ES2576356T3 - Compuestos de niquelato dopados - Google Patents

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Abstract

Un compuesto de fórmula: AUM1 VM2 WM3 XM4 YM6 ZO2 en la cual A es uno o varios metales alcalinos, incluyendo sodio y/o potasio, ya sea solos o mezclados con litio como componente minoritario; M1 es níquel en estado de oxidación +2 M2 comprende uno o más metales en estado de oxidación +4, elegidos entre manganeso, titanio y zirconio; M3 comprende uno o más metales en estado de oxidación +2, elegidos entre magnesio, calcio, cobre, cinc y cobalto; M4 comprende uno o más metales en estado de oxidación +4, elegidos entre titanio, manganeso y zirconio; M5 comprende uno o más metales en estado de oxidación +3, elegidos entre aluminio, hierro, cobalto, molibdeno, cromo, vanadio, escandio e ytrio; donde además U está comprendido en el intervalo 1 < U < 2; V está comprendido en el intervalo 0,25 < V < 1; W está comprendido en el intervalo 0 < W < 0,75; X está comprendido en el intervalo 0 <= X < 0,5; Y está comprendido en el intervalo 0 <= Y < 0,5; Z está comprendido en el intervalo 0 <= Z < 0,5; y además U + V + W + X + Y + Z <= 3.

Description

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Comprobación de las baterías
Las baterías se prueban del modo siguiente, usando técnicas de ciclado a corriente constante.
La batería se cicla a una determinada densidad de corriente entre límites de voltaje prefijados. Se usa un ciclador comercial de baterías de Maccor Inc. (Tulsa, OK, USA). Durante la carga se extraen iones sodio (litio) del material activo. Durante la descarga se reinsertan iones sodio (litio) en el material activo.
Resultados:
Los datos representados en las figuras 1A, 1B, 1C y 1D proceden de los datos de ciclado a corriente constante para un material activo de Na1,10Ni0,30Mn0,50Mg0,05Ti0,05O2 en una batería de iones Na, en la cual este material catódico estaba acoplado a un material anódico de carbono duro (Carbotron P/J). El electrolito utilizado es una solución 0,5 M de NaClO4 en carbonato de propileno. Los datos a corriente constante se registraron a una densidad de corriente aproximada de 0,10 mA/cm2 entre límites de voltaje a 1,50 y 4,00 V. Para asegurar que la batería de iones Na se cargara totalmente, la batería se mantuvo potenciostáticamente a 4,00 V al final del proceso de carga a corriente constante, hasta que la densidad de corriente bajó al 20% del valor de la corriente constante. La comprobación se realizó a temperatura ambiente. Durante el proceso de carga de la batería los iones sodio se extraen del material catódico activo y se insertan en el ánodo de carbono duro. Durante el subsiguiente proceso de descarga los iones sodio se extraen del carbono duro y se reinsertan en el material catódico activo.
La figura 1A representa la curva de voltaje de descarga en el tercer ciclo (voltaje de la batería de iones Na [V] frente a la capacidad específica del cátodo [mAh/g]) de la batería de carbono duro//Na1,10Ni0,30Mn0,50Mg0,05Ti0,05O2. La capacidad específica del cátodo en este ciclo corresponde a 68 mAh/g.
La figura 1B representa la curva de la capacidad diferencial en el tercer ciclo (capacidad diferencial [mAh/g/V] frente al voltaje de la batería de iones Na [V]) de la batería de carbono duro//Na1,10Ni0,30Mn0,50Mg0,05Ti0,05O2. Estos datos simétricos demuestran la excelente reversibilidad de las reacciones de extracción-inserción iónica en esta batería de iones Na.
La figura 1C representa los cuatro primeros ciclos de carga-descarga (voltaje de la batería de iones Na [V] frente a la capacidad específica acumulada del cátodo [mAh/g]) de la batería de carbono duro//Na1,10Ni0,30Mn0,50Mg0,05Ti0,05O2. Estos datos demuestran que el nivel de histéresis del voltaje (es decir, la diferencia de voltaje entre los procesos de carga y descarga) es extremadamente bajo, lo cual es indicativo de la excelente cinética de las reacciones de extracción-inserción.
La figura 1D representa el rendimiento del ciclo de vida (capacidad específica del cátodo [mAh/g] frente al número de ciclos) de la batería de carbono duro//Na1,10Ni0,30Mn0,50Mg0,05 Ti0,05O2. La batería muestra una reversibilidad excelente, con una capacidad específica del cátodo que aumenta a lo largo de los 20 primeros ciclos. La capacidad específica del cátodo llega aproximadamente a 96 mAh/g después de 25 ciclos.
Referencia a las figuras 2A, 2B, 2C y 2D
Los datos representados en las figuras 2A, 2B, 2C y 2D proceden de los datos de ciclado a corriente constante para un material activo de Na1,05Ni0,40Mn0,50Mg0,025Ti0,025O2 en una batería de iones Na, en la cual este material catódico estaba acoplado a un material anódico de carbono duro (Carbotron P/J). El electrolito utilizado es una solución 0,5 M de NaClO4 en carbonato de propileno. Los datos a corriente constante se registraron a una densidad de corriente aproximada de 0,10 mA/cm2 entre límites de voltaje a 1,50 y 4,00 V. Para cargar totalmente la batería de iones Na, la batería se mantuvo potenciostáticamente a 4,00 V al final del proceso de carga a corriente constante, hasta que la densidad de corriente bajó al 20% del valor de la corriente constante. La comprobación se realizó a temperatura ambiente. Durante el proceso de carga de la batería los iones sodio se extraen del material catódico activo y se insertan en el ánodo de carbono duro. Durante el subsiguiente proceso de descarga los iones sodio se extraen del carbono duro y se reinsertan en el material catódico activo.
La figura 2A representa la curva de voltaje de descarga en el tercer ciclo (voltaje de la batería de iones Na [V] frente a la capacidad específica del cátodo [mAh/g]) de la batería de carbono duro//Na1,05Ni0,40Mn0,50Mg0,025Ti0,025O2. La capacidad específica del cátodo en este ciclo corresponde a 88 mAh/g.
La figura 2B representa la curva de la capacidad diferencial en el tercer ciclo (capacidad diferencial [mAh/g/V] frente al voltaje de la batería de iones Na [V]) de una batería de carbono duro//Na1,05Ni0,40Mn0,50Mg0,025Ti0,025O2. Estos datos simétricos demuestran la excelente reversibilidad de las reacciones de extracción-inserción iónica en esta batería de iones Na.
La figura 2C representa los cuatro primeros ciclos de carga-descarga (voltaje de la batería de iones Na [V] frente a la capacidad específica acumulada del cátodo [mAh/g]) de la batería de carbono duro//Na1,05Ni0,40Mn0,50Mg0,025Ti0,025O2. Estos datos demuestran que el nivel de histéresis del voltaje (es decir, la diferencia de voltaje entre los procesos de
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La figura 4D representa el rendimiento del ciclo de vida (capacidad específica del cátodo [mAh/g] frente al número de ciclos) de la batería de carbono duro//Na1,05Ni0,40Mn0,50Mg0,025Ti0,025O2. La batería tiene buena reversibilidad.
Referencia a las figuras 5A, 5B, 5C y 5D
5 Los datos representados en las figuras 5A, 5B, 5C y 5D proceden de los datos de ciclado a corriente constante para un material activo de Na1,05Ni0,425Mn0,525O2 en una batería de iones Na, en la cual este material catódico estaba acoplado a un material anódico de carbono duro (Carbotron P/J). El electrolito utilizado es una solución 0,5 M de NaClO4 en carbonato de propileno. Los datos a corriente constante se registraron a una densidad de corriente
10 aproximada de 0,10 mA/cm2 entre límites de voltaje a 1,50 y 4,00 V. Para cargar totalmente la batería de iones Na, la batería se mantuvo potenciostáticamente a 4,00 V al final del proceso de carga a corriente constante, hasta que la densidad de corriente bajó al 20% del valor de la corriente constante. La comprobación se realizó a temperatura ambiente. Durante el proceso de carga de la batería los iones sodio se extraen del material catódico activo y se insertan en el ánodo de carbono duro. Durante el subsiguiente proceso de descarga los iones sodio se extraen del
15 carbono duro y se reinsertan en el material catódico activo.
La figura 5A representa la curva de voltaje de descarga en el primer ciclo (voltaje de la batería de iones Na [V] frente a la capacidad específica del cátodo [mAh/g]) de la batería de carbono duro//Na1,05Ni0,425Mn0,525O2. La capacidad específica del cátodo en este ciclo corresponde a 77 mAh/g.
20 La figura 5B representa la curva de la capacidad diferencial en el segundo ciclo (capacidad diferencial [mAh/g/V] frente al voltaje de la batería de iones Na [V]) de una batería de carbono duro//Na1,05Ni0,425Mn0,525O2. Estos datos simétricos demuestran la excelente reversibilidad de las reacciones de extracción-inserción iónica en esta batería de iones Na.
25 La figura 5C representa los tres primeros ciclos de carga-descarga (voltaje de la batería de iones Na [V] frente a la capacidad específica acumulada del cátodo [mAh/g]) de la batería de carbono duro//Na1,05Ni0,425Mn0,525O2. Estos datos demuestran que el nivel de histéresis del voltaje (es decir, la diferencia de voltaje entre los procesos de carga y descarga) es extremadamente bajo, lo cual es indicativo de la excelente cinética de las reacciones de extracción
30 inserción.
La figura 5D representa el rendimiento del ciclo de vida (capacidad específica del cátodo [mAh/g] frente al número de ciclos) de la batería de carbono duro//Na1,05Ni0,425Mn0,525O2. La batería tiene una buena reversibilidad.
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