt (Co) and/or nickel (Ni ) and/or with copper (Cu) and/or with manganese (Mn) and/or with germanium (Ge), the doped tin oxides, the doping being preferably with arsenic (As) and/or with fluorinated (F) and/or nitrogen (N) and/or niobium (Nb) and/or phosphorus (P) and/or antimony (Sb) e t/or aluminum (Al) and/or titanium (Ti), and/or gallium (Ga) and/or chromium (Cr) and/or cerium (Ce) and/or indium (In) and/or cobalt (Co) and/or nickel (Ni) and/or copper (Cu) and/or manganese (Mn) and/or germanium (Ge).
Pour obtenir une couche d’un matériau conducteur électronique, de préférence d’un matériau oxyde conducteur électronique, à partir d’un alcoolate, d’un oxalate ou d’un acétate, la couche poreuse peut être immergée dans une solution riche du précurseur du matériau conducteur électronique souhaité. Ensuite l’électrode est séchée et soumise à un traitement thermique, de préférence sous air ou sous atmosphère oxydante, à une température suffisante pour pyrolyser le précurseur du matériau conducteur électronique d’intérêt. Ainsi se forme un revêtement du matériau conducteur électronique, de préférence un revêtement d’un matériau oxyde conducteur électronique, plus préférentiellement en SnO2, en ZnO, en ln2O3, Ga2Os, ou en oxyde d’indium-étain, sur toute la surface interne de l’électrode, parfaitement répartie. To obtain a layer of an electronically conductive material, preferably an electronically conductive oxide material, from an alkoxide, an oxalate or an acetate, the porous layer can be immersed in a rich solution of the precursor of the desired electronic conductive material. Then the electrode is dried and subjected to a heat treatment, preferably in air or in an oxidizing atmosphere, at a temperature sufficient to pyrolyze the precursor of the electronic conductor material of interest. Thus, a coating of electronically conductive material is formed, preferably a coating of an electronically conductive oxide material, more preferably of SnO2, ZnO, ln 2 O3, Ga2Os, or indium-tin oxide, over the entire surface. inside the electrode, perfectly distributed.
La présence d’un revêtement conducteur électronique sous forme d’oxyde à la place d’un revêtement carboné sur et à l’intérieur des pores de la couche poreuse confère à l’électrode de meilleures performances électrochimiques à haute température, et permet d’accroître significativement la stabilité de l’électrode. Le fait d’utiliser un revêtement conducteur électronique sous forme d’oxyde à la place d’un revêtement carboné confère, entre autres, une meilleure conduction électronique à l’électrode finale. En effet, la présence de cette couche d’oxyde conducteur électronique sur et à l’intérieur des pores de la couche ou plaque poreuse, notamment du fait que le revêtement conducteur électronique soit sous forme d’oxyde, permet d’améliorer les propriétés finales de l’électrode, notamment d’améliorer la tenue en tension de l’électrode, sa tenue en température lors du frittage, d’améliorer la stabilité électrochimique de l’électrode, notamment lorsqu’elle sera en contact d’un électrolyte liquide, de diminuer la résistance de polarisation de l’électrode, et ce même lorsque l’électrode est épaisse. Il est particulièrement avantageux d’utiliser un revêtement conducteur électronique sous forme d’oxyde, notamment de type de type I^Ch, SnC>2, ZnO, Ga2Û3 ou un mélange d’un ou plusieurs de ces oxydes, sur et à l’intérieur des pores de la couche poreuse d’un matériau actif d’électrode, lorsque l’électrode est épaisse, et/ou que les matériaux actifs de la couche poreuse sont trop résistifs. The presence of an electronically conductive coating in the form of an oxide instead of a carbonaceous coating on and inside the pores of the porous layer gives the electrode better electrochemical performance at high temperature, and makes it possible to significantly increase the stability of the electrode. The fact of using an electronically conductive coating in the form of an oxide instead of a carbonaceous coating confers, among other things, better electronic conduction at the final electrode. Indeed, the presence of this electronically conductive oxide layer on and inside the pores of the porous layer or plate, in particular because the conductive coating electron or in oxide form, makes it possible to improve the final properties of the electrode, in particular to improve the voltage resistance of the electrode, its temperature resistance during sintering, to improve the electrochemical stability of the electrode, in particular when it is in contact with a liquid electrolyte, to reduce the polarization resistance of the electrode, and this even when the electrode is thick. It is particularly advantageous to use an electronically conductive coating in the form of an oxide, in particular of the I^Ch, SnC>2, ZnO, Ga2O3 type or a mixture of one or more of these oxides, on and at the inside the pores of the porous layer of an active electrode material, when the electrode is thick, and/or when the active materials of the porous layer are too resistive.
L’électrode selon l’invention est poreuse, de préférence mésoporeuse et sa surface spécifique est importante. L’accroissement de la surface spécifique de l’électrode multiplie les surfaces d’échange, et par voie de conséquence, la puissance de la batterie, mais elle accélère également les réactions parasites. La présence de ces revêtements conducteurs électroniques sous forme d’oxyde sur et à l’intérieur des pores de la couche poreuse vont permettre de bloquer ces réactions parasites. The electrode according to the invention is porous, preferably mesoporous, and its specific surface is large. The increase in the specific surface of the electrode multiplies the exchange surfaces, and consequently, the power of the battery, but it also accelerates the parasitic reactions. The presence of these electronically conductive coatings in the form of oxide on and inside the pores of the porous layer will make it possible to block these parasitic reactions.
Par ailleurs, du fait de la très grande surface spécifique, l’effet de ces revêtements conducteurs électroniques sous forme d’oxyde sur la conductivité électronique de l’électrode sera beaucoup plus prononcé que dans le cas d’une électrode conventionnelle, où la surface spécifique est moindre, et ce, même si les revêtements conducteurs déposés ont une faible épaisseur. Ces revêtements conducteurs électroniques, déposés sur et à l’intérieur des pores de la couche poreuse confère à l’électrode une excellente conductivité électronique. Moreover, due to the very large specific surface, the effect of these electronically conductive coatings in oxide form on the electronic conductivity of the electrode will be much more pronounced than in the case of a conventional electrode, where the surface specific is lower, even if the conductive coatings deposited have a small thickness. These electronically conductive coatings, deposited on and inside the pores of the porous layer, give the electrode excellent electronic conductivity.
C’est essentiellement la combinaison synergique d’une couche ou plaque poreuse élaborée à partir d’un matériau actif d’électrode, et d’un revêtement conducteur électronique sous forme d’oxyde disposé sur et à l’intérieur des pores de ladite couche ou plaque poreuse qui permet d’améliorer les propriétés finales de l’électrode, notamment d’obtenir des électrodes épaisses sans accroitre la résistance interne de l’électrode. It is essentially the synergistic combination of a porous layer or plate made from an active electrode material, and an electronically conductive coating in the form of an oxide placed on and inside the pores of said layer. or porous plate which makes it possible to improve the final properties of the electrode, in particular to obtain thick electrodes without increasing the internal resistance of the electrode.
Par ailleurs, le revêtement conducteur électronique sous forme d’oxyde sur et à l’intérieur des pores d’une couche poreuse est plus facile et moins cher à réaliser qu’un revêtement carboné. En effet, dans le cas des revêtements en matériau conducteur électronique sous forme d’oxyde, la transformation du précurseur du matériau conducteur électronique en revêtement conducteur électronique n’a pas besoin d’être réalisée sous atmosphère inerte contrairement au revêtement carboné. Moreover, the electronic conductive coating in the form of oxide on and inside the pores of a porous layer is easier and less expensive to achieve than a carbonaceous coating. Indeed, in the case of coatings in electronically conductive material in oxide form, the transformation of the precursor of the electronically conductive material into an electronically conductive coating does not need to be carried out under an inert atmosphere, unlike the carbonaceous coating.
Dans cette variante de dépôt d’une nanocouche de matériau conducteur électronique, il est préférable que le diamètre D50 des particules primaires de matériau d’électrode soit d’au moins 10 nm afin d’éviter que la couche conductrice ne bouche la porosité ouverte de la couche d’électrode. In this variant of depositing a nanolayer of electronically conductive material, it is preferable that the diameter D50 of the primary particles of electrode material be of at least 10 nm in order to prevent the conductive layer from blocking the open porosity of the electrode layer.
Dans le cas du dépôt de plaques d’électrodes autoportées, ce traitement peut être réalisé sur la plaque céramique mésoporeuse et avant le « collage » sur les conducteurs de courant. In the case of the deposition of self-supporting electrode plates, this treatment can be carried out on the mesoporous ceramic plate and before the "bonding" on the current conductors.
5. Sélection des matériaux des couches 5. Selection of layer materials
Pour obtenir des batteries de haute performance il faut optimiser leur capacité massique et la tension. Cela peut entraîner des contraintes dans le choix des différents matériaux, qui doivent être compatibles entre eux et stables dans les conditions de potentiel dans lequel travaille la batterie. To obtain high performance batteries it is necessary to optimize their mass capacity and voltage. This can lead to constraints in the choice of the different materials, which must be compatible with each other and stable under the potential conditions in which the battery operates.
Dans ce chapitre on exposera principalement les matériaux de cathode. Les matériaux d’anode ont été présentés ci-dessus ; il s’agit des formulations d’oxydes contenant du niobium. Ces matériaux d’anode présentent des capacités massiques supérieures à 160 mAh/g et des tensions d’insertion du lithium supérieures à 0,5V/Li, permettant de réaliser des recharges rapides sans risques de plating de lithium. Par ailleurs, ces matériaux d’anodes utilisés selon l’invention ne présentent pas de variations importantes de volume pendant les étapes de charge et décharge, de telle sorte qu’ils peuvent être utilisés dans des cellules entièrement solides. In this chapter we will mainly expose the cathode materials. The anode materials have been presented above; these are formulations of oxides containing niobium. These anode materials have mass capacities greater than 160 mAh/g and lithium insertion voltages greater than 0.5V/Li, allowing rapid recharging without the risk of lithium plating. Furthermore, these anode materials used according to the invention do not exhibit significant variations in volume during the charging and discharging steps, so that they can be used in entirely solid cells.
En ce qui concerne les matériaux de cathodes, dans le procédé de fabrication d’une batterie selon l’invention, tel que présenté dans la partie « Objet de l’invention » ci- dessus, dans un premier mode de réalisation, lorsque que la cathode poreuse a une capacité massique > 120 mAh/g et fonctionne à une tension < 4,5V, ledit matériau actif de cathode C est avantageusement sélectionné dans le groupe formé par : LiCoO2, LiNii/xCoi/yMni/zO2 avec x+y+z = 10, Lii,2Nio,i3Mno,54Coo,i302, LiNio,8Coo,i5Alo,o502, Li2FePO4F, UMSO4F avec M = Fe, Co, Ni, Mn, Zn, Mg ou un mélange de ces différents éléments, lesdits premier et second substrats sont sélectionnés dans le groupe formé par les métaux Cu, Al, Aciers inoxydables, Mo, W, Ta, Ti, Cr, Ni et les alliages constitués d’un moins un de ces éléments, sachant que si la couche de cathode est une plaque de cathode déposée initialement sur un substrat intermédiaire et traitée thermiquement après avoir été séparée de son substrat initial et avant sa mise en contact avec un substrat capable d’agir comme collecteur de courant électrique, ladite plaque peut être plaquée sur un substrat à bas point de fusion, tel qu’une feuille d’aluminium, et le procédé est caractérisé plus particulièrement de la manière suivante : As regards the cathode materials, in the process for manufacturing a battery according to the invention, as presented in the “Object of the invention” section above, in a first embodiment, when the porous cathode has a mass capacity > 120 mAh/g and operates at a voltage < 4.5V, said cathode active material C is advantageously selected from the group formed by: LiCoO2, LiNii/ x Coi/ y Mni/ z O2 with x +y+z = 10, Lii,2Nio,i3Mno,54Coo,i302, LiNio,8Coo,i5Alo,o502, Li2FePO4F, UMSO4F with M = Fe, Co, Ni, Mn, Zn, Mg or a mixture of these different elements, said first and second substrates are selected from the group formed by metals Cu, Al, stainless steels, Mo, W, Ta, Ti, Cr, Ni and alloys consisting of at least one of these elements, knowing that if the layer cathode plate is a cathode plate initially deposited on an intermediate substrate and heat-treated after being separated from its initial substrate and before s brought into contact with a substrate capable of acting as an electric current collector, said plate can be plated on a low melting point substrate, such as aluminum foil, and the method is characterized more particularly as follows:
- on imprègne lors d’une étape (i), entre l’étape (f) et l’étape (g) la structure obtenue après l’étape (f), ou, après l’étape (h) ladite batterie, par un électrolyte électrochimiquement stable jusqu’à 4,5V au moins, sélectionné dans le groupe formé par : - during a step (i), between step (f) and step (g), the structure obtained after step (f) is impregnated, or, after step (h) said battery, by an electrochemically stable electrolyte up to at least 4.5V, selected from the group formed by:
• un électrolyte composé d’au moins un solvant aprotique et d’au moins un sel de lithium ; • an electrolyte composed of at least one aprotic solvent and at least one lithium salt;
• un électrolyte composé d’au moins un liquide ionique et d’au moins un sel de lithium ; • an electrolyte composed of at least one ionic liquid and at least one lithium salt;
• un mélange d’au moins un solvant aprotique et d’au moins un liquide ionique et d’au moins un sel de lithium ; • a mixture of at least one aprotic solvent and at least one ionic liquid and at least one lithium salt;
• un polymère rendu conducteur ionique par l’ajout d’au moins un sel de lithium ; et• a polymer made ionically conductive by the addition of at least one lithium salt; and
• un polymère rendu conducteur ionique par l’ajout d’un électrolyte liquide, soit dans la phase polymère, soit dans la structure mésoporeuse, et encore plus préférentiellement, par un électrolyte sélectionné dans le groupe formé par : • a polymer rendered ionically conductive by the addition of a liquid electrolyte, either in the polymer phase or in the mesoporous structure, and even more preferably, by an electrolyte selected from the group formed by:
• un électrolyte comprenant du N-butyl-N-méthyl-pyrrolidinium 4,5-dicyano-2-(trifluoro méthyl) imidazole (Pyr^TDI) et contenant des sels de lithium de type LiTDI, • an electrolyte comprising N-butyl-N-methyl-pyrrolidinium 4,5-dicyano-2-(trifluoro methyl) imidazole (Pyr^TDI) and containing lithium salts of the LiTDI type,
• un électrolyte comprenant du 1-Méthyl-3-propylimidazolium 4,5-dicyano-2-(trifluoro- méthyljimidazolide (PMIM-TDI) et du 4,5-dicyano-2-(trifluoro-méthyl)imidazolide de lithium (LiTDI). • an electrolyte comprising 1-Methyl-3-propylimidazolium 4,5-dicyano-2-(trifluoro-methyljimidazolide (PMIM-TDI) and lithium 4,5-dicyano-2-(trifluoro-methyl)imidazolide (LiTDI) .
L’utilisation de colles conductrices ou de couches conductrices électroniquement déposées par un procédé de sol-gel peuvent protéger le substrat métallique contre la corrosion, et dans ce cas on peut utiliser des premiers et/ou deuxième substrats en métal moins noble que les métaux qui viennent d’être énoncés, et notamment l’aluminium et le cuivre. The use of conductive adhesives or conductive layers electronically deposited by a sol-gel process can protect the metallic substrate against corrosion, and in this case it is possible to use first and/or second substrates made of a metal less noble than the metals which just mentioned, and in particular aluminum and copper.
Les RTIL utilisés sont une association d’un groupement cationique avec un groupement anionique. Les cations sont préférentiellement sélectionnés dans le groupe formé par les composés cationiques et familles de composés cationiques suivants : imidazolium (tel que le cation 1-pentyl-3-methylimidazolium, abrégé PMIM), ammonium, pyrrolidinum, et / ou les anions sont préférentiellement sélectionnés dans le groupe formé par les composés anioniques et familles de composés anioniques suivants bis(trifluorométhanesulfonyl)imide, bis(trifluorosulfonyl)imide, trifluorométhylsulfonate, tetra-fluoroborate, hexafluorophosphate, 4,5-dicyano-2-(trifluorométhyl)imidazolium (abrégé TDI), bis(oxlate) borate (abrégé BOB), oxalyldifluoroborate (abrégé DFOB), bis(mandelato)borate (abrégé BMB), bis(perfluoropinacolato) borate (abrégé BPFPB). The RTILs used are an association of a cationic group with an anionic group. The cations are preferentially selected from the group formed by the following cationic compounds and families of cationic compounds: imidazolium (such as the 1-pentyl-3-methylimidazolium cation, abbreviated PMIM), ammonium, pyrrolidinum, and/or the anions are preferentially selected from the group formed by the following anionic compounds and families of anionic compounds bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, bis(trifluorosulfonyl)imide, trifluoromethylsulfonate, tetra-fluoroborate, hexafluorophosphate, 4,5-dicyano-2-(trifluoromethyl)imidazolium (abbreviated TDI), bis(oxlate) borate (abbreviated BOB), oxalyldifluoroborate (abbreviated DFOB), bis(mandelato)borate (abbreviated BMB), bis (perfluoropinacolato) borate (abbreviated BPFPB).
Comme cela sera expliqué en plus grand détail dans le chapitre suivant, dans un deuxième mode de réalisation de ce procédé, on imprègne à l’issue de l’étape (h) lors d’une étape (i) ladite batterie, par un électrolyte, de préférence par une phase porteuse d’ions de lithium, sélectionné dans le groupe formé par : As will be explained in greater detail in the following chapter, in a second embodiment of this method, at the end of step (h) during a step (i), said battery is impregnated with an electrolyte , preferably by a phase carrying lithium ions, selected from the group formed by:
• un électrolyte composé d’au moins un solvant aprotique et d’au moins un sel de lithium ; • an electrolyte composed of at least one aprotic solvent and at least one lithium salt;
• un électrolyte composé d’au moins un liquide ionique et d’au moins un sel de lithium ; • an electrolyte composed of at least one ionic liquid and at least one lithium salt;
• un mélange d’au moins un solvant aprotique et d’au moins un liquide ionique et d’au moins un sel de lithium ; • a mixture of at least one aprotic solvent and at least one ionic liquid and at least one lithium salt;
• un polymère rendu conducteur ionique par l’ajout d’au moins un sel de lithium ; et• a polymer made ionically conductive by the addition of at least one lithium salt; and
• un polymère rendu conducteur ionique par l’ajout d’un électrolyte liquide, soit dans la phase polymère, soit dans la structure mésoporeuse, et encore plus préférentiellement, par un électrolyte sélectionné dans le groupe formé par : • a polymer rendered ionically conductive by the addition of a liquid electrolyte, either in the polymer phase or in the mesoporous structure, and even more preferably, by an electrolyte selected from the group formed by:
• un électrolyte comprenant du N-butyl-N-méthyl-pyrrolidinium 4,5-dicyano-2-(trifluoro méthyl) imidazole (Pyr^TFSI) et contenant des sels de lithium de type LiTDI, • an electrolyte comprising N-butyl-N-methyl-pyrrolidinium 4,5-dicyano-2-(trifluoro methyl) imidazole (Pyr^TFSI) and containing lithium salts of the LiTDI type,
• un électrolyte comprenant du 1-Méthyl-3-propylimidazolium 4,5-dicyano-2-(trifluoro- méthyl)imidazolide (PMIM-TFSI) et du 4,5-dicyano-2-(trifluoro-méthyl)imidazolide de lithium (LiTDI). • an electrolyte comprising 1-Methyl-3-propylimidazolium 4,5-dicyano-2-(trifluoro-methyl)imidazolide (PMIM-TFSI) and lithium 4,5-dicyano-2-(trifluoro-methyl)imidazolide ( LiTDI).
En ce qui concerne le matériau inorganique E, il doit être un isolant électronique. On peut utiliser des oxydes de type AI2O3, ZrÛ2, SiÛ2, ou encore des phosphates ou des borates. Des nanoparticules de ce matériau E forment la couche de séparateur électrolytique mésoporeuse. As for the inorganic material E, it must be an electronic insulator. It is possible to use oxides of the Al2O3, ZrO2, SiO2 type, or alternatively phosphates or borates. Nanoparticles of this material E form the mesoporous electrolyte separator layer.
6. Imprégnation par un électrolyte liquide pour former une batterie 6. Impregnation with a liquid electrolyte to form a battery
Après l’assemblage de l’empilement des couches destinées à former la batterie, suivi de la thermocompression, l’assemblage ainsi obtenu doit être imprégné d’un électrolyte pour former une batterie. Ledit électrolyte doit comporter une phase porteuse d’ions de lithium , comme cela a été décrit dans la section précédente. L’imprégnation peut être faite à différentes étapes du procédé. L’imprégnation, surtout avec un électrolyte liquide, peut se faire notamment sur les cellules empilées et thermocompressées, c’est-à-dire une fois la batterie terminée. L’imprégnation, surtout avec un électrolyte liquide, peut aussi se faire après encapsulation, à partir des bords de découpe. After assembly of the stack of layers intended to form the battery, followed by thermocompression, the assembly thus obtained must be impregnated with an electrolyte to form a battery. Said electrolyte must include a phase carrying lithium ions, as described in the previous section. The impregnation can be done at different stages of the process. Impregnation, especially with a liquid electrolyte, can be especially on stacked and thermocompressed cells, that is to say once the battery is finished. Impregnation, especially with a liquid electrolyte, can also be done after encapsulation, starting from the cut edges.
La phase porteuse d’ions de lithium peut être un liquide organique contenant des sels de lithium. La phase porteuse d’ions de lithium peut aussi être un liquide ionique (ou un mélange de plusieurs liquides ioniques) contenant des sels de lithium, possiblement dilué avec un solvant organique ou avec un mélange de solvants organiques contenant un sel de lithium pouvant être différent de celui ou du mélange dissous dans le liquide ionique. La phase porteuse d’ions de lithium peut comprendre un mélange de plusieurs liquides ioniques. On peut utiliser des liquides ioniques qui sont liquides à la température ambiante (RTIL = Room Temperature Ionic Liquids). The lithium ion carrier phase may be an organic liquid containing lithium salts. The lithium ion carrier phase can also be an ionic liquid (or a mixture of several ionic liquids) containing lithium salts, possibly diluted with an organic solvent or with a mixture of organic solvents containing a lithium salt which may be different of that or of the mixture dissolved in the ionic liquid. The lithium ion carrier phase may comprise a mixture of several ionic liquids. It is possible to use ionic liquids which are liquid at room temperature (RTIL=Room Temperature Ionic Liquids).
D’une manière générale, les cations de ce liquide ionique sont préférentiellement sélectionnés dans le groupe formé par les composés cationiques et familles de composés cationiques suivants : imidazolium (tel que le cation 1-pentyl-3-methylimidazolium, abrégé PMIM), ammonium, pyrrolidinum, et / ou les anions de ce liquide ionique sont préférentiellement sélectionnés dans le groupe formé par les composés anioniques et familles de composés anioniques suivants bis(trifluorométhanesulfonyl)imide, bis(trifluorosulfonyl)imide, trifluorométhylsulfonate, tetra-fluoroborate, hexafluorophosphate, 4,5-dicyano-2-(trifluorométhyl)imidazolium (abrégé TDI), bis(oxlate) borate (abrégé BOB), oxalyldifluoroborate (abrégé DFOB), bis(mandelato)borate (abrégé BMB), bis(perfluoropinacolato) borate (abrégé BPFPB). In general, the cations of this ionic liquid are preferentially selected from the group formed by the following cationic compounds and families of cationic compounds: imidazolium (such as the 1-pentyl-3-methylimidazolium cation, abbreviated PMIM), ammonium, pyrrolidinum, and/or the anions of this ionic liquid are preferentially selected from the group formed by the following anionic compounds and families of anionic compounds bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, bis(trifluorosulfonyl)imide, trifluoromethylsulfonate, tetra-fluoroborate, hexafluorophosphate, 4, 5-dicyano-2-(trifluoromethyl)imidazolium (abbreviated TDI), bis(oxlate) borate (abbreviated BOB), oxalyldifluoroborate (abbreviated DFOB), bis(mandelato)borate (abbreviated BMB), bis(perfluoropinacolato) borate (abbreviated BPFPB) .
La composition de l’électrolyte d’imprégnation et sa concentration en sels de lithium peuvent être ajustées pour répondre aux besoins de tenue en température, de puissance etc. de l’application visée de la batterie. The composition of the impregnation electrolyte and its concentration of lithium salts can be adjusted to meet the needs of temperature resistance, power, etc. of the intended application of the battery.
Ainsi, et à titre d’exemple, pour une batterie destinée à fonctionner à haute température on préfère les électrolytes à base de RTIL de type Pyr^FSI ou Pyr^TFSI avec du LiFSI et/ou LiTFSI et/ou LiTDI comme sel de lithium. Des solvants résistants à haute température comme par exemple le GBL peuvent être ajoutés à des teneurs inférieures à 50%. Thus, and by way of example, for a battery intended to operate at high temperature, RTIL-based electrolytes of the Pyr^FSI or Pyr^TFSI type with LiFSI and/or LiTFSI and/or LiTDI as lithium salt are preferred. . Solvents resistant to high temperature such as for example GBL can be added at contents lower than 50%.
Des additifs peuvent également être ajoutés à ces formulations afin de réduire les réactions parasites à la surface des électrodes et/ou à la surface des collecteurs de courant. Avantageusement, la phase porteuse d’ions de lithium comprend au moins un liquide ionique, de préférence au moins un liquide ionique à température ambiante, tel que du PYR14TFSI, éventuellement dilué dans au moins un solvant, tel que la y-butyrolactone.Additives can also be added to these formulations in order to reduce parasitic reactions at the surface of the electrodes and/or at the surface of the current collectors. Advantageously, the lithium ion carrier phase comprises at least one ionic liquid, preferably at least one ionic liquid at room temperature, such as PYR14TFSI, optionally diluted in at least one solvent, such as γ-butyrolactone.
La phase porteuse d’ions de lithium peut contenir par exemple du LiPFe ou du UBF4 dissout dans un solvant aprotique, ou un liquide ionique contenant des sels de lithium. On peut aussi utiliser des liquides ioniques, éventuellement dissouts dans un solvant approprié, et/ou mélangés avec des électrolytes organiques. On peut par exemple mélanger à 50 % massiques le LiPFe dissous dans EC/DMC avec un liquide ionique contenant des sels de lithium de type LiTFSI YRuTFSI (rapport molaire 1:9). On peut également réaliser des mélanges de liquides ioniques pouvant fonctionner à basse température comme par exemple le mélange LiTFSI YR FSI YRuTFSI (rapport molaire 2 :9 :9). The lithium ion carrier phase may contain, for example, LiPFe or UBF4 dissolved in an aprotic solvent, or an ionic liquid containing lithium salts. It is also possible to use ionic liquids, optionally dissolved in an appropriate solvent, and/or mixed with organic electrolytes. It is possible, for example, to mix at 50% by mass the LiPFe dissolved in EC/DMC with an ionic liquid containing lithium salts of the LiTFSI YRuTFSI type (molar ratio 1:9). It is also possible to produce mixtures of ionic liquids which can operate at low temperature, such as for example the mixture LiTFSI YR FSI YRuTFSI (molar ratio 2:9:9).
EC est l'abréviation courante de carbonate d’éthylène (n° CAS : 96-49-1). DMC est l’abréviation courante de carbonate de diméthyle (n° CAS : 616-38-6). LITFSI est l’abréviation courante de lithium bis-trifluorométhanesulfonimide (n° CAS : 90076-65-6). PYR13FSI est l’abréviation courante de N-Propyl-N-Méthylpyrrolidinium bis(fluorosulfonyl) imide. PYR14TFSI est l’abréviation courante de 1-butyl-1-méthylpyrrolidinium bis(trifluoro- méthanesulfonyl)imide. EC is the common abbreviation for ethylene carbonate (CAS no: 96-49-1). DMC is the common abbreviation for dimethyl carbonate (CAS no: 616-38-6). LITFSI is the common abbreviation for lithium bis-trifluoromethanesulfonimide (CAS no: 90076-65-6). PYR13FSI is the common abbreviation for N-Propyl-N-Methylpyrrolidinium bis(fluorosulfonyl)imide. PYR14TFSI is the common abbreviation for 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoro-methanesulfonyl)imide.
La phase porteuse d’ions de lithium peut être une solution électrolytique comprenant un liquide ionique. Le liquide ionique est constitué d’un cation associé à un anion ; cet anion et ce cation sont choisis de manière à ce que le liquide ionique soit à l’état liquide dans la plage de température de fonctionnement de l’accumulateur. Le liquide ionique présente l’avantage d’avoir une stabilité thermique élevée, une inflammabilité réduite, d’être non volatile, d’être peu toxique et une bonne mouillabilité des céramiques, qui sont des matières pouvant être employées comme matériaux d’électrode. De manière surprenante, le pourcentage massique de liquide ionique contenu dans la phase porteuse d’ions de lithium peut être supérieur à 50%, de préférence supérieure à 60% et encore plus préférentiellement supérieure à 70%, et ce contrairement aux batteries à ions de lithium de l’art antérieur où le pourcentage massique de liquide ionique dans l’électrolyte doit être inférieur à 50% massique pour que la batterie conserve une capacité et une tension élevées en décharge ainsi qu’une bonne stabilité en cyclage. Au-delà de 50% massique la capacité de la batterie de l’art antérieur se dégrade, comme indiqué dans la demande US 2010 / 209 783 A1. Ceci peut être explicité par la présence de liants polymériques au sein de l’électrolyte de la batterie de l’art antérieur ; ces liants sont faiblement mouillés par le liquide ionique induisant une mauvaise conduction ionique au sein de la phase porteuse d’ions de lithium provoquant ainsi une dégradation de la capacité de la batterie.The phase carrying lithium ions can be an electrolytic solution comprising an ionic liquid. The ionic liquid consists of a cation associated with an anion; this anion and this cation are chosen so that the ionic liquid is in the liquid state in the operating temperature range of the accumulator. The ionic liquid has the advantage of having high thermal stability, reduced flammability, of being non-volatile, of being of low toxicity and good wettability of ceramics, which are materials that can be used as electrode materials. Surprisingly, the mass percentage of ionic liquid contained in the lithium ion carrier phase can be greater than 50%, preferably greater than 60% and even more preferably greater than 70%, and this unlike lithium ion batteries. lithium of the prior art where the percentage by mass of ionic liquid in the electrolyte must be less than 50% by mass so that the battery retains a capacity and a high voltage in discharge as well as good stability in cycling. Beyond 50% by mass, the capacity of the battery of the prior art deteriorates, as indicated in application US 2010/209 783 A1. This can be explained by the presence of polymeric binders within the electrolyte of the battery of the prior art; these binders are slightly wetted by the ionic liquid inducing poor ionic conduction within the phase carrying lithium ions, thus causing a degradation of the capacity of the battery.
On peut utiliser du PYRuTFSI et du LiTFSI ; ces abréviations seront définies ci-dessous.PYRuTFSI and LiTFSI can be used; these abbreviations will be defined below.
Avantageusement, le liquide ionique peut être un cation de type 1-Ethyl-3- methylimidazolium (appelé aussi EMI+ ou EMIM+) et/ou le n-propyl-n-méthylpyrrolidinium (appelé aussi PYRn*) et/ou le n-butyl-n-méthylpyrrolidinium (appelé aussi PYRi4+), associés à des anions de type bis (trifluorométhanesulfonyl)imide (TFSI") et/ou bis(fluorosulfonyl)imide (FSI-). Dans un mode de réalisation avantageux l’électrolyte liquide contient au moins 50 % en masse de liquide ionique, qui est de préférence du PyruTFSI. Advantageously, the ionic liquid can be a cation of the 1-Ethyl-3-methylimidazolium type (also called EMI + or EMIM + ) and/or n-propyl-n-methylpyrrolidinium (also called PYRn*) and/or n- butyl-n-methylpyrrolidinium (also called PYRi4 + ), combined with anions of the bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (TFSI") and/or bis(fluorosulfonyl)imide (FSI-) type. In an advantageous embodiment, the liquid electrolyte contains at least 50% by weight of ionic liquid, which is preferably PyruTFSI.
Parmi les autres cations qui peuvent être utilisés dans ces liquides ioniques on cite encore le PMIM+ . Parmi les autres anions qui peuvent être utilisés dans ces liquides ioniques on cite encore le BF4; le PFe’, le BOB; le DFOB; le BMB; le BPFPB'. Pour former un électrolyte, un sel de lithium tel que du LiTFSI peut être dissous dans le liquide ionique qui sert de solvant ou dans un solvant tel que la y-butyrolactone. La y - butyrolactone empêche la cristallisation des liquides ioniques induisant une plage de fonctionnement en température de ces derniers plus importante, notamment à basse température. Avantageusement, lorsque la cathode poreuse comprend un phosphate lithié, la phase porteuse d’ions de lithium comprend un électrolyte solide tel que du LiBFL ou un mélange de UBH4 avec un ou plusieurs composés choisis parmi LiCI, Lil et LiBr. Le UBH4 est un bon conducteur du lithium et possède un point de fusion bas facilitant son imprégnation dans les électrodes poreuses, notamment par trempage. Du fait de ses propriétés extrêmement réductrices, le LiBFL est peu utilisé comme électrolyte. L’emploi d’un film protecteur en surface de l’électrode poreuse en phosphate lithié empêche la réduction des matériaux de cathode par le LiBFL et évite sa dégradation. Among the other cations which can be used in these ionic liquids, mention is also made of PMIM + . Among the other anions which can be used in these ionic liquids, mention is also made of BF4; PFe', BOB; the DFOB; BMB; the BPFPB'. To form an electrolyte, a lithium salt such as LiTFSI can be dissolved in the ionic liquid which serves as the solvent or in a solvent such as γ-butyrolactone. The γ-butyrolactone prevents the crystallization of ionic liquids inducing a greater temperature operating range of the latter, in particular at low temperature. Advantageously, when the porous cathode comprises a lithium phosphate, the phase carrying lithium ions comprises a solid electrolyte such as LiBFL or a mixture of UBH4 with one or more compounds chosen from LiCl, Lil and LiBr. UBH4 is a good conductor of lithium and has a low melting point facilitating its impregnation in porous electrodes, in particular by dipping. Due to its extremely reducing properties, LiBFL is rarely used as an electrolyte. The use of a protective film on the surface of the porous lithium phosphate electrode prevents the reduction of the cathode materials by the LiBFL and avoids its degradation.
Comme il vient d’être expliqué, on peut utiliser un certain nombre de liquides ioniques dont principalement le PyruTFSI-LiTFSI et le EMIM-TFSI. Ce dernier est plus fluide que le Pyru-TFSI. La principale différence entre ces deux liquides ioniques se situe au niveau de la plage de potentiel de stabilité dans laquelle ils peuvent être utilisés. Le EMIM-TFSI est stable de 1 V jusqu’à 4,7 V alors que le Pyru-TFSI est stable de 0 V jusqu’à 5,0 V ; pour cette raison on préfère le Pyru-TFSI, malgré sa fluidité qui est moindre. As just explained, a certain number of ionic liquids can be used, mainly PyruTFSI-LiTFSI and EMIM-TFSI. The latter is more fluid than Pyru-TFSI. The main difference between these two ionic liquids is in the range of stability potential in which they can be used. The EMIM-TFSI is stable from 1 V up to 4.7 V while the Pyru-TFSI is stable from 0 V up to 5.0 V; for this reason, Pyru-TFSI is preferred, despite its lower fluidity.
Cependant les sels de lithium de type TFSI tendent à corroder les substrats. Pour cette raison, parmi les liquides ioniques et sels associés, on préfère le LiTDI à la place ou en complément du LiTFSI comme groupement anionique de liquide ionique et/ou sels de lithium, lorsque la cathode fonctionne à plus de 4,3 V. On observe que le simple ajout de sels de type LiTDI aux sels de type LiTFSI diminue déjà l’effet corrosif du liquide ionique par rapport aux susbtrats métalliques. Le LiTFSI contient du soufre qui tend à corroder les substrats surtout lors de fonctionnements à haute température. Le LiTDI ne corrode pas les substrats. Le TFSI peut être utilisé avec des substrats revêtus d’une couche protectrice, ou avec des substrats en un matériau qui résiste mieux à l’action corrosive du TFSI ; de tels substrats sont le Mo, W, Cr, Ti, Ta. However, TFSI-type lithium salts tend to corrode substrates. For this reason, among the ionic liquids and associated salts, LiTDI is preferred instead or in complement of the LiTFSI as an anionic group of ionic liquid and/or lithium salts, when the cathode operates at more than 4.3 V. It is observed that the simple addition of LiTDI type salts to the LiTFSI type salts already reduces the corrosive effect ionic liquid compared to metallic substrates. LiTFSI contains sulfur which tends to corrode substrates especially during high temperature operation. LiTDI does not corrode substrates. TFSI can be used with substrates coated with a protective layer, or with substrates made of a material which is more resistant to the corrosive action of TFSI; such substrates are Mo, W, Cr, Ti, Ta.
D’une manière générale, il est avantageux que la phase porteuse d’ions de lithium comprenne entre 10% et 40% massique d’un solvant, de préférence entre 30 et 40% massique d’un solvant, et encore plus préférentiellement entre 30 et 40% massique de y- butyrolactone, de glyme ou de PC. In general, it is advantageous for the phase bearing lithium ions to comprise between 10% and 40% by weight of a solvent, preferably between 30 and 40% by weight of a solvent, and even more preferably between 30 and 40% by mass of γ-butyrolactone, glyme or PC.
Dans un mode de réalisation avantageux la phase porteuse d’ions de lithium comprend plus de 50% massique d’au moins un liquide ionique et moins de 50% de solvant, ce qui limite les risques de sécurité et d’inflammation en cas de dysfonctionnement des batteries comprenant une telle phase porteuse d’ions de lithium. In an advantageous embodiment, the phase carrying lithium ions comprises more than 50% by mass of at least one ionic liquid and less than 50% of solvent, which limits the risks of safety and of inflammation in the event of a malfunction. batteries comprising such a carrier phase of lithium ions.
Avantageusement la phase porteuse d’ions de lithium comprend : un sel de lithium ou d’un mélange de sels de lithium choisis dans le groupe formé : LiTFSI, LiFSI, LiBOB, LiDFOB, LiBMB, LiBPFPB et LiTDI ; la concentration en sel de lithium est de préférence comprise entre 0,5 mol/L et 4 mol/L ; la demanderesse a trouvé que l’utilisation d’électrolyte assez concentré en sels de lithium favorise les performances en recharge très rapide ; un solvant ou d’un mélange de solvant à une teneur massique inférieure à 40 % et de préférence inférieure ou égale à 20 % ; Ce solvant peut être par exemple le y- butyrolactone, le PC, les glymes ; Advantageously, the lithium ion carrier phase comprises: a lithium salt or a mixture of lithium salts chosen from the group formed: LiTFSI, LiFSI, LiBOB, LiDFOB, LiBMB, LiBPFPB and LiTDI; the lithium salt concentration is preferably between 0.5 mol/L and 4 mol/L; the applicant has found that the use of an electrolyte with a high concentration of lithium salts promotes very fast charging performance; a solvent or a solvent mixture with a mass content of less than 40% and preferably less than or equal to 20%; This solvent can be, for example, γ-butyrolactone, PC, glymes;
- optionnellement des additifs comme le VC pour stabiliser les interfaces et limiter les réactions parasites. - optionally additives such as VC to stabilize the interfaces and limit parasitic reactions.
Dans un autre mode de réalisation, la phase porteuse d’ions de lithium comprend : In another embodiment, the lithium ion carrier phase comprises:
- entre 30 et 40% massique d’un solvant, de préférence entre 30 et 40% massique de y-butyrolactone, ou PC ou glyme, et plus de 50% massique d’au moins un liquide ionique, de préférence plus de 50% massique de PYRuTFSI. A titre d’exemple, la phase porteuse d’ions de lithium peut être une solution électrolytique comprenant du PYR14TFSI, du LiTFSI et de la y-butyrolactone, de préférence une solution électrolytique comprenant environ 90% massique de PYR14TFSI, 0,7 M de LiTFSI, 2% de LiTDI et 10% massique de y-butyrolactone. - between 30 and 40% by mass of a solvent, preferably between 30 and 40% by mass of y-butyrolactone, or PC or glyme, and more than 50% by mass of at least one ionic liquid, preferably more than 50% mass of PYRuTFSI. By way of example, the phase carrying lithium ions can be an electrolytic solution comprising PYR14TFSI, LiTFSI and γ-butyrolactone, preferably an electrolytic solution comprising approximately 90% by mass of PYR14TFSI, 0.7 M of LiTFSI, 2% LiTDI and 10% y-butyrolactone by mass.
7. Description de modes de réalisation avantageux 7. Description of advantageous embodiments
Nous décrivons ici plusieurs modes de réalisation de la batterie selon l'invention. We describe here several embodiments of the battery according to the invention.
D’une manière générale, dans le cadre de la présente invention les électrodes peuvent être mésoporeuses. Elles peuvent être épaisses (typiquement entre une dizaine de micromètres à une centaine de micromètres), et plus particulièrement leur épaisseur peut être supérieure à 10 pm. Elles peuvent être préparées par dépôt d’agglomérats de nanoparticules. Ces agglomérats peuvent avoir des tailles polydisperses et/ou deux tailles différentes (granulométrie bimodale). A l’état fini ces électrodes ne comportent pas de liant (elles peuvent contenir des liants au moment du dépôt de la suspension ou pâte de nanoparticules, mais ces liants seront éliminés lors du traitement thermique de calcination). Elles sont partiellement frittées, c’est-à-dire que les nanoparticules primaires, suite au traitement de consolidation thermomécanique, se soudent entre elles par le phénomène de « necking » (connu de l’homme du métier, voir par exemple « Particulate Composites » de R. M. German, Springer International Publishing 2016, p. 26/27) pour former un réseau tridimensionnel mésoporeux continu. In general, in the context of the present invention, the electrodes can be mesoporous. They can be thick (typically between ten micrometers to a hundred micrometers), and more particularly their thickness can be greater than 10 μm. They can be prepared by deposition of agglomerates of nanoparticles. These agglomerates can have polydisperse sizes and/or two different sizes (bimodal particle size). In the finished state, these electrodes do not contain any binder (they may contain binders when depositing the suspension or paste of nanoparticles, but these binders will be eliminated during the heat treatment of calcination). They are partially sintered, that is to say that the primary nanoparticles, following the thermomechanical consolidation treatment, are welded together by the phenomenon of "necking" (known to those skilled in the art, see for example "Particulate Composites by R. M. German, Springer International Publishing 2016, p. 26/27) to form a continuous mesoporous three-dimensional network.
L’anode poreuse selon l’invention présente avantageusement une mésoporosité inférieure à 50% et de préférence comprise entre 20 % et 45 %, et de préférence comprise entre 25 % et moins de 40% ; une valeur d’environ 35 % convient. On dépose avantageusement une nanocouche d’un conducteur électronique (par exemple du carbone) sur la surface mésoporeuse. The porous anode according to the invention advantageously has a mesoporosity of less than 50% and preferably between 20% and 45%, and preferably between 25% and less than 40%; a value of about 35% is adequate. Advantageously, a nanolayer of an electronic conductor (for example carbon) is deposited on the mesoporous surface.
Selon l’invention, ces électrodes mésoporeuses sont revêtues d’une couche d’épaisseur nanométrique (cette épaisseur étant typiquement comprise entre environ 0,8 nm à 10 nm) qui s’étend sur toute leur surface. On entend ici par surface non pas la surface géométrique de la couche mais l’ensemble de sa surface mésoporeuse : le revêtement est appliqué aussi à l’intérieur des pores. Ledit revêtement peut être un revêtement conducteur de carbone. According to the invention, these mesoporous electrodes are coated with a layer of nanometric thickness (this thickness being typically between about 0.8 nm to 10 nm) which extends over their entire surface. By surface, we mean here not the geometric surface of the layer but its entire mesoporous surface: the coating is also applied inside the pores. Said coating may be a carbon conductive coating.
Après avoir été revêtu d’une couche conductrice, cette électrode est imprégnée par une phase conductrice des ions lithium. Cette phase peut être liquide ou solide. Si elle est solide, elle peut être organique ou minérale. Cette électrode est liée et frittée sur un substrat résistant aux traitements thermiques à haute température ; ledit substrat peut par exemple être en W, Mo, Cr, Ti, et tous les alliages contenant au moins un de ces éléments. L’acier inoxydable peut convenir. On note que dans le cas où l’on prépare des plaques d’électrodes autoportées, cette contrainte de résistance du substrat ou collecteur de courant à l’oxydation à la température traitement thermique de l’électrode n’existe plus, car au moment du traitement thermique l’électrode n’est pas encore en contact avec son collecteur de courant. After being coated with a conductive layer, this electrode is impregnated with a conductive phase of lithium ions. This phase can be liquid or solid. If it is solid, it can be organic or inorganic. This electrode is bonded and sintered on a substrate resistant to high temperature heat treatments; said substrate can for example be made of W, Mo, Cr, Ti, and all alloys containing at least one of these elements. Stainless steel may be suitable. It is noted that in the case where self-supporting electrode plates are prepared, this constraint of resistance of the substrate or current collector to oxidation at the heat treatment temperature of the electrode no longer exists, because at the time of the heat treatment the electrode is not yet in contact with its current collector.
L’anode peut être plus particulièrement une anode en TiNb2O? (abrégé « TNO »), mais la description qui suit concerne aussi les autres matériaux actifs d’anode. The anode can be more particularly a TiNb2O anode? (abbreviated “TNO”), but the following description also applies to other active anode materials.
Plus particulièrement, on peut utiliser une anode en TiNb2O? avec un volume mésoporeux d’environ 35 %. Cette anode est dimensionnée pour une capacité d’environ 230 mAh/g.More particularly, a TiNb2O? anode can be used. with a mesoporous volume of about 35%. This anode is sized for a capacity of approximately 230 mAh/g.
Avec ces électrodes, et notamment une telle anode en TiNb2O? avec un volume mésoporeux d’environ 35 % comme décrite ci-dessus, on peut réaliser des batteries à ions de lithium. Pour permettre à l’homme du métier d’exécuter l’invention nous décrivons ici cinq modes de réalisation ; cela ne limite nullement la portée de l’invention. With these electrodes, and in particular such an anode in TiNb2O? with a mesoporous volume of about 35% as described above, lithium ion batteries can be made. To enable those skilled in the art to carry out the invention, we describe here five embodiments; this in no way limits the scope of the invention.
Dans un premier mode de réalisation on a cherché à augmenter l’énergie de la batterie, en choisissant une cathode fonctionnant à haute tension. In a first embodiment, an attempt was made to increase the energy of the battery, by choosing a cathode operating at high voltage.
Le collecteur de courant cathodique est une feuille de Mo, W, Ta, Ti, Al, acier inoxydable, Cr ou tout alliage contenant au moins un de ces éléments ; son épaisseur est typiquement comprise entre 5 pm et 20 pm. La cathode est en LiCoPC avec un volume mésoporeux d’environ 35 %. L’épaisseur de la cathode est d’environ 90 pm ; on a déposé une nanocouche d’un conducteur électronique (en l’occurrence du carbone) sur la surface mésoporeuse. Cette cathode est dimensionnée pour une capacité d’environ 145 mAh/g.The cathodic current collector is a sheet of Mo, W, Ta, Ti, Al, stainless steel, Cr or any alloy containing at least one of these elements; its thickness is typically between 5 μm and 20 μm. The cathode is LiCoPC with a mesoporous volume of approximately 35%. The thickness of the cathode is about 90 µm; a nanolayer of an electronic conductor (in this case carbon) has been deposited on the mesoporous surface. This cathode is sized for a capacity of approximately 145 mAh/g.
Le séparateur est une couche de U3PO4 d’une épaisseur d’environ 6 pm avec un volume mésoporeux d’environ 50 %. The separator is a layer of U3PO4 about 6 µm thick with a mesoporous volume of about 50%.
Le collecteur de courant anodique est une feuille de Mo, W, Ta, Ti, Cu, Cr, Ni, Al, acier inoxydable ou tout alliage contenant au moins un de ces éléments ; son épaisseur est typiquement comprise entre 5 pm et 20 pm. Dans le deuxième mode de réalisation de l’invention, où l’anode a été initialement déposée sur un substrat intermédiaire (ou extrudée), on peut aussi utiliser une électrode en aluminium par exemple. L’anode en TiNb2C>7 avec un volume mésoporeux d’environ 35 % présentait une épaisseur d’environ 50 pm. The anode current collector is a sheet of Mo, W, Ta, Ti, Cu, Cr, Ni, Al, stainless steel or any alloy containing at least one of these elements; its thickness is typically between 5 μm and 20 μm. In the second embodiment of the invention, where the anode was initially deposited on an intermediate (or extruded) substrate, it is also possible to use an aluminum electrode for example. The anode in TiNb2C>7 with a mesoporous volume of about 35% exhibited a thickness of about 50 µm.
Dans tous les cas, et plus particulièrement dans le deuxième mode de réalisation de l’invention (dans lequel l’anode est fabriquée sous la forme d’une plaque), la surface du collecteur destinée à être en contact avec l’électrode peut être revêtue d’un revêtement conducteur, qui, dans le cas du deuxième mode de réalisation de l’invention, servira également à faire le collage. In all cases, and more particularly in the second embodiment of the invention (in which the anode is manufactured in the form of a plate), the surface of the collector intended to be in contact with the electrode can be coated with a conductive coating, which, in the case of the second embodiment of the invention, will also serve to make the bonding.
La cellule a été imprégnée avec un liquide ionique de type RTIL (Room Temperature Ionic Liquid) constitué d’un mélange de Pyr14TFSI (1-Butyl-1-méthylpyrrolidinium bis(trifluoro- méthylsulfonyl)imide ; n° CAS 223437-11-4) avec 20% de GBL et LiTFSI (Lithium bis(trifluorométhanesulfonyl) imide ; n° CAS 90076-65-6 ; concentration de 0,7M). The cell was impregnated with an ionic liquid of the RTIL type (Room Temperature Ionic Liquid) consisting of a mixture of Pyr14TFSI (1-Butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoro-methylsulfonyl)imide; CAS No. 223437-11-4) with 20% GBL and LiTFSI (Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide; CAS No. 90076-65-6; 0.7M concentration).
On peut aussi utiliser le mélange suivant : LiTFSI 0,7M + Pyr^TFSI + 10% GBL + 2% LiTDI. The following mixture can also be used: 0.7M LiTFSI+Pyr3TFSI+10% GBL+2% LiTDI.
Une telle batterie atteint une densité de capacité volumique d’environ 200 mAh/cm3 et une densité d'énergie volumique d’environ 610 mWh/cm3. Elle peut fournir une puissance continue d’environ 50 C. Elle peut fonctionner dans une plage de température très large, typiquement entre environ -40 °C et environ +60 °C. Elle ne présente pas de risque d’emballement thermique. Such a battery achieves a volume capacity density of about 200 mAh/cm 3 and a volume energy density of about 610 mWh/cm 3 . It can provide continuous power of around 50°C. It can operate over a very wide temperature range, typically between around -40°C and around +60°C. It presents no risk of thermal runaway.
Un des inconvénients de cette batterie est le coût élevé du matériau de cathode, à cause de sa haute teneur en cobalt. One of the disadvantages of this battery is the high cost of the cathode material, due to its high cobalt content.
Dans un deuxième mode de réalisation, on a remplacé le matériau de cathode UCOPO4 par un autre matériau de cathode fonctionnant à haute tension, ne contenant pas de cobalt, à savoir un matériau de type spinelle, le LiMni.sNio.sO^ Il contient du manganèse, et pour cette raison la tenue à haute température de cette cellule est un peu plus limitée que dans le premier mode de réalisation. In a second embodiment, the cathode material UCOPO4 was replaced by another cathode material operating at high voltage, not containing cobalt, namely a material of the spinel type, the LiMni.sNio.sO^ It contains manganese, and for this reason the high temperature resistance of this cell is a little more limited than in the first embodiment.
La cathode en LiMni,5Nio,504 avait une épaisseur d’environ 90 pm, un volume mésoporeux d’environ 35 %, avec dépôt d’une nanocouche de carbone ; cette cathode est dimensionnée pour une capacité d’environ 120 mAh/g. The LiMni,5Nio,504 cathode had a thickness of about 90 μm, a mesoporous volume of about 35%, with deposit of a carbon nanolayer; this cathode is dimensioned for a capacity of approximately 120 mAh/g.
Le séparateur, l’anode, les collecteurs de courant cathodique et anodique, ainsi que le liquide ionique utilisé pour l’imprégnation de la cellule étaient les mêmes que dans le premier mode de réalisation. Cette batterie atteint une densité de capacité volumique de 210 mAh/cm3 et une densité d'énergie volumique de 625 mWh/cm3. Elle peut fournir un courant continu supérieur à 50 C. Elle peut fonctionner dans une plage de température très large, typiquement entre environ -40 °C et environ +60 °C. Elle ne présente pas de risque d’emballement thermique. Ces batteries sont compatibles de recharges rapides ; elles peuvent être rechargées en moins de 5 minutes sans risques de formation de précipités de lithium.The separator, the anode, the cathodic and anode current collectors, as well as the ionic liquid used for the impregnation of the cell were the same as in the first embodiment. This battery achieves a volume capacity density of 210 mAh/cm 3 and a volume energy density of 625 mWh/cm 3 . It can provide direct current in excess of 50°C. It can operate over a very wide temperature range, typically between around -40°C and around +60°C. It presents no risk of thermal runaway. These batteries are compatible with rapid recharging; they can be recharged in less than 5 minutes without the risk of lithium precipitates forming.
Dans un troisième mode de réalisation, on a utilisé une cathode fonctionnant à basse tension. In a third embodiment, a cathode operating at low voltage has been used.
La cathode était en Lii,2Nio,i3Mno,54Coo,i302 avait une épaisseur d’environ 90 pm et un volume mésoporeux d’environ 35 %, avec dépôt d’une nanocouche de carbone ; cette cathode est dimensionnée pour une capacité d’environ 200 mAh/g. The cathode was in Lii,2Nio,i3Mno,54Coo,i302 had a thickness of about 90 μm and a mesoporous volume of about 35%, with deposition of a carbon nanolayer; this cathode is dimensioned for a capacity of approximately 200 mAh/g.
Le séparateur est une couche de U3PO4 d’une épaisseur d’environ 6 pm avec un volume mésoporeux d’environ 50 %. The separator is a layer of U3PO4 about 6 µm thick with a mesoporous volume of about 50%.
Le collecteur de courant anodique est une feuille de Cu, Ni, W, Ta, Al, Cr, acier inoxydable, Ti, ou Mo et tout alliages comprenant au moins un de ces éléments; son épaisseur est typiquement comprise entre 5 pm et 20 pm. L’anode en TiNb2O? avec un volume mésoporeux d’environ 35 % présentait une épaisseur d’environ 80 pm ; on a déposé une nanocouche de carbone sur la surface mésoporeuse. The anode current collector is a sheet of Cu, Ni, W, Ta, Al, Cr, stainless steel, Ti, or Mo and any alloy comprising at least one of these elements; its thickness is typically between 5 μm and 20 μm. The TiNb2O anode? with a mesoporous volume of about 35% had a thickness of about 80 µm; a carbon nanolayer was deposited on the mesoporous surface.
La cellule a été imprégnée avec un liquide ionique de type RTIL, qui était comprenait un mélange de LiTDI et de LiTFSI, et qui était constitué plus précisément de Pyr14TFSI, avec 0,7M de LiTFSI et 2% de LiTDI. The cell was impregnated with an ionic liquid of the RTIL type, which was comprised of a mixture of LiTDI and LiTFSI, and which consisted more precisely of Pyr14TFSI, with 0.7M of LiTFSI and 2% of LiTDI.
Cette batterie atteint une densité de capacité volumique de 285 mAh/cm3 et une densité d'énergie volumique de 720 mWh/cm3. Elle peut fournir un courant continu supérieur à 50 C. Elle peut fonctionner dans une plage de température très large, typiquement entre environ -40 °C et environ +70 °C. Elle ne présente pas de risque d’emballement thermique. Ces batteries sont compatibles de recharges rapides ; elles peuvent être rechargées en moins de 5 minutes sans risques de formation de précipités de lithium.This battery achieves a volume capacity density of 285 mAh/cm 3 and a volume energy density of 720 mWh/cm 3 . It can provide direct current in excess of 50°C. It can operate over a very wide temperature range, typically between around -40°C and around +70°C. It presents no risk of thermal runaway. These batteries are compatible with rapid recharging; they can be recharged in less than 5 minutes without the risk of lithium precipitates forming.
On note que cette batterie peut fonctionner dans une plage de température élargie (jusqu’à environ +85 °C) lorsque la capacité surfacique de la cathode est inférieure à la capacité surfacique de l’anode. It should be noted that this battery can operate in a wide temperature range (up to about +85°C) when the surface capacity of the cathode is lower than the surface capacity of the anode.
Un quatrième mode de réalisation porte sur une microbatterie de forte capacité avec une cathode fonctionnant à basse tension. Le collecteur de courant cathodique est une feuille de Mo, W, Ta, Ti, Al, aciers inoxydables, Cr ou tout alliage contenant au moins un de ces éléments ; son épaisseur est typiquement comprise entre 5 pm et 20 pm. On peut utiliser une feuille d’aluminium si les nanoparticules à partir desquelles la cathode a été fabriquée sont déjà parfaitement cristallisées, ou le collecteur est collé sur les électrodes après frittage dans le cas où l’électrode a été fabriquée sous la forme d’une plaque d’électrode. A fourth embodiment relates to a high capacity microbattery with a cathode operating at low voltage. The cathodic current collector is a sheet of Mo, W, Ta, Ti, Al, stainless steels, Cr or any alloy containing at least one of these elements; its thickness is typically between 5 μm and 20 μm. One can use an aluminum sheet if the nanoparticles from which the cathode was made are already perfectly crystallized, or the collector is glued on the electrodes after sintering in the case where the electrode was made in the form of a electrode plate.
La cathode était en Lii,2Nio,i3Mno,54Coo,i302 avait une épaisseur d’environ 16 pm, un volume mésoporeux d’environ 35 %, avec dépôt d’une nanocouche de carbone ; cette cathode est dimensionnée pour une capacité d’environ 200 mAh/g. The cathode was in Lii,2Nio,i3Mno,54Coo,i302 had a thickness of about 16 μm, a mesoporous volume of about 35%, with deposition of a carbon nanolayer; this cathode is dimensioned for a capacity of approximately 200 mAh/g.
Le séparateur est une couche de U3PO4 d’une épaisseur d’environ 6 pm avec un volume mésoporeux d’environ 50 %. The separator is a layer of U3PO4 about 6 µm thick with a mesoporous volume of about 50%.
Le collecteur de courant anodique est une feuille de Cu, Ni, Al ou Mo ; son épaisseur est typiquement comprise entre 5 pm et 20 pm. L’anode en TiNb2O? avec un volume mésoporeux d’environ 35 % présentait une épaisseur d’environ 14 pm ; on a déposé une nanocouche de carbone sur la surface mésoporeuse. The anode current collector is a sheet of Cu, Ni, Al or Mo; its thickness is typically between 5 μm and 20 μm. The TiNb2O anode? with a mesoporous volume of about 35% had a thickness of about 14 µm; a carbon nanolayer was deposited on the mesoporous surface.
La cellule a été imprégnée avec un liquide ionique de type RTIL, qui était constitué Pyr14TFSI, avec 0,7M de LiTFSI et 2% de LiTDI The cell was impregnated with an ionic liquid of the RTIL type, which consisted of Pyr14TFSI, with 0.7M of LiTFSI and 2% of LiTDI
Cette microbatterie atteint une densité de capacité volumique de 215 mAh/cm3 et une densité d'énergie volumique de 535 mWh/cm3. Elle peut fournir un courant continue supérieur à 50 C. Elle peut fonctionner dans une plage de température très large, typiquement entre environ -40 °C et environ +70 °C. Elle ne présente pas de risque d’emballement thermique. Ces batteries sont également compatibles avec des recharges rapides. Comme indiqué ci-dessus, la plage de température de fonctionnement peut être étendue jusqu’à environ + 85 °C lorsque la batterie est dimensionnée de manière à ce que la capacité surfacique de la cathode soit inférieure à la capacité surfacique de l’anode. This microbattery reaches a volume capacity density of 215 mAh/cm 3 and a volume energy density of 535 mWh/cm 3 . It can provide a continuous current greater than 50°C. It can operate in a very wide temperature range, typically between around -40°C and around +70°C. It presents no risk of thermal runaway. These batteries are also compatible with fast recharges. As noted above, the operating temperature range can be extended to approximately +85°C when the battery is sized such that the cathode areal capacity is less than the anode areal capacity.
Ces cellules de batterie et batteries présentent d’excellentes performances à basse température. Elles sont capables de fonctionner à des températures en-deçà de la température de cristallisation de l’électrolyte liquide. Lorsque l’imprégnation est faite avec un polymère, les propriétés de conduction du polymère sont accrues dans une large plage de température. Une batterie avantageuse selon l’invention présente un collecteur de courant cathodique en un matériau sélectionné dans le groupe formé par : Mo, Ti, W, Ta, Cr, Al, les alliages à base des éléments précités, l’acier inoxydable ; elle présente également une cathode avec un volume poreux compris entre 30 et 40%, qui peut être en NMC et de préférence en NMC433, une couche conductrice de carbone étant déposée dans les pores. Son séparateur est une couche mésoporeuse en U3PO4, de préférence d’une épaisseur comprise entre 6 pm et 8 pm. Son anode est une couche de TiNb2O?, de préférence dopée avec un halogénure et/ou du cérium et/ou germanium et/ou du lanthane et/ou du cuivre, ladite couche étant imprégnée par un électrolyte liquide contenant des sels de lithium. Son collecteur de courant anodique est sélectionné dans groupe formé par : Mo, Cu, Ni, les alliages à base des éléments précités, l’acier inoxydable. On peut aussi utiliser l’aluminium. On peut utiliser d’autres matériaux de séparateur. These battery cells and batteries have excellent low temperature performance. They are capable of operating at temperatures below the crystallization temperature of the liquid electrolyte. When the impregnation is made with a polymer, the conduction properties of the polymer are increased over a wide temperature range. An advantageous battery according to the invention has a cathodic current collector made of a material selected from the group formed by: Mo, Ti, W, Ta, Cr, Al, alloys based on the aforementioned elements, stainless steel; it also has a cathode with a porous volume of between 30 and 40%, which can be made of NMC and preferably of NMC433, a conductive layer of carbon being deposited in the pores. Its separator is a mesoporous layer of U3PO4, preferably with a thickness of between 6 μm and 8 μm. Its anode is a layer of TiNb2O?, preferably doped with a halide and/or cerium and/or germanium and/or lanthanum and/or copper, said layer being impregnated with a liquid electrolyte containing lithium salts. Its anode current collector is selected from the group formed by: Mo, Cu, Ni, alloys based on the aforementioned elements, stainless steel. Aluminum can also be used. Other separator materials can be used.
Les batteries selon l’invention peuvent être réalisées avec des puissances très différentes. En particulier, à l’aide du procédé selon l’invention on peut fabriquer des batteries à ions de lithium d’une capacité supérieure à 1 mA h. Elles présentent un intérêt particulier sous la forme de batteries de forte puissance, notamment pour utilisation dans les véhicules électriques. Avec des puissances intermédiaires elles peuvent être utilisées dans divers appareil électroniques nomades comme les téléphones portables, les ordinateurs portables, les dispositifs de lecture portables. Une batterie ayant une capacité ne dépassant pas 1 mA h, est appelée ici « microbatterie ». The batteries according to the invention can be produced with very different powers. In particular, using the method according to the invention, it is possible to manufacture lithium ion batteries with a capacity greater than 1 mA h. They are of particular interest in the form of high-power batteries, in particular for use in electric vehicles. With intermediate powers they can be used in various mobile electronic devices such as mobile phones, laptops, portable reading devices. A battery having a capacity not exceeding 1 mA h is referred to herein as a “microbattery”.
On an par exemple réalisé une cellule selon le quatrième mode de réalisation décrit ci- dessus, en multipliant les épaisseurs des électrodes d’un facteur six. Ainsi, avec une anode d’une épaisseur de l’ordre de 50 pm à 80 pm, on obtient une batterie à plus de 550 Wh/I, fonctionnant dans une très large gamme de température et pouvant être rechargée en moins de 15 minutes. Cette batterie est en effet particulièrement bien adaptée aux besoins des véhicules hybrides et véhicules électriques à recharge rapide. For example, a cell is made according to the fourth embodiment described above, by multiplying the thicknesses of the electrodes by a factor of six. Thus, with an anode with a thickness of around 50 μm to 80 μm, we obtain a battery with more than 550 Wh/I, operating in a very wide temperature range and which can be recharged in less than 15 minutes. This battery is in fact particularly well suited to the needs of hybrid vehicles and fast-charging electric vehicles.
Exemples Examples
En complément de certains modes de réalisation très précis qui ont été décrits dans la section « Description détaillée » ci-dessus, nous donnons ici d’autres exemples pour permettre à l’homme du métier de reproduire l’invention. Ces exemples ne limitent pas l’invention. Exemple 1 : Synthèse de nanopoudres de TNO utilisables pour réaliser une anode selon l’invention In addition to certain very specific embodiments which have been described in the "Detailed Description" section above, we give here other examples to enable those skilled in the art to reproduce the invention. These examples do not limit the invention. Example 1: Synthesis of TNO nanopowders that can be used to produce an anode according to the invention
On a synthétisé une formulation d’agglomérats de nanoparticules de Tio.gsGeo.osl^O? à partir des alkoxydes suivants : A formulation of nanoparticle agglomerates of Tio.gsGeo.osl^O? from the following alkoxides:
(i) Ge(OC2Hs)4, masse molaire 252,88 g/mol, densité 1,14 g/cm3 ; (i) Ge(OC2Hs)4, molar mass 252.88 g/mol, density 1.14 g/cm 3 ;
(ii) Ti(OC2Hs)4, masse molaire 228,11 g/mol, densité 1,09 g/cm3 ; (ii) Ti(OC2Hs)4, molar mass 228.11 g/mol, density 1.09 g/cm 3 ;
(iii) Nb(OC2Hs)4, masse molaire 318,21 g/mol, densité 1,268 g/cm3. (iii) Nb(OC2Hs)4, molar mass 318.21 g/mol, density 1.268 g/cm 3 .
Dans une première étape, de l’acide citrique a été dissous dans de l’éthylène glycol par chauffage à 80°C. Parallèlement le mélange d’éthoxydes a été préparé en boite à gants en respectant la stœchiométrie du composant visé. In a first step, citric acid was dissolved in ethylene glycol by heating to 80°C. At the same time, the mixture of ethoxides was prepared in a glove box, respecting the stoichiometry of the target component.
Dans une deuxième étape le mélange d’alkoxydes a été introduit sous forte agitation dans une solution acide citrique / éthylène glycol à température ambiante. Le mélange réactionnel est agité pendant 12h à 80°C ce qui a pour conséquence de gélifier la solution. In a second step, the mixture of alkoxides was introduced with vigorous stirring into a citric acid/ethylene glycol solution at room temperature. The reaction mixture is stirred for 12 hours at 80° C., which results in the solution gelling.
Le gel est ensuite extrait pour être mis dans un creuset en alumine. Les creusets sont mis dans une enceinte chauffante à 250°C pendant 12h. Cette étape de chauffage va permettre d’éliminer l’excès d’éthylène glycol et d’activer les réactions d’estérification. Le produit est ensuite calciné à 600°C pendant 1 heure pour éliminer une grande partie des organiques. The gel is then extracted to be placed in an alumina crucible. The crucibles are placed in a heating chamber at 250° C. for 12 hours. This heating step will eliminate the excess ethylene glycol and activate the esterification reactions. The product is then calcined at 600° C. for 1 hour to eliminate a large part of the organics.
Puis on réalise un second traitement thermique à 800°C. On obtient alors des agglomérats de nanoparticules (de tailles élémentaires de 40 nm) cristallisées dans le groupe d’espace 12/m JCPDS : 39-1407. Il s’agit de cristaux monocliniques purs. A second heat treatment is then carried out at 800° C. We then obtain agglomerates of nanoparticles (of elementary sizes of 40 nm) crystallized in the space group 12/m JCPDS: 39-1407. These are pure monoclinic crystals.
La figure 1 montre les caractéristiques électrochimiques d’une anode préparée selon cet exemple. Figure 1 shows the electrochemical characteristics of an anode prepared according to this example.
Exemple 2 : Fabrication d’une plaque d’anode mésoporeuse selon l’invention Example 2: Manufacture of a mesoporous anode plate according to the invention
On a préparé une barbotine composée d’agglomérats de nanoparticules cristallisées de TNO. Ces agglomérats avaient une taille d’environ 100 nm et étaient constitués de particules primaires de 15 nm de diamètre. Ces agglomérats de nanoparticules ont été intégrés dans une barbotine de composition suivante (en pourcents massiques): 20% d’agglomérats de nanoparticules de TNO, 36% de 2-butanone et 24% d’éthanol agissant comme solvant, 3% d’ester phosphorique agissant comme dispersant, 8,5% de dibutylphtalate agissant comme plastifiant, 8,5% de résine méthacrylate agissant comme liant. A slurry composed of agglomerates of crystallized nanoparticles of TNO was prepared. These agglomerates were approximately 100 nm in size and consisted of primary particles 15 nm in diameter. These nanoparticle agglomerates were integrated into a slurry of the following composition (in mass percent): 20% TNO nanoparticle agglomerates, 36% 2-butanone and 24% ethanol acting as solvent, 3% ester phosphoric acting as a dispersant, 8.5% of dibutylphthalate acting as a plasticizer, 8.5% methacrylate resin acting as a binder.
Cette barbotine a été coulée en bande, puis découpée en plaque et séchée. Ces plaques ont ensuite été recuites à 600°C pendant 1 heure sous air afin d’obtenir la plaque céramique mésoporeuse qui servira d’électrode. Cette plaque a ensuite été imprégnée par une solution de glucose et recuite à 400°C sous N2 afin de réaliser un nanocoating de carbone conducteur sur toute la surface mesoporeuse de l’électrode. This slip was cast in a strip, then cut into a plate and dried. These plates were then annealed at 600°C for 1 hour in air to obtain the mesoporous ceramic plate which will serve as an electrode. This plate was then impregnated with a glucose solution and annealed at 400°C under N2 in order to produce a conductive carbon nanocoating over the entire mesoporous surface of the electrode.
Ces plaques sont très utiles pour la fabrication de batteries de forte puissance. These plates are very useful for the manufacture of high power batteries.

Claims

48 REVENDICATIONS 48 CLAIMS
1 . Procédé de fabrication d’une anode poreuse pour une batterie conçue pour avoir une capacité supérieure à 1 mA h comportant une anode, un séparateur et une cathode, ladite anode comprenant une couche poreuse présentant une porosité comprise entre 25 % et 50 % en volume, de préférence d’environ 35 % en volume, et des pores de diamètre moyen inférieur à 50 nm, ledit procédé de fabrication étant caractérisé en ce que : 1 . Process for manufacturing a porous anode for a battery designed to have a capacity greater than 1 mA h comprising an anode, a separator and a cathode, said anode comprising a porous layer having a porosity of between 25% and 50% by volume, preferably about 35% by volume, and pores with an average diameter of less than 50 nm, said manufacturing method being characterized in that:
(a) on approvisionne un substrat et une suspension colloïdale ou une pâte composée de nanoparticules primaires monodisperses, sous forme d’agglomérats ou dispersées, d’au moins un matériau actif d’anode A, de diamètre primaire moyen D50 compris entre 2 nm et 100 nm, et de préférence entre 2 nm et 60 nm, étant entendu que ladite suspension colloïdale ou ladite pâte comprend également un constituant liquide, étant entendu que ledit matériau actif d’anode A est sélectionné parmi les oxydes de niobium et les oxydes mixtes de niobium avec le titane, le germanium, le cérium, le lanthane, le cuivre, ou le tungstène, et de préférence dans le groupe formé par : o Nb20s-s , NbisWieOgs-s , NbieWsOss-s avec 0 £ x < 1 et 0 s 5 < 2 ; o TiNb2C>7-8 , Tii.xM1xNb2.yM2yO7-S , LiwTii.xM1xNb2-yM2yO7 dans lesquels M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs et Sn, M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, et dans lesquels 0 < w < 5 et 0 < x < 1 et 0 < y < 2 et 0 < 5 < 0,3 ; o Tii-xM1xNb2-yM2 yO7-zM3 z , LiwTii-xM1xNb2-yM2 yO7-zM3 zdans lesquels (a) a substrate and a colloidal suspension or a paste composed of monodisperse primary nanoparticles, in the form of agglomerates or dispersed, of at least one anode active material A, with an average primary diameter D50 of between 2 nm and 100 nm, and preferably between 2 nm and 60 nm, it being understood that said colloidal suspension or said paste also comprises a liquid constituent, it being understood that said active anode material A is selected from niobium oxides and mixed oxides of niobium with titanium, germanium, cerium, lanthanum, copper, or tungsten, and preferably in the group formed by: o Nb20s-s , NbisWieOgs-s , NbieWsOss-s with 0 £ x < 1 and 0 s 5 <2; o TiNb2C>7-8 , Tii.xM 1 xNb 2 .yM 2 yO7- S , Li w Tii. x M 1 xNb2-yM 2 yO7 in which M 1 and M 2 are each at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo , W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs and Sn, M 1 and M 2 possibly being identical to or different from each other, and in which 0 < w < 5 and 0 < x < 1 and 0 < y < 2 and 0 < 5 <0.3; o Tii-xM 1 xNb2-yM 2 y O7-zM 3 z , Li w Tii-xM 1 xNb2-yM 2 y O7-zM 3 z in which
■ M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs et Sn, ■ M 1 and M 2 are each at least one element chosen from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs and Sn,
■ M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, ■ M 1 and M 2 can be identical or different from each other,
■ M3 est au moins un halogène, ■ M 3 is at least one halogen,
■ et dans lequel 0 < w < 5 et 0 < x < 1 et 0 < y < 2 et z < 0,3 ; o TiNb2C>7-zM3 z , LiwTiNb2C>7-zM3 z dans lesquels M3 est au moins un halogène, de préférence choisi parmi F, Cl, Br, I ou un mélange de ceux-ci, et 0 < w < 5 et et 0 < z < 0,3 ; o Tii-xGexNb2-yM1yO7-z , LiwTii-xGexNb2-yM1yO7-z , Tii-xLaxNb2-yM1yO7-z , LiwTii.xLaxNb2- yM1 yO7-z , Tii-xCexNb2-yM1yO7-z , LiwTii-xCexNb2-yM1yO7-z dans lesquels 49 ■ and wherein 0 < w < 5 and 0 < x < 1 and 0 < y < 2 and z <0.3; o TiNb2C>7-zM 3 z , Li w TiNb2C>7-zM 3 z in which M 3 is at least one halogen, preferably chosen from F, Cl, Br, I or a mixture thereof, and 0 < w < 5 and and 0 < z <0.3; o Tii-xGe x Nb2-yM 1 yO7-z , Li w Tii-xGe x Nb2-yM 1 yO7-z , Tii-xLa x Nb2-yM 1 yO7-z , Li w Tii. x La x Nb2- yM 1 y O7-z , Tii-xCe x Nb2-yM 1 yO7-z , Li w Tii-xCe x Nb2-yM 1 yO7-z in which 49
■ M1 est au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn, ■ M 1 is at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn,
■ et dans lesquels 0<w<5et0<x< 1 et0<y<2etz< 1, de préférence dans lesquels 0<w<5et0<x< 1 et0<y<2etz<0.3 ; o Tii-xGexNb2-yM1yO7-zM2 z , LiwTii-xGexNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii-xLaxNb2-yM1yO7-zM2 z, LiwTii. xLaxNb2-yM1 yO7-zM2 z , Tii-xCuxNb2-yM1 yO7-zM2 z, LiwTii-xCuxNb2-yM1 yO7-zM2 z , Tii- xCexNb2-yM1 yO7-zM2 z , LiwTii-xCexNb2-yM1 yO7-zM2 zdans lesquels ■ and in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2andz<1, preferably in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2andz<0.3; o Tii-xGe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii-xGe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii-xLa x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii. xLa x Nb2-yM 1 y O7-zM 2 z , Tii- x Cu x Nb2-yM 1 y O7-zM 2 z , Li w Tii- x Cu x Nb2-yM 1 y O7-zM 2 z , Tii- xCe x Nb2-yM 1 y O7-zM 2 z , Li w Tii- x Ce x Nb2-yM 1 y O7-zM 2 z in which
■ M1 et M2 sont au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs et Sn ; ■ M 1 and M 2 are at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca , Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs and Sn;
■ 0<w<5et0<x<1 et0<y<2etz<0,3; ■ 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and z<0.3;
(b) on dépose sur au moins une face dudit substrat une couche à partir de ladite suspension colloïdale ou pâte approvisionnée à l’étape (a), par un procédé sélectionné dans le groupe formé par : l’électrophorèse, l’extrusion, un procédé d’impression et de préférence l’impression par jet d’encre ou l’impression flexographique, un procédé d’enduction et de préférence à la racle, au rouleau, au rideau, par trempage, ou à travers une filière en forme de fente ; (b) depositing on at least one face of said substrate a layer from said colloidal suspension or paste provided in step (a), by a method selected from the group formed by: electrophoresis, extrusion, a printing process and preferably ink jet printing or flexographic printing, a coating process and preferably squeegee, roller, curtain, dipping, or through a die slot ;
(c) on sèche ladite couche obtenue à l’étape (b) et on la consolide, par pressage et/ou chauffage, pour obtenir une couche poreuse. (c) said layer obtained in step (b) is dried and consolidated, by pressing and/or heating, to obtain a porous layer.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’on poursuit le procédé par une étape (d) : 2. Method according to claim 1, characterized in that the method is continued by a step (d):
(d) on dépose, sur et à l’intérieur des pores de ladite couche poreuse, un revêtement d’un matériau conducteur électronique, qui est, de préférence choisi parmi du carbone ou un matériau oxyde conducteur électronique, et où ledit matériau oxyde conducteur électronique est préférentiellement choisi parmi : l’oxyde d’étain (SnO2), l’oxyde de zinc (ZnO), l’oxyde d’indium (ln2O3), l’oxyde de gallium (Ga2O3), un mélange de deux de ces oxydes tel que l’oxyde d’indium-étain correspondant à un mélange d’oxyde d’indium (ln2O3) et d’oxyde d’étain (SnO2), un mélange de trois de ces oxydes ou un mélange de quatre de ces oxydes, les oxydes dopés à base d’oxyde de zinc, le dopage étant de préférence au gallium (Ga) et/ou à l’aluminium (Al) et/ou au bore (B) et/ou au béryllium (Be), et/ou au chrome (Cr) et/ou au cérium (Ce) et/ou au titane (Ti) et/ou à l’indium (In) et/ou au cobalt (Co) et/ou au nickel (Ni) et/ou au cuivre (Cu) et/ou au manganèse (Mn) et/ou au germanium (Ge), 50 les oxydes dopés à base d’oxyde d’indium, le dopage étant de préférence à l’étain (Sn), et/ou au gallium (Ga) et/ou au chrome (Cr) et/ou au cérium (Ce) et/ou au titane (Ti) et/ou à l’indium (In) et/ou au cobalt (Co) et/ou au nickel (Ni) et/ou au cuivre (Cu) et/ou au manganèse (Mn) et/ou au germanium (Ge), les oxydes d’étain dopés, le dopage étant de préférence à l’arsenic (As) et/ou au fluoré (F) et/ou à l’azote (N) et/ou au niobium (Nb) et/ou au phosphore (P) et/ou à l’antimoine (Sb) et/ou à l’aluminium (Al) et/ou au titane (Ti), et/ou au gallium (Ga) et/ou au chrome (Cr) et/ou au cérium (Ce) et/ou à l’indium (In) et/ou au cobalt (Co) et/ou au nickel (Ni) et/ou au cuivre (Cu) et/ou au manganèse (Mn) et/ou au germanium (Ge). (d) depositing, on and inside the pores of said porous layer, a coating of an electronically conductive material, which is preferably chosen from among carbon or an electronically conductive oxide material, and wherein said conductive oxide material electronics is preferably chosen from: tin oxide (SnO2), zinc oxide (ZnO), indium oxide (ln 2 O 3 ), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), a mixture of two of these oxides such as indium-tin oxide corresponding to a mixture of indium oxide (ln 2 O 3 ) and tin oxide (SnO2), a mixture of three of these oxides or a mixture of four of these oxides, the doped oxides based on zinc oxide, the doping being preferably with gallium (Ga) and/or aluminum (Al) and/or boron (B) and /or beryllium (Be), and/or chromium (Cr) and/or cerium (Ce) and/or titanium (Ti) and/or indium (In) and/or cobalt (Co) and/or nickel (Ni) and/or copper (Cu) and/or manganese (Mn) and/or germanium (Ge), 50 doped oxides based on indium oxide, the doping preferably being with tin (Sn), and/or gallium (Ga) and/or chromium (Cr) and/or cerium (Ce) and/or titanium (Ti) and/or indium (In) and/or cobalt (Co) and/or nickel (Ni) and/or copper (Cu) and/or manganese (Mn) and/or germanium (Ge), doped tin oxides, the doping being preferably with arsenic (As) and/or with fluoride (F) and/or with nitrogen (N) and/or with niobium (Nb) and/or phosphorus (P) and/or antimony (Sb) and/or aluminum (Al) and/or titanium (Ti), and/or gallium (Ga) and /or chromium (Cr) and/or cerium (Ce) and/or indium (In) and/or cobalt (Co) and/or nickel (Ni) and/or copper (Cu) and /or manganese (Mn) and/or germanium (Ge).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dépôt dudit revêtement de matériau conducteur électronique est effectué par la technique de dépôt de couches atomiques ALD ou par immersion dans une phase liquide comportant un précurseur dudit matériau conducteur électronique, suivie par la transformation dudit précurseur en matériau conducteur électronique. 3. Method according to claim 2, characterized in that the deposition of said coating of electronically conductive material is carried out by the technique of deposition of atomic layers ALD or by immersion in a liquid phase comprising a precursor of said electronically conductive material, followed by the transformation said precursor in electronically conductive material.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit précurseur est un composé riche en carbone, tel qu’un glucide, et en ce que ladite transformation en matériau conducteur électronique est une pyrolyse, de préférence sous atmosphère inerte, ou en ce que ledit précurseur est choisi parmi des sels organiques contenant un ou plusieurs éléments métalliques capable, après traitement thermique tel qu’une calcination, de former un oxyde conducteur électronique, et en ce que ladite transformation en matériau conducteur électronique est un traitement thermique tel qu’une calcination, de préférence réalisé sous air ou sous atmosphère oxydante. 4. Method according to claim 3, characterized in that said precursor is a carbon-rich compound, such as a carbohydrate, and in that said transformation into electronic conductive material is pyrolysis, preferably under an inert atmosphere, or in that that said precursor is chosen from organic salts containing one or more metallic elements capable, after heat treatment such as calcination, of forming an electronically conductive oxide, and in that said transformation into an electronically conductive material is a heat treatment such as calcination, preferably carried out in air or in an oxidizing atmosphere.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les sels organiques sont de préférence choisis parmi un alcoolate d’au moins un élément métallique capable, après traitement thermique tel qu’une calcination, de préférence réalisé sous air ou sous atmosphère oxydante, de former un oxyde conducteur électronique, un oxalate d’au moins un élément métallique capable, après traitement thermique tel qu’une calcination, de préférence réalisé sous air ou sous atmosphère oxydante, de former un oxyde conducteur électronique et un acétate d’au moins un élément métallique capable, après traitement thermique tel qu’une calcination, de préférence réalisé sous air ou sous atmosphère oxydante, de former un oxyde conducteur 51 électronique, et/ou en ce que l’élément métallique est choisi parmi l’étain, le zinc, l’indium, le gallium, ou un mélange de deux ou trois ou quatre de ces éléments. 5. Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the organic salts are preferably chosen from an alcoholate of at least one metallic element capable, after heat treatment such as calcination, preferably carried out under air or under an oxidizing atmosphere, of forming an electronically conductive oxide, an oxalate of at least one metallic element capable, after heat treatment such as calcination, preferably carried out under air or under an oxidizing atmosphere, of forming an electronically conductive oxide and an acetate of at least one metallic element capable, after heat treatment such as calcination, preferably carried out in air or in an oxidizing atmosphere, of forming a conductive oxide 51 electronics, and / or in that the metallic element is selected from tin, zinc, indium, gallium, or a mixture of two or three or four of these elements.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits nanoparticules primaires se présentent sous la forme d’agrégats ou d’agglomérats, lesdits agrégats ou agglomérats présentant un diamètre moyen D50 compris ente 50 nm et 300 nm, et de préférence entre 100 nm et 200 nm. 6. Method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that said primary nanoparticles are in the form of aggregates or agglomerates, said aggregates or agglomerates having an average diameter D50 of between 50 nm and 300 nm , and preferably between 100 nm and 200 nm.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite couche poreuse issue de l’étape (c) présente une surface spécifique comprise entre 10 m2/g et 500 m2/g. 7. Method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that said porous layer resulting from step (c) has a specific surface of between 10 m 2 /g and 500 m 2 /g.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel ladite couche obtenue à l’étape (c) présente une épaisseur comprise entre 1 pm et 150 pm. 8. Method according to any one of claims 1 to 7, in which said layer obtained in step (c) has a thickness of between 1 μm and 150 μm.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit substrat est un substrat intermédiaire, dont ladite couche est séparée à l’étape (c) après son séchage, pour former une plaque d’anode poreuse. 9. Method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that said substrate is an intermediate substrate, from which said layer is separated in step (c) after its drying, to form a porous anode plate.
10. Anode poreuse pour une batterie à ions de lithium conçue pour avoir une capacité supérieure à 1 mA h, comprenant une couche poreuse de porosité comprise entre 25 % et 50% en volume, de préférence comprise entre 28 % et 43 % en volume, et encore plus préférentiellement entre 30 % et 40 % en volume, caractérisée en ce que ladite couche poreuse comporte : 10. Porous anode for a lithium ion battery designed to have a capacity greater than 1 mA h, comprising a porous layer with a porosity of between 25% and 50% by volume, preferably between 28% and 43% by volume, and even more preferably between 30% and 40% by volume, characterized in that said porous layer comprises:
- des pores de diamètre moyen inférieur à 50 nm, un réseau poreux d’un matériau A comportant sur et à l’intérieur des pores formant ledit réseau poreux un revêtement d’un matériau conducteur électronique, et caractérisée en ce que ledit matériau A est sélectionné parmi les oxydes de niobium et les oxydes mixtes de niobium avec le titane, le germanium, le cérium, le lanthane, le cuivre, ou le tungstène, et de préférence dans le groupe formé par : o Nb2O5^ , NbisWieOgs-s , NbieWsOss-s avec 0 S x < 1 et 0 s 5 < 2 ; o TiNb2C>7-8 , Tii.xM1xNb2.yM2yO7-S , LiwTii.xM1xNb2-yM2yO7-s dans lesquels M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs et Sn, M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, et dans lesquels 0 < w < 5 et 0 < x < 1 et 0 < y < 2 et 0 < 5 < 0,3 ; o Tii-xM1xNb2-yM2 yO7-zM3 z , LiwTii-xM1xNb2-yM2yO7-zM3 zdans lesquels - pores with an average diameter of less than 50 nm, a porous network of material A comprising on and inside the pores forming said porous network a coating of an electronically conductive material, and characterized in that said material A is selected from niobium oxides and mixed oxides of niobium with titanium, germanium, cerium, lanthanum, copper, or tungsten, and preferably from the group formed by: o Nb 2 O 5 ^ , NbisWieOgs- s , NbieWsOss-s with 0 S x < 1 and 0 s 5 <2; o TiNb2C>7-8 , Tii.xM 1 xNb 2 .yM 2 yO7- S , Li w Tii. x M 1 xNb2-yM 2 yO7-s wherein M 1 and M 2 are each at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr , Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs and Sn, M 1 and M 2 possibly being the same or different from each other, and wherein 0 < w < 5 and 0 < x < 1 and 0 < y < 2 and 0 < 5 <0.3; o Tii-xM 1 xNb2-yM 2 y O7-zM 3 z , Li w Tii-xM 1 xNb2- y M 2 yO7-zM 3 z in which
■ M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs et Sn, ■ M 1 and M 2 are each at least one element chosen from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs and Sn,
■ M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, ■ M 1 and M 2 can be identical or different from each other,
■ M3 est au moins un halogène, ■ M 3 is at least one halogen,
■ et dans lesquels 0<w<5et0<x<1 et 0 < y < 2 et z < 0,3 ; o TiNb2C>7-zM3 z , LiwTiNb2C>7-zM3 z dans lesquels M3 est au moins un halogène, de préférence choisi parmi F, Cl, Br, I ou un mélange de ceux-ci, et 0 < z < 0,3 , o Tii-xGexNb2-yM1yO7-z, LiwTii.xGexNb2-yM1yO7-z , Tii.xCexNb2-yM1yO7-z, LiwTii.xCexNb2- yM1 yO7-z dans lesquels ■ and in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and z<0.3; o TiNb2C>7-zM 3 z , Li w TiNb2C>7-zM 3 z in which M 3 is at least one halogen, preferably chosen from F, Cl, Br, I or a mixture thereof, and 0 < z < 0.3, o Tii- x Ge x Nb2-yM 1 yO7-z, Li w Tii. x Ge x Nb2-yM 1 yO7-z , Tii. x Ce x Nb2-yM 1 yO7-z, Li w Tii. x Ce x Nb2- yM 1 y O7-z in which
■ M1 est au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn, ■ M 1 is at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn,
■ et dans lesquels 0<w<5et0<x< 1 et 0 < y < 2 et z 1, de préférence dans lesquels 0<w<5et0<x< 1 et 0 < y < 2 et z < 0,3 ; o Tii-xGexNb2-yM1yO7-zM2 z , LiwTii-xGexNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii-xLaxNb2-yM1yO7-zM2 z, LiwTii. xLaxNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii-xCuxNb2-yM1yO7-zM2 z, LiwTii-xCuxNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii- xCexNb2-yM1yO7-zM2 z , LiwTii-xCexNb2-yM1yO7-zM2 zdans lesquels ■ and in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and z 1, preferably in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and z<0.3; o Tii-xGe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii-xGe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii-xLa x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii. xLa x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii-xCu x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii-xCu x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii- xCe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii-xCe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z in which
■ M1 et M2 sont au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs et Sn ; ■ M 1 and M 2 are at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca , Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs and Sn;
■ 0<w<5et0<x<1 et0<y<2etz<0,3; ladite anode étant susceptible d’être obtenue par le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9. ■ 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and z<0.3; said anode being capable of being obtained by the process according to any one of claims 1 to 9.
11. Anode selon la revendication 10, caractérisée en ce que le matériau conducteur électronique est choisi parmi le carbone, les matériaux oxydes conducteurs électroniques, de préférence choisi parmi : l’oxyde d’étain (SnO2), l’oxyde de zinc (ZnO), l’oxyde d’indium (ln2O3), l’oxyde de gallium (Ga2O3), un mélange de deux de ces oxydes tel que l’oxyde d’indium-étain correspondant à un mélange d’oxyde d’indium (ln2O3) et d’oxyde d’étain (SnO2), un mélange de trois de ces oxydes ou un mélange de quatre de ces oxydes, les oxydes dopés à base d’oxyde de zinc, le dopage étant de préférence au gallium (Ga) et/ou à l’aluminium (Al) et/ou au bore (B) et/ou au béryllium (Be), et/ou au chrome (Cr) et/ou au cérium (Ce) et/ou au titane (Ti) et/ou à l’indium (In) et/ou au cobalt (Co) et/ou au nickel (Ni) et/ou au cuivre (Cu) et/ou au manganèse (Mn) et/ou au germanium (Ge), les oxydes dopés à base d’oxyde d’indium, le dopage étant de préférence à l’étain (Sn), et/ou au gallium (Ga) et/ou au chrome (Cr) et/ou au cérium (Ce) et/ou au titane (Ti) et/ou à l’indium (In) et/ou au cobalt (Co) et/ou au nickel (Ni) et/ou au cuivre (Cu) et/ou au manganèse (Mn) et/ou au germanium (Ge), les oxydes d’étain dopés, le dopage étant de préférence à l’arsenic (As) et/ou au fluoré (F) et/ou à l’azote (N) et/ou au niobium (Nb) et/ou au phosphore (P) et/ou à l’antimoine (Sb) et/ou à l’aluminium (Al) et/ou au titane (Ti), et/ou au gallium (Ga) et/ou au chrome (Cr) et/ou au cérium (Ce) et/ou à l’indium (In) et/ou au cobalt (Co) et/ou au nickel (Ni) et/ou au cuivre (Cu) et/ou au manganèse (Mn) et/ou au germanium (Ge). 11. Anode according to claim 10, characterized in that the electronically conductive material is chosen from carbon, electronically conductive oxide materials, preferably chosen from: tin oxide (SnO2), zinc oxide (ZnO ), indium oxide (ln 2 O 3 ), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), a mixture of two of these oxides such as indium-tin oxide corresponding to a mixture of indium oxide (ln 2 O 3 ) and tin oxide (SnO2), a mixture of three of these oxides or a mixture of four of these oxides, doped oxides based on zinc oxide, doping being preferably gallium (Ga) and/or aluminum (Al) and/or boron (B) and/or beryllium (Be), and/or chromium (Cr) and/or cerium (Ce ) and/or titanium (Ti) and/or indium (In) and/or cobalt (Co) and/or nickel (Ni) and/or copper (Cu) and/or manganese (Mn) and/or germanium (Ge), the doped oxides based on d indium, the doping preferably being tin (Sn), and/or gallium (Ga) and/or chromium (Cr) and/or cerium (Ce) and/or titanium (Ti) and/ or indium (In) and/or cobalt (Co) and/or nickel (Ni) and/or copper (Cu) and/or manganese (Mn) and/or germanium (Ge), doped tin oxides, the doping being preferably with arsenic (As) and/or fluorine (F) and/or nitrogen (N) and/or niobium (Nb) and/or phosphorus ( P) and/or antimony (Sb) and/or aluminum (Al) and/or titanium (Ti), and/or gallium (Ga) and/or chromium (Cr) and/or cerium (Ce) and/or indium (In) and/or cobalt (Co) and/or nickel (Ni) and/or copper (Cu) and/or manganese (Mn) and/or germanium (Ge).
12. Procédé de fabrication d’une batterie conçue pour avoir une capacité supérieure à 1 mA h, de préférence une batterie à ions de Lithium, mettant en œuvre le procédé de fabrication d’une anode poreuse selon l’une des revendications 1 à 9, ou mettant en œuvre une anode poreuse selon la revendication 10. 12. A method of manufacturing a battery designed to have a capacity greater than 1 mA h, preferably a lithium ion battery, implementing the method of manufacturing a porous anode according to one of claims 1 to 9 , or implementing a porous anode according to claim 10.
13. Procédé de fabrication d’une batterie, comprenant au moins une anode poreuse selon la revendication 10 ou 11 , au moins un séparateur et au moins une cathode poreuse, caractérisé en ce que : 13. A method of manufacturing a battery, comprising at least one porous anode according to claim 10 or 11, at least one separator and at least one porous cathode, characterized in that:
(a) on approvisionne un premier substrat, un second substrat, et on approvisionne une première suspension colloïdale ou une pâte comprenant des agrégats ou des agglomérats de nanoparticules primaires monodisperses d’au moins un matériau actif d’anode A, de diamètre primaire moyen D5o compris entre 2 et 100 nm, de préférence entre 2 et 60 nm, lesdits agrégats ou agglomérats présentant un diamètre moyen D50 compris entre 50 nm et 300 nm (de préférence entre 100 nm et 200 nm), étant entendu que ledit matériau A est sélectionné parmi les oxydes de niobium et les oxydes mixtes de niobium avec le titane, le germanium, le cérium, le lanthane, le cuivre, ou le tungstène, et de préférence dans le groupe formé par : o Nb20s-s , NbisWieOgs-s , NbieWsOss-s avec 0 £ x < 1 et 0 s 5 < 2 ; o TiNb2O?-s , Tii.xM1xNb2-yM2yO7-5 , LiwTii-xM1 xNb2-yM2yO7-s dans lesquels M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs et Sn, M1 et M2 54 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, et dans lesquels 0<w<5et0<x < 1 et 0 < y < 2 et 0 < S < 0,3 ; o Tii.xM1xNb2-yM2yO7-zM3 z , LiwTii-xM1 xNb2-yM2yO7-zM3 zdans lesquels (a) supplying a first substrate, a second substrate, and supplying a first colloidal suspension or a paste comprising aggregates or agglomerates of monodisperse primary nanoparticles of at least one anode active material A, of mean primary diameter D 5 o between 2 and 100 nm, preferably between 2 and 60 nm, said aggregates or agglomerates having an average diameter D50 of between 50 nm and 300 nm (preferably between 100 nm and 200 nm), it being understood that said material A is selected from niobium oxides and mixed oxides of niobium with titanium, germanium, cerium, lanthanum, copper, or tungsten, and preferably from the group formed by: o Nb20s-s , NbisWieOgs-s , NbieWsOss-s with 0 £ x < 1 and 0 s 5 <2; o TiNb2O?-s , Tii. x M 1 xNb2-yM 2 yO 7 -5 , Li w Tii-xM 1 x Nb2-yM 2 yO7-s wherein M 1 and M 2 are each at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta , Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs and Sn, M 1 and M2 54 possibly being identical to or different from each other, and in which 0<w<5 and 0<x <1 and 0<y<2 and 0<S<0.3; o Tii. x M 1 xNb2-yM 2 yO7-zM 3 z , Li w Tii-xM 1 x Nb2-yM 2 yO7-zM 3 z in which
■ M1 et M2 sont chacun au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs et Sn, ■ M 1 and M 2 are each at least one element chosen from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs and Sn,
■ M1 et M2 pouvant être identiques ou différents l’un de l’autre, ■ M 1 and M 2 can be identical or different from each other,
■ M3 est au moins un halogène, ■ M 3 is at least one halogen,
■ et dans lesquels 0<w<5et0<x< 1 et 0 < y < 2 et z < 0,3 ; o TiNb2C>7-zM3 z , LiwTiNb2C>7-zM3 z dans lesquels M3 est au moins un halogène, de préférence choisi parmi F, Cl, Br, I ou un mélange de ceux-ci, et0<w<5 et0 < z< 0,3 ; o Tii-xGexNb2-yM1yO7-zM2 z , LiwTii-xGexNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii-xLaxNb2-yM1yO7-zM2 z, LiwTii. xLaxNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii-xCuxNb2-yM1yO7-zM2 z, LiwTii-xCuxNb2-yM1yO7-zM2 z , Tii-xCexNb2- yM1 yO7-zM2 z, LiwTii-xCexNb2-yM1yO7-zM2 zdans lesquels ■ and in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and z<0.3; o TiNb2C>7-zM 3 z , Li w TiNb2C>7-zM 3 z in which M 3 is at least one halogen, preferably chosen from F, Cl, Br, I or a mixture thereof, and0<w <5 and 0 < z <0.3; o Tii-xGe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii-xGe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii-xLa x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii. xLa x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii-xCu x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Li w Tii-xCu x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z , Tii- x Ce x Nb2- yM 1 y O7-zM 2 z , Li w Tii-xCe x Nb2-yM 1 yO7-zM 2 z in which
■ M1 et M2 sont au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs et Sn ; ■ M 1 and M 2 are at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca , Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs and Sn;
■ 0<w<5et0<x<1 et0<y<2etz<0,3; o Tii-xGexNb2-yM1yO7-z, LiwTii.xGexNb2-yM1yO7-z , Tii.xCexNb2-yM1yO7-z, LiwTii.xCexNb2- yM1 yO7-z dans lesquels ■ 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and z<0.3; o Tii- x Ge x Nb2-yM 1 yO7-z, Li w Tii. x Ge x Nb2-yM 1 yO7-z , Tii. x Ce x Nb2-yM 1 yO7-z, Li w Tii. x Ce x Nb2- yM 1 y O7-z in which
■ M1 est au moins un élément choisi dans le groupe constitué de Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce et Sn, ■ M 1 is at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Ta, Fe, Co, Ti, Bi, Sb, As, P, Cr, Mo, W, B, Na, Mg, Ca, Ba, Pb, Al, Zr, Si, Sr, K, Cs, Ce and Sn,
■ et dans lesquels 0<w<5et0<x< 1 et0<y<2etz< 1, de préférence dans lesquels 0<w<5et0<x< 1 et0<y<2etz<0.3 ; sachant que ledit premier et/ou ledit deuxième substrat peut être un substrat capable d’agir comme collecteur de courant électrique, ou un substrat intermédiaire, on approvisionne une seconde suspension colloïdale comprenant des agrégats ou des agglomérats de nanoparticules primaires monodispersés d’au moins un matériau actif de cathode C, de diamètre primaire moyen D50 compris entre 2 et 100 nm, de préférence entre 2 et 60 nm, lesdits agrégats ou agglomérats présentant un diamètre moyen D50 compris entre 50 nm et 300 nm (de préférence entre 100 nm et 200 nm), et on approvisionne une troisième suspension colloïdale comprenant des agrégats ou des agglomérats de nanoparticules d’au moins un matériau inorganique E, de 55 diamètre primaire moyen D50 compris entre 2 nm et 100 nm, de préférence entre 2 nm et 60 nm, lesdits agrégats ou agglomérats présentant un diamètre moyen D50 compris entre 50 nm et 300 nm (de préférence entre 100 nm et 200 nm) ; ■ and in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and z<1, preferably in which 0<w<5 and 0<x<1 and 0<y<2 and z<0.3; knowing that said first and/or said second substrate may be a substrate capable of acting as an electric current collector, or an intermediate substrate, a second colloidal suspension is supplied comprising aggregates or agglomerates of monodispersed primary nanoparticles of at least one cathode active material C, with an average primary diameter D50 of between 2 and 100 nm, preferably between 2 and 60 nm, said aggregates or agglomerates having an average diameter D50 of between 50 nm and 300 nm (preferably between 100 nm and 200 nm nm), and a third colloidal suspension comprising aggregates or agglomerates of nanoparticles of at least one inorganic material E, of 55 average primary diameter D50 of between 2 nm and 100 nm, preferably between 2 nm and 60 nm, said aggregates or agglomerates having an average diameter D50 of between 50 nm and 300 nm (preferably between 100 nm and 200 nm);
(b) on dépose sur au moins une face dudit premier substrat une couche d’anode à partir de ladite première suspension colloïdale approvisionnée à l’étape (a), et on dépose sur au moins une face dudit second substrat une couche de cathode à partir de ladite seconde suspension colloïdale approvisionnée à l’étape (a), par un procédé sélectionné de préférence dans le groupe formé par : l’électrophorèse, l’extrusion, un procédé d’impression, choisi de préférence parmi l’impression par jet d’encre et l’impression flexographique, et un procédé d’enduction, choisi de préférence parmi l’enduction au rouleau, l’enduction au rideau, l’enduction par raclage, l’enduction par extrusion à travers une filière en forme de fente, l’enduction par trempage ; (b) an anode layer from said first colloidal suspension provided in step (a) is deposited on at least one face of said first substrate, and a cathode layer is deposited on at least one face of said second substrate from said second colloidal suspension provided in step (a), by a process preferably selected from the group formed by: electrophoresis, extrusion, a printing process, preferably selected from jet printing of ink and flexographic printing, and a coating process, preferably selected from roller coating, curtain coating, doctor coating, coating by extrusion through a die in the form of slit, coating by dipping;
(c) on sèche lesdites couches d’anode et de cathode obtenues à l’étape (b), le cas échéant après avoir séparée ladite couche de son substrat intermédiaire, et on consolide chaque couche, par pressage et/ou chauffage, pour obtenir respectivement une couche d’anode poreuse, de préférence mésoporeuse et inorganique, et une couche de cathode poreuse, de préférence mésoporeuse et inorganique ; (c) drying said anode and cathode layers obtained in step (b), if necessary after having separated said layer from its intermediate substrate, and consolidating each layer, by pressing and/or heating, to obtain respectively a porous anode layer, preferably mesoporous and inorganic, and a porous cathode layer, preferably mesoporous and inorganic;
(d) optionnellement, on dépose, sur et à l’intérieur des pores desdites couches d’anode et/ou de cathode poreuses, un revêtement d’un matériau conducteur électronique, de manière à former lesdites anodes poreuses et cathodes poreuses ; (d) optionally, a coating of an electronically conductive material is deposited on and inside the pores of said porous anode and/or cathode layers, so as to form said porous anodes and porous cathodes;
(e) on dépose sur ladite anode poreuse et/ou ladite cathode poreuse obtenue à l’étape (d), une couche inorganique poreuse à partir de la troisième suspension colloïdale approvisionnée à l’étape (a), par une technique sélectionnée dans le groupe formé par : l’électrophorèse, l’extrusion, un procédé d’impression, choisi de préférence parmi l’impression par jet d’encre et l’impression flexographique, et un procédé d’enduction, choisi de préférence parmi l’enduction au rouleau, l’enduction au rideau, l’enduction par raclage, l’enduction par extrusion à travers une filière en forme de fente, l’enduction par trempage ; (e) depositing on said porous anode and/or said porous cathode obtained in step (d), a porous inorganic layer from the third colloidal suspension supplied in step (a), by a technique selected from the group formed by: electrophoresis, extrusion, a printing process, preferably chosen from inkjet printing and flexographic printing, and a coating process, preferably chosen from coating roller, curtain coating, doctor coating, extrusion coating through a slot-shaped die, dip coating;
(f) on sèche ladite couche inorganique poreuse de la structure obtenue à l’étape (e), de préférence sous flux d’air, et on procède à un traitement thermique à un température supérieure à 130 °C et de préférence comprise entre environ 300 °C et environ 600 °C, sachant que le cas échéant, on presse la couche séparée de son substrat intermédiaire sur une feuille métallique capable d’agir comme collecteur de courant, avant de procéder audit traitement thermique ; (f) said porous inorganic layer of the structure obtained in step (e) is dried, preferably under a flow of air, and a heat treatment is carried out at a temperature above 130° C. and preferably between approximately 300° C. and approximately 600° C., knowing that, where appropriate, the layer separated from its intermediate substrate is pressed onto a metal sheet capable of acting as a current collector, before carrying out said heat treatment;
(g) on empile face sur face successivement l’anode poreuse obtenue à l’étape d), ou e) avec la cathode poreuse obtenue à l’étape d) ou e), étant entendu que dans 56 l’empilement obtenu comprend au moins une couche inorganique poreuse telle qu’obtenue à l’étape e) formant ledit séparateur ; (g) the porous anode obtained in step d), or e) is successively stacked face to face with the porous cathode obtained in step d) or e), it being understood that in 56 the stack obtained comprises at least one porous inorganic layer as obtained in step e) forming said separator;
(h) on réalise un traitement de thermocompression à une température comprise entre 120 °C et 600 °C de l’empilement obtenu à l’étape (g) afin d’obtenir une batterie comprenant au moins une anode poreuse, au moins un séparateur et au moins une cathode poreuse. (h) a thermocompression treatment is carried out at a temperature of between 120°C and 600°C of the stack obtained in step (g) in order to obtain a battery comprising at least one porous anode, at least one separator and at least one porous cathode.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit matériau inorganique E est un isolant électrique. 14. Method according to claim 13, characterized in that said inorganic material E is an electrical insulator.
15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, dans lequel le produit issu de l’étape (h) est imprégné par un électrolyte, de préférence par une phase porteuse d’ions de lithium, sélectionné dans le groupe formé par : 15. Process according to claim 13 or 14, in which the product resulting from step (h) is impregnated with an electrolyte, preferably with a phase carrying lithium ions, selected from the group formed by:
• un électrolyte composé d’au moins un solvant aprotique et d’au moins un sel de lithium ; • an electrolyte composed of at least one aprotic solvent and at least one lithium salt;
• un électrolyte composé d’au moins un liquide ionique et d’au moins un sel de lithium ; • an electrolyte composed of at least one ionic liquid and at least one lithium salt;
• un mélange d’au moins un solvant aprotique et d’au moins un liquide ionique et d’au moins un sel de lithium ; • a mixture of at least one aprotic solvent and at least one ionic liquid and at least one lithium salt;
• un polymère rendu conducteur ionique par l’ajout d’au moins un sel de lithium ; et• a polymer made ionically conductive by the addition of at least one lithium salt; and
• un polymère rendu conducteur ionique par l’ajout d’un électrolyte liquide, soit dans la phase polymère, soit dans la structure mésoporeuse, et encore plus préférentiellement, par un électrolyte sélectionné dans le groupe formé par : • a polymer rendered ionically conductive by the addition of a liquid electrolyte, either in the polymer phase or in the mesoporous structure, and even more preferably, by an electrolyte selected from the group formed by:
• un électrolyte comprenant du N-butyl-N-methyl-pyrrolidinium 4,5-dicyano-2- (trifluoromethyl) imidazole (Pyr^TDI), • an electrolyte comprising N-butyl-N-methyl-pyrrolidinium 4,5-dicyano-2- (trifluoromethyl) imidazole (Pyr^TDI),
• un électrolyte comprenant du 1-Méthyl-3-propylimidazolium 4,5-dicyano-2-(trifluoro- methyljimidazolide (PMIM-TDI) et du 4,5-dicyano-2-(trifluoro-methyl)imidazolide de lithium (LiTDI). • an electrolyte comprising 1-Methyl-3-propylimidazolium 4,5-dicyano-2-(trifluoro-methyljimidazolide (PMIM-TDI) and lithium 4,5-dicyano-2-(trifluoro-methyl)imidazolide (LiTDI) .
16. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 ou 12 à 15, dans lequel ledit matériau actif de cathode C est sélectionné dans le groupe formé par : LiCoPC , LiMni.sNio.sC , LiFexCoi.xPO4 et où 0 < x < 1 , LiNii/xCoi/yMni/zO2 avec x+y+z = 10, Lii,2Nio,i3Mno,54Coo,i302, LiMni,5Nio,5-xXx04 où X est sélectionné parmi Al, Fe, Cr, Co, Rh, Nd, Sc, Y, Lu, La, Ce, Pr, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb et où 0 < x < 0,1 , LiNio,8Coo,i5Alo,o502, U2MPO4F avec M = Fe, Co, Ni ou un mélange de ces différents 57 éléments, LiMPC F avec M = V, Fe, T ou un mélange de ces différents éléments, UMSO4F avec M = Fe, Co, Ni, Mn, Zn, Mg, UCOO2. 16. Method according to any one of claims 1 to 9 or 12 to 15, in which said cathode active material C is selected from the group formed by: LiCoPC , LiMni.sNio.sC , LiFe x Coi. x PO4 and where 0 < x < 1 , LiNii/ x Coi/ y Mni/ z O2 with x+y+z = 10, Lii,2Nio,i3Mno,54Coo,i302, LiMni,5Nio,5- x X x 04 where X is selected from Al, Fe, Cr, Co, Rh, Nd, Sc, Y, Lu, La, Ce, Pr, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and where 0 < x < 0.1 , LiNio,8Coo,i5Alo,o502, U2MPO4F with M = Fe, Co, Ni or a mixture of these different 57 elements, LiMPC F with M = V, Fe, T or a mixture of these different elements, UMSO4F with M = Fe, Co, Ni, Mn, Zn, Mg, UCOO2.
17. Batterie à ions de lithium ayant une capacité supérieure à 1 mA h, susceptible d’être obtenue par le procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 16. 17. Lithium ion battery having a capacity greater than 1 mA h, obtainable by the method according to any one of claims 12 to 16.
18. Batterie selon la revendication 17, caractérisé en ce que son électrolyte liquide contient au moins 50 % en masse de liquide ionique, qui est de préférence du Pyr^TFSI. 18. Battery according to claim 17, characterized in that its liquid electrolyte contains at least 50% by mass of ionic liquid, which is preferably Pyr^TFSI.
19. Batterie selon l’une quelconque des revendications 17 ou 18 dépendantes de l’une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisée en ce que : 19. Battery according to any one of claims 17 or 18 dependent on any one of claims 13 to 16, characterized in that:
- son collecteur de courant cathodique est réalisé en un matériau sélectionné dans le groupe formé par : Mo, Ti, W, Ta, Cr, Al, les alliages à base des éléments précités, l’acier inoxydable ; - its cathodic current collector is made of a material selected from the group formed by: Mo, Ti, W, Ta, Cr, Al, alloys based on the aforementioned elements, stainless steel;
- sa cathode est en NMC et de préférence en NMC433, et elle présente un volume poreux compris entre 30 et 40%, une couche conductrice de carbone étant déposée dans les pores ; - its cathode is made of NMC and preferably of NMC433, and it has a pore volume of between 30 and 40%, a conductive layer of carbon being deposited in the pores;
- son séparateur est une couche mésoporeuse en U3PO4, de préférence d’une épaisseur comprise entre 6 pm et 8 pm ; - its separator is a mesoporous layer of U3PO4, preferably with a thickness of between 6 μm and 8 μm;
- son anode est une couche de TiNb2O?-s, avec 0 < 5 < 0,3 , de préférence dopé avec un halogénure et/ou du germanium, ladite couche étant imprégnée par un électrolyte liquide contenant des sels de lithium ; - Its anode is a layer of TiNb2O?-s, with 0<5<0.3, preferably doped with a halide and/or germanium, said layer being impregnated with a liquid electrolyte containing lithium salts;
- son collecteur de courant anodique est sélectionné dans groupe formé par : Mo, Cu, Ni, les alliages à base des éléments précités, l’acier inoxydable. - its anode current collector is selected from the group formed by: Mo, Cu, Ni, alloys based on the aforementioned elements, stainless steel.
20. Batterie selon l’une quelconque des revendications 17 à 19, caractérisé en ce qu’elle présente des électrodes d’épaisseur supérieure à 10 pm. 20. Battery according to any one of claims 17 to 19, characterized in that it has electrodes with a thickness greater than 10 μm.
21. Batterie selon l’une quelconque des revendications 17 à 20, caractérisé en ce qu’elle comprend une anode selon la revendication 10 ou 11, ou susceptible d’être obtenue par le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, et en ce que ladite anode présente une capacité massique supérieure à 200 mAh/g, et de préférence supérieure à 250 mAh/g. 21. Battery according to any one of claims 17 to 20, characterized in that it comprises an anode according to claim 10 or 11, or capable of being obtained by the method according to any one of claims 1 to 9, and in that said anode has a mass capacity greater than 200 mAh/g, and preferably greater than 250 mAh/g.
22. Utilisation d’une batterie selon l’une quelconque des revendications 17 à 20 à une température inférieure à -10 °C et/ou à une température supérieure à 50 °C. 22. Use of a battery according to any one of claims 17 to 20 at a temperature below -10°C and/or at a temperature above 50°C.
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