ES2998404T3 - Process for making a coated electrode active material - Google Patents
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Abstract
1. Procedimiento para fabricar un material activo de electrodo revestido, en el que dicho procedimiento comprende las siguientes etapas: (a) proporcionar un material activo de electrodo particulado según la fórmula general Li1+xTM1-xO2, en la que TM es una combinación de Ni, Co y, opcionalmente, Mn, y, opcionalmente, al menos un metal seleccionado entre Mg, Al, Ba, Ti y Zr, y x está en el intervalo de cero a 0,2, en el que al menos el 15 % en moles del metal de transición de TM es Ni, (b) tratar dicho material activo de electrodo con un compuesto de M1, en el que M1 se selecciona entre Li, Al, B, Mg, Si, Sn y entre metales de transición, o una combinación de al menos dos de los anteriores, con o sin un disolvente, en el que dicho compuesto de M1 no actúa como material activo de cátodo por sí mismo, (c) opcionalmente, eliminar el compuesto de M1 que no se deposita sobre dicho material activo de electrodo particulado, (d) realizar un postratamiento calentando el material obtenido después de la etapa (b) o (c), en su caso, a una temperatura de 250 a 950°C en lecho fluidizado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento de fabricación de un material activo de electrodo revestido
La presente invención está dirigida a un procedimiento para fabricar un material activo de electrodo revestido en el que dicho procedimiento comprende las siguientes etapas:
(a) proporcionar un material activo particulado para electrodos según la fórmula general Lh+xTM<1>-xO<2>, en la que TM es una combinación de Ni, Co y, opcionalmente, Mn, y, opcionalmente, al menos un metal seleccionado entre Mg, Ba, Al, Ti y Zr, y x está comprendido entre cero y 0,2, en la que al menos el 15 % molar del metal de transición de TM es Ni,
(b) tratar dicho material activo de electrodo con un compuesto de M1, en el que M1 se selecciona entre Li, Al, B, Mg, Si, Sn, y entre metales de transición, o una combinación de al menos dos de los anteriores, con o sin un disolvente, en la que dicho compuesto de M1 no actúa como material activo de cátodo por sí solo,
(c) opcionalmente, eliminar el compuesto de M1 que no esté depositado sobre dicho material activo de electrodo particulado,
(d) realizar un postratamiento calentando el material obtenido tras la etapa b) o c), en su caso, a una temperatura comprendida entre 250 y 950°C en un lecho fluidizado.
Las baterías secundarias de iones de litio son dispositivos modernos para almacenar energía. Se han contemplado y se contemplan muchos campos de aplicación, desde pequeños dispositivos como teléfonos móviles y ordenadores portátiles hasta baterías para automóviles y otras baterías para la e-movilidad. Varios componentes de las baterías desempeñan un papel decisivo en su rendimiento, como el electrolito, los materiales de los electrodos y el separador. Se ha prestado especial atención a los materiales del cátodo. Se han sugerido varios materiales, como los fosfatos de litio y hierro, los óxidos de litio y cobalto y los óxidos de litio, níquel, cobalto y manganeso. Aunque se han llevado a cabo numerosas investigaciones, las soluciones encontradas hasta ahora siguen siendo mejorables.
Un problema de las baterías de iones de litio radica en las reacciones no deseadas en la superficie de los materiales activos del cátodo. Dichas reacciones pueden consistir en una descomposición del electrolito, del disolvente o de ambos. Así, se ha intentado proteger la superficie sin obstaculizar el intercambio de litio durante la carga y la descarga. Ejemplos de ello son los intentos de revestir los materiales activos catódicos con, por ejemplo, óxido de aluminio u óxido de calcio, véase, por ejemplo, US 8,993,051.
La eficiencia del procedimiento para proteger la fabricación de dicho material activo de cátodo protegido, sin embargo, todavía puede mejorarse.
Por lo tanto, era un objetivo de la presente invención proporcionar un procedimiento mediante el cual se pueda fabricar material activo particulado de electrodo que tenga una estabilidad suficiente frente a reacciones no deseadas en la superficie. Esta mejora del procedimiento debe ser fácil de realizar y dar lugar a un producto uniforme.
Por consiguiente, se ha encontrado el procedimiento tal como se ha definido al principio, en lo sucesivo también denominado procedimiento inventivo o procedimiento según la (presente) invención. El procedimiento inventivo es un procedimiento para fabricar un material activo de electrodo revestido.
En una realización de la presente invención, el material activo de electrodo de material particulado tiene un diámetro medio de partícula (D50) en el intervalo de 2 a 20 pm, preferentemente de 3 a 16 pm. El diámetro medio de las partículas puede determinarse, por ejemplo, mediante dispersión de luz o difracción LASER o espectroscopia electroacústica. Las partículas suelen estar compuestas por aglomerados de partículas primarias, y el diámetro de partícula anterior se refiere al diámetro de partículas secundarias.
El término "revestido" tal como se utiliza en el contexto con la presente invención se refiere a que al menos el 80% de las partículas de un lote de material particulado están revestidas, y a que al menos el 75% de la superficie de cada partícula está revestida, por ejemplo del 75 al 99,99% y preferiblemente del 80 al 95%.
El espesor de dicho revestimiento puede ser muy bajo, por ejemplo de 0,1 nm a 2 pm. En algunas realizaciones, el espesor puede estar comprendido entre 6 y 150 nm. En otras realizaciones, el grosor de dicho revestimiento está en el intervalo de 16 a 50 nm. El espesor en este contexto se refiere a un espesor medio determinado matemáticamente calculando la cantidad de compuesto de M1 por superficie de partícula en m2 y suponiendo una conversión del 100%.
Preferentemente, el espesor medio de un revestimiento asciende a un máximo del 10% del diámetro medio (D50) de dicho material activo de electrodo de material particulado.
El procedimiento inventivo comprende las etapas (a), (b), (c) y (d), en el contexto de la presente invención también denominadas etapa (a), etapa (b), etapa (c) y etapa (d), respectivamente.
La etapa (a) incluye proporcionar un material activo particulado de electrodo según la fórmula general Lh+xTM<1>-xO<2>, en la que TM es una combinación de Ni, Co y, opcionalmente, Mn, y, opcionalmente, al menos un metal seleccionado entre Mg, Al, Ba, Ti y Zr, y x está en el intervalo de cero a 0.2, en el que al menos el 15%molar, preferiblemente al menos el 33 % molar del metal de transición de TM es Ni, incluso más preferiblemente al menos el 50 % molar. Dicho material activo de electrodo se selecciona entre óxidos de níquel-cobalto-aluminio litificados y óxido de cobaltomanganeso litificado.
En una realización de la presente invención, el material activo particulado de electrodo tiene una superficie específica ("superficie BET") en el intervalo de 0,1 a 10 m2/g, preferentemente de 0,1 a 1,5 m2/g. La superficie BET puede determinarse mediante adsorción de nitrógeno tras la desgasificación de la muestra a 200 °C durante 30 minutos o más y más allá de este tiempo, de conformidad con la norma DIN ISO 9277:2010.
Ejemplos de óxidos de níquel-cobalto-manganeso en capas son compuestos según la fórmula general (I)
(NiaCobMnc)1-dMd (I)
con
a, que varía entre 0,6 y 0,95,
b, que varía entre 0,025 y 0,2,
c, que varía entre 0,025 y 0,2, y
d, que varía entre cero y 0,2,
M es Mg, Al, Ba, W, Ti o Zr o una combinación de al menos dos de los anteriores, y
a+ b C= 1.
Ejemplos de óxidos de níquel-cobalto-aluminio litiados preferidos son compuestos de fórmula general Li[NihCoiAlj]O<2>+r. Los valores típicos de r, h, i y j son:
h varía entre 0,75 y 0,95,
i varía entre 0,04 y 0,20,
j varía entre 0,01 y 0,05, y
r varía entre cero y 0,4.
Siendo particularmente preferidos U(1+x)[Ni0.2Co0.1Mn0.7](1-x)O2. Li(1+x)[Ni0.33Co0.33Mn0.33](1-x)O2, Li(<1>+x)[Ni<0.5>Co<0.2>Mn<0.3>](<1>-x)O<2>, Li(<1>+x)[Ni<0.6>Co<0.2>Mn<0.2>](<1>-x)O<2>, Li(1+x)[Ni0.7Co0.2Mn0.1](1-x)O2, and Li(<1>+x)[Ni<0.8>Co<0.1>Mn<0.1>](<1>-x)O<2>, Li(1+x)[Ni0.85Co0.1Mn0.05](1-x)O<2>, cada uno con x como se definió anteriormente, and Li[Ni<0.9>Co<05>Al<0.05>]O<2>.
Dicho material activo particulado de electrodo se proporciona preferentemente sin ningún aditivo tal como carbono conductor o aglutinante.
En la etapa (a), el material activo particulado de electrodo puede proporcionarse como polvo que fluye libremente o como suspensión en un disolvente orgánico o en agua. Se prefieren los polvos fluidos.
En una realización de la presente invención, el material activo de electrodo proporcionado en la etapa (a) se utiliza sin etapas preparatorias adicionales. En otra realización de la presente invención, se realiza una etapa preparatoria (p) antes de someter dicho material activo de electrodo a la etapa (b).
En la etapa opcional (p), dicho material particulado se trata con un medio acuoso. Dicho medio acuoso puede tener un valor de pH comprendido entre 2 y 14, preferiblemente al menos 5, más preferiblemente entre 7 y 12,5 y aún más preferiblemente entre 8 y 12,5. El valor del pH se mide al comienzo de la etapa (p). Se observa que en el transcurso de la etapa (p), el valor del pH aumenta hasta al menos 10.
Se prefiere que se elimine al menos parcialmente la dureza del agua del medio acuoso y en particular del agua utilizada para la etapa (p), especialmente el calcio. Es preferible utilizar agua desalinizada.
En una realización de la presente invención, la etapa (p) se lleva a cabo mediante suspendiendo el material particulado de calcinación en agua seguida de la eliminación del agua mediante un método de separación sólido-líquido y secado a una temperatura máxima en el intervalo de 50 a 450°C.
En una realización alternativa de la etapa (p), el medio acuoso utilizado en la etapa (p) puede contener amoníaco o al menos una sal de metal de transición, por ejemplo una sal de níquel o una sal de cobalto. Dichas sales de metales de transición llevan preferentemente contraiones que no son perjudiciales para un material activo de electrodo. El sulfato y el nitrato son factibles. No se prefiere el cloruro.
En una realización de la presente invención, la etapa (p) se realiza a una temperatura en el intervalo de 5 a 85°C, se prefiere de 10 a 60°C.
En una realización de la presente invención, la etapa (p) se realiza a presión normal. Se prefiere, sin embargo, realizar la etapa (p) bajo presión elevada, por ejemplo de 10 mbar a 10 bar por encima de la presión normal, o con succión, por ejemplo de 50 a 250 mbar por debajo de la presión normal, preferentemente de 100 a 200 mbar por debajo de la presión normal.
La etapa (p) puede realizarse, por ejemplo, en un recipiente que pueda descargarse fácilmente, por ejemplo debido a su ubicación por encima de un dispositivo de filtrado. Dicho recipiente puede cargarse con material de partida seguido de la introducción del medio acuoso. En otra realización, dicho recipiente se carga con un medio acuoso seguido de la introducción del material de partida. En otra realización, el material de partida y el medio acuoso se introducen simultáneamente.
En una realización de la presente invención, la relación de volumen de material de partida y medio acuoso total en la etapa (p) está en el intervalo de 2:1 a 1:5, preferentemente de 2:1 a 1:2.
La etapa (p) puede apoyarse en operaciones de mezclado, por ejemplo agitación o en particular agitación o cizallamiento, véase a continuación.
En una realización de la presente invención, la etapa (p) tiene una duración en el intervalo de 1 minuto a 30 minutos, preferentemente de 1 minuto a menos de 5 minutos. Una duración de 5 minutos o más es posible en las realizaciones en las que en la etapa (p), el tratamiento del agua y la eliminación del agua se realizan de forma solapada o simultánea.
En una realización de la etapa (p), el tratamiento de agua y la eliminación de agua se realizan consecutivamente. Tras el tratamiento con un medio acuoso de acuerdo con la etapa (p), el agua puede eliminarse mediante cualquier tipo de filtración, por ejemplo en un filtro de banda o en un filtro prensa.
En una realización de la presente invención, a más tardar 3 minutos después del comienzo de la etapa (p), se inicia la eliminación de agua. La eliminación de agua incluye la eliminación de dicho medio acuoso del material particulado tratado mediante una separación sólido-líquido, por ejemplo por decantación o preferiblemente por filtración.
En una realización de la presente invención, la suspensión obtenida en la etapa (p) se descarga directamente en una centrifugadora, por ejemplo una centrifugadora decantadora o una centrifugadora filtrante, o en un dispositivo filtrante, por ejemplo un filtro de succión o en un filtro de banda que está situado preferentemente directamente debajo del recipiente en el que se realiza la etapa (p). A continuación, se inicia la filtración.
En una realización particularmente preferente de la presente invención, la etapa (p) se realiza en un dispositivo de filtro con agitador, por ejemplo un filtro de presión con agitador o un filtro de succión con agitador. Como máximo 3 minutos después -o incluso inmediatamente después- de haber combinado el material de partida y el medio acuoso de acuerdo con la etapa (p), se inicia la eliminación del medio acuoso iniciando la filtración. A escala de laboratorio, las etapas (p) pueden realizarse en un embudo Büchner, y la etapa (p) puede apoyarse en agitación manual.
En una realización preferente, la etapa (p) se realiza en un dispositivo de filtrado, por ejemplo un dispositivo de filtrado agitado que permite la agitación de la suspensión en el filtro o de la torta de filtrado. Al comenzar la filtración, por ejemplo filtración por presión o filtración por succión, después de un tiempo máximo de 3 minutos tras el comienzo de la etapa (p), se inicia la eliminación del agua.
En una realización de la presente invención, la eliminación de agua tiene una duración en el intervalo de 1 minuto a 1 hora.
En una realización de la presente invención, la agitación en la etapa (p) se realiza con una velocidad en el intervalo de 1 a 50 revoluciones por minuto ("rpm"), se prefiere de 5 a 20 rpm.
En una realización de la presente invención, los medios filtrantes pueden seleccionarse entre cerámica, vidrio sinterizado, metales sinterizados, películas de polímeros orgánicos, no tejidos y tejidos.
En una realización de la presente invención, la etapa (p) se lleva a cabo bajo una atmósfera con contenido reducido de CO<2>, por ejemplo, un contenido de dióxido de carbono en el intervalo de 0,01 a 500 ppm en peso, se prefieren de 0,1 a 50 ppm en peso. El contenido de CO<2>puede determinarse, por ejemplo, mediante métodos ópticos que utilicen luz infrarroja. Es aún más preferible realizar la etapa (p) bajo una atmósfera con un contenido de dióxido de carbono por debajo del límite de detección, por ejemplo, con métodos ópticos basados en luz infrarroja.
La etapa b) comprende tratar dicho material activo de electrodo con un compuesto de M1, en el que M1 se selecciona entre Al, B, Mg, y entre metales de transición, o una combinación de al menos dos de los anteriores, con o sin un disolvente. Dicho tratamiento puede realizarse en una sola etapa o en una o varias subetapas, por ejemplo por revestimiento, deposición o impregnación, especialmente revestimiento sólido mecánico, o por deposición química de vapor o por deposición de capa atómica ("ALD") o por métodos de impregnación.
La etapa b) y la etapa opcional c) del procedimiento inventivo se realizan en un mezclador o un recipiente o una cascada de al menos dos recipientes, denominándose también dicho mezclador o recipiente o cascada -en su casoreactor en el contexto de la presente invención.
En una realización del procedimiento inventivo, la etapa (b) se realiza a una temperatura en el intervalo de 15 a 1000°C, preferiblemente de 15 a 500°C, más preferiblemente de 20 a 350°C, e incluso más preferiblemente de 20 a 50°C. Se prefiere seleccionar una temperatura en la etapa (b) a la que el compuesto de M1, según el caso, se encuentre en fase gaseosa.
En una realización de la presente invención, la etapa (b) se lleva a cabo a presión normal, pero la etapa (b) también puede llevarse a cabo a presión reducida o elevada. Por ejemplo, la etapa b) puede realizarse a una presión comprendida entre 5 mbar y 1 bar por encima de la presión normal, preferentemente entre 10 y 150 mbar por encima de la presión normal. En el contexto de la presente invención, la presión normal es de 1 atm o 1013 mbar. En otras realizaciones, la etapa (b) puede llevarse a cabo a una presión comprendida entre 150 mbar y 560 mbar por encima de la presión normal. En otras realizaciones, la etapa (b) se lleva a cabo a presión reducida, por ejemplo de 1 a 550 mbar.
En una realización preferente de la presente invención, los compuestos de M1 se seleccionan entre compuestos de
Al, Ti, B, Mg, Co, Y, Ta o Zr y combinaciones de al menos dos de los anteriores. Dicho compuesto de M1 no actúa como material activo catódico por sí solo. Por lo tanto, es inactivo con respecto a las reacciones del electrodo, pero sirve como conductor de iones de litio.
En una realización preferente de la presente invención, los compuestos de M1 se seleccionan de LiOR2, LiOH, LiX, M2(R1)2, M3(R1)3, M4(R1)4-yHy, M2(OR2)2, M2(OH)2, M3(OR2)3, M3(OH)3, M3OOH, M4(OR2)4, M4[NR2)2]4, M4X<4>and M5X<5>, y compuestos de M1 con combinaciones de contraiones, por ejemplo M2(R1)X, M3(R1)<2>X, M3R1X<2>, M4(R1)<3>X, M4(R1)<2>X<2>, M4R1X<3>, y de metilalumoxano, donde las variables se definen como sigue:
R1 son diferentes o iguales y se seleccionan entre C<1>-C<8>-alquilo, de cadena recta o ramificada,
R2 son diferentes o iguales y se seleccionan entre C<1>-C<4>-alquilo, de cadena recta o ramificada,
X son iguales o diferentes y se seleccionan entre acetato, formiato, nitrato o haluro, especialmente nitrato o cloruro, donde dos iones de X pueden sustituirse por sulfato u óxido,
M2 se selecciona entre Mg y Zn y Co,
M3 se selecciona entre Al, B, Y y Ti,
M4 se selecciona entre Si, Sn, Ti, Zr y Hf, siendo preferibles Sn y Ti,
M5 se selecciona entre Nb y Ta,
la variable y se selecciona entre cero y 4, especialmente entre cero y 1.
Ejemplos de LiX son LiNO<3>, LiOH y LiCl.
Ejemplos de M2(R1)<2>are n-C<4>Hg-Mg(n-octilo), Zn(CH<3)2>and Zn(C<2>Hs)<2>. Ejemplos de M2(OR1)<2>son Zn(OCH<3>)<2>, Zn(OC<2>H<5>)<2>, Mg(OCH<3>)<2>, and Mg(OC<2>H<5>)<2>.
Ejemplos de M2X<2>, son ZnCh, ZnSO<4>, ZnO, Zn(NO<3>)<2>, MgCh, MgSO<4>, MgO, Mg(NO<3>)<2>, CoCh, CoO, CoSO<4>, y Co(NO3)2.
Ejemplos preferidos de M3(OR2)3 y M4(OR2)4 are Si(OCH3)4, Si(OC2Hs)4, Si(O-n-C3H7)4, Si(O-iso-C3H7)4, Si(O-n-C4Hg)4, Ti[OCH(CH3)2]4, Ti(OC4Hg)4, Zn(OC3H7)2, Zr(OC4Hg)4, Zr(OC2H5)4, B(OCH3)3, B(OC2H5)3, Al(OCH3)3, Al(OC2Hg)3, Al(O-n-C3H7)3, Al(O-iso-C3H7)3, Al(O-sec.-C4Hg)3, and Al(OC2Hg)(O-sec.-C4Hg)2.
Ejemplos de compuestos de alquilo de aluminio son el trimetil aluminio, el trietil aluminio, el triisobutil aluminio y el metil alumoxano.
Las amidas metálicas a veces también se denominan imidas metálicas. Ejemplos de amidas metálicas son Ti[N(CH3)2]4 y Zr[N(CH3)2]4.
Ejemplos de M<3>X<3>, M<4>X<4>y M<5>X<5>y de compuestos de M<1>con combinaciones de contraiones son Al(NO<3>)<3>, AONO<3>, Al<2>(SO<4>)<3>, AIOOH, Al<2>O<3>, Al(OH)<3>, B<2>O<3>, B(OH)<3>, T iCk TiOCh, TiO(NO<3>)<2>, Ti(SO<4>)<2>, TO<2>, TiO(OH)<2>, TOS ZrOCl<2>, ZrO<2>, ZrO(OH)<2>, Zr(SO<4>)<2>, ZrOSO<4>, ZrO(NO<3>)<2>, HfO<2>, HfO(OH)<2>, HfCk HfOCh, Hf(SO<4>)<2>, HfOSO<4>, HfO(NO<3>)<2>,
SiCl<4>, (CH<3>)<3>SiCl, SiO<2>, CH<3>S O<3>, SnCl<4>, SnO y SnO<2>.
Ejemplos de metilalumoxano son tipos de trimetilaluminio parcialmente hidrolizados que incluyen compuestos de la estequiometría general Al(CH<3>)<2>OH y Al(CH<3>)(OH)<2>.
En una realización de la presente invención, la etapa (b) se lleva a cabo en un disolvente, por ejemplo un disolvente orgánico o preferiblemente agua. Ejemplos de disolventes orgánicos son metanol, etanol, n-heptano, n-decano, decahidronaftaleno, ciclohexano, tolueno, etilbenceno, orto-, meta- y para-xileno, dimetilcarbonato, dietilcarbonato, metiletilcarbonato, etilcarbonato, propilcarbonato, dietiléter, diisopropiléter, di-n-butiléter, metil terc-butil éter, 1,2-dimetoxietano, 1,1-dimetoxietano, 1,2-dietoxietano, 1,1-dietoxietano, tetrahidrofurano (THF), 1,4-dioxano, 1,3-dioxolano, N,N-dimetilformamida, N,N-dimetilacetamida y N-metilpirrolidona (NMP), N-etilpirrolidona (NEP), acetona, metiletilcetona, dimetilsulfóxido (DMSO) y ciclohexanona.
En una realización preferente, la etapa (b) se lleva a cabo suspendiendo dicho material activo particulado de electrodo en un medio acuoso y poniéndolo en contacto con un compuesto de M1 en dicho medio acuoso.
En realizaciones en las que se aplica un disolvente se prefiere que la relación de volumen de disolvente a material activo particulado de electrodo esté en el intervalo de 9:1 a 1:50. En las realizaciones en las que se aplica agua como disolvente, es preferible que la relación de volumen entre el disolvente y el material activo particulado del electrodo esté en el intervalo de 5:1 a 1:50.
En una realización, se prefiere aplicar de 0,1 a 20 % en peso de compuesto de M1, referido a material activo particulado de electrodo, más preferidos son de 10 a 20% en peso.
Para lograr dicha etapa (b) basada en disolvente o en agua, el material activo particulado de electrodo se suspende en un disolvente orgánico o en agua. Dicha suspensión puede efectuarse a una temperatura comprendida entre 10 y 100°C, preferentemente entre 20 y 60°C.
Se proporciona entonces una solución de compuesto de M1 que es soluble en dicho disolvente orgánico o agua, respectivamente, en dicho disolvente orgánico o preferiblemente en agua. A continuación, dicha solución se pone en contacto con el material activo particulado para electrodos de la etapa (a). Dicho contacto puede realizarse añadiendo material activo particulado de electrodo a la solución de compuesto de M1, o añadiendo solución de compuesto de M1 a material activo particulado de electrodo.
Mediante dicho contacto, se permite que el compuesto de M1 interactúe con el material activo particulado de electrodo. Por ejemplo, el compuesto de M1 migra a los poros del material activo particulado del electrodo y se deposita en la superficie como tal o -preferentemente- con una liberación de contraión. es ventajoso si los contraiones como el haluro se eliminan lo más completamente posible.
La etapa (b) puede tener una duración en el intervalo de un minuto a 10 horas, preferentemente de dos minutos a dos horas, más preferentemente de 5 minutos a una hora. Es preferible suspender el material activo particulado del electrodo hasta obtener una suspensión sin grumos.
En una realización de la presente invención, la etapa (b) se lleva a cabo en forma de una reacción de descomposición química de vapor. Esto incluye que el material activo particulado del electrodo se trata con compuesto evaporado de M1 o con un aerogel de compuesto de M1.
En otra realización más de la presente invención, la etapa (b) se lleva a cabo con poco o sin disolvente, y un compuesto particulado de M1, por ejemplo un óxido hidróxido u oxihidróxido se mezcla con el compuesto según la fórmula general Li<1>+XTM<1>.XO<2>, por ejemplo en un mezclador de reja de arado, en un mezclador de tambor, en un mezclador horizontal, en un mezclador de alta velocidad, en un mezclador de alto cizallamiento, en un mezclador cónico, en un mezclador Eirich o en un mezclador de caída libre.
La mezcla en seco puede realizarse sin disolvente o con cantidades muy pequeñas, por ejemplo un compuesto particulado de M1 diluyéndose con 10 a 100 vol-% de disolvente. La cantidad deseada de compuesto de M1, sin diluir o diluido, se añade entonces al material activo particulado de electrodo respectivo, y ambos se mezclan.
La mezcla puede realizarse en un recipiente agitado, en mezcladores de reja de arado, mezcladores de paletas y mezcladores de pala. Preferentemente, el procedimiento inventivo se lleva a cabo en un mezclador de pala, en un mezclador de paleta, en un mezclador de pala Becker y, más preferentemente, en un mezclador de alto cizallamiento o en un mezclador de alta velocidad o en un mezclador de reja de arado. Los mezcladores de reja de arado preferidos se instalan horizontalmente, refiriéndose el término horizontal al eje alrededor del cual gira el elemento mezclador.
En una realización preferente, la etapa (b) se lleva a cabo en un tambor o recipiente en forma de tubo que gira alrededor de su eje horizontal. En una realización más preferente, la etapa (b) se lleva a cabo en un recipiente giratorio que tiene deflectores.
Una etapa opcional (c) incluye eliminar compuesto de M1 que no está depositado sobre dicho material activo particulado de electrodo en el que dicha etapa (c) se realiza posteriormente a la etapa (b), y en el que la etapa (d) se realiza después de la etapa (c). Esta etapa opcional (c) puede realizarse filtrando el material activo particulado del electrodo tratado en realizaciones basadas en disolvente o en agua. Junto con el disolvente = o el agua, si procede, se elimina el compuesto de M1 que no ha reaccionado.
Una etapa opcional adicional puede incluir la eliminación del disolvente, si existe. La eliminación de dicho disolvente puede realizarse, por ejemplo, por filtración, lavado extractivo, eliminación del disolvente por destilación de dicho disolvente, secado y evaporación. En una realización preferente, todo o casi todo el disolvente, por ejemplo el 99% en peso o más, se elimina por evaporación.
En realizaciones de eliminación evaporativa del disolvente ("evaporación"), dicha etapa de eliminación opcional puede realizarse a una temperatura en el intervalo de cero a 300°C. En realizaciones de filtración o lavado extractivo, dicha etapa de eliminación opcional puede realizarse a una temperatura en el intervalo de cero a 100°C, preferiblemente de 15 a 90°C.
En realizaciones en las que dicha etapa de eliminación opcional se realiza como eliminación por destilación o evaporación del disolvente, puede aplicarse una presión en el intervalo de 1 a 500 mbar. En las realizaciones de filtración o lavado extractivo, dicha etapa de eliminación opcional puede realizarse también a presión ambiente.
Dicha eliminación -si procede- se realiza mejor entre antes de la etapa (d), especialmente inmediatamente antes de la etapa (d).
La etapa (d) comprende realizar un postratamiento calentando el material obtenido tras la etapa (b) o (c), en su caso, a una temperatura de 250 a 950°C, preferentemente de 300 a 800°C, más preferentemente de 405 a 800°C y aún más preferentemente de 450 a 750°C, en un lecho fluidizado. Dicho lecho fluidizado puede ser de una o varias etapas. Dicho lecho fluidizado puede ser un lecho vertido.
El material del reactor de lecho fluidizado que está en contacto con el material activo particulado de electrodo revestido al menos parcialmente en la etapa (d) puede ser un metal, una aleación metálica, una cerámica, una cerámica reforzada o un revestimiento hecho de cualquiera de los anteriores. En una realización, las aleaciones se seleccionan entre acero inoxidable y una aleación a base de níquel. En otra realización, la cerámica es una cerámica de óxido, siendo preferibles los óxidos de Al, Mg, Si, Zr, Y y sus mezclas. En una realización, la cerámica es una cerámica sin óxido, por ejemplo una cerámica de carburo o una cerámica de nitruro, por ejemplo SiC, Si<3>N<4>, o carburo de wolframio, WC. En una realización, la cerámica reforzada es un compuesto de matriz cerámica; se prefieren la alúmina reforzada con fibra de alúmina y el carburo de silicio reforzado con fibra de carburo de silicio. En una realización, el revestimiento es de baldosas cerámicas de alúmina. En una realización, el revestimiento es un recubrimiento de carburo de tungsteno. En otras realizaciones, el material del horno se selecciona entre aleaciones alumizadas, aleaciones titanizadas y níquel puro.
En una realización, el reactor de lecho fluidizado tiene aldabas. Mediante el uso de aldabas, se evita que el material activo particulado del electrodo se adhiera a la pared del tubo y se mantiene fluido.
Un reactor de lecho fluidizado multietapa en el contexto de la presente invención incluye un reactor o una combinación de reactores en los que en el estado estacionario existen al menos dos, preferiblemente al menos tres, más preferiblemente en el intervalo de 3 a 20 etapas de un lecho fluidizado. Dichas etapas también pueden denominarse zonas. Las etapas pueden disponerse horizontal o verticalmente, preferiblemente horizontalmente. Las distintas etapas están separadas entre sí mediante disposiciones físicas, especialmente a través de al menos una medida estructural. Un ejemplo de medidas estructurales en el caso de un reactor de lecho fluidizado horizontal son los vertederos. Un ejemplo de medidas estructurales en el caso de un reactor de lecho fluidizado vertical son las placas perforadas, los tableros perforados y las bandejas de burbujas (alemán: Glockenboden).
En una realización de la presente invención, dicho reactor de lecho fluidizado multietapa se selecciona de reactores de lecho fluidizado multietapa horizontales en los que las etapas están separadas entre sí por vertederos. Se prefieren vertederos de rebose o vertederos con aberturas de paso específicas, o diferentes combinaciones de vertederos con diferente geometría y disposición de la sección transversal abierta para el transporte vertical de partículas. Las partículas fluidizadas pueden pasar estas disposiciones físicas en zonas definidas, dependiendo del tipo de vertederos aplicados. En caso de vertederos de rebose, las partículas sólidas pueden pasar a la etapa siguiente, cuando el nivel de las partículas en una etapa supera la altura del vertedero. La dirección global del movimiento de las partículas puede ajustarse mediante el diseño del distribuidor de gas del lecho fluidizado, lo que permite ajustar el tiempo de residencia de las partículas en cada etapa del reactor horizontal de lecho fluidizado multietapa, así como el tiempo de residencia global.
En un reactor horizontal multietapa de lecho vertido, al menos una a todas las etapas están diseñadas para funcionamiento en lecho vertido. En este caso, las distintas etapas del reactor horizontal de lecho fluidizado de varias etapas son prismáticas.
En una realización de la presente invención, dicho reactor de lecho fluidizado multietapa se selecciona de reactores de lecho fluidizado multietapa verticales en los que las etapas están conectadas entre sí a través de tubos verticales. Las partículas sólidas pueden atravesar las disposiciones físicas que separan entre sí las distintas etapas del lecho fluidizado, desde una etapa superior a la etapa inferior. Si el nivel del lecho fluidizado en una etapa del reactor de lecho fluidizado multietapa está excediendo la altura del tubo vertical debido a una alimentación de sólidos a este nivel, los sólidos fluidizados pueden caer en el tubo vertical respectivo mientras el nivel de la etapa respectiva del lecho fluidizado exceda la altura del tubo vertical respectivo y se transfieran así a la etapa inferior. Para evitar cortocircuitos de una etapa, el punto donde el tubo vertical de la etapa superior entra en la etapa separada del reactor de lecho fluidizado multietapa y el punto, donde se encuentra el tubo vertical a la etapa inferior, deben estar en lados opuestos de la etapa separada del reactor de lecho fluidizado multietapa.
En una realización de la presente invención, la etapa (d) tiene una duración en el intervalo de 10 minutos a 180 minutos, preferiblemente de 20 a 150 minutos e incluso más preferiblemente de 20 a 90 minutos.
Preferiblemente, en realizaciones en las que la etapa (d) se lleva a cabo en un reactor de lecho fluidizado vertical multietapa, el calor en la etapa (d) se introduce al menos parcialmente a través del calentamiento de la(s) pared(es) u otros elementos del reactor en el que se está empleando la etapa (d).
En una realización de la presente invención, en la que la etapa (d) se lleva a cabo en un reactor de lecho fluidizado vertical multietapa, la temperatura de salida del gas en la etapa (d) es la temperatura ambiente. En otras realizaciones, la temperatura de salida del gas en la etapa (d) está en el rango de 50 a 100°C.
La entrada de gas puede tener una velocidad superficial de gas en el intervalo de 5 a 50 cm/s, preferentemente de 20 a 30 cm/s. Dicha velocidad se mide en el lecho fluidizado y se relaciona con el reactor vacío. El tiempo medio de permanencia del gas puede variar entre menos de un segundo y un minuto por etapa.
En una realización preferente, la velocidad superficial del gas en el lecho fluidizado cambia con cada etapa debido a las diferentes temperaturas de las etapas en la etapa (d). A continuación, el caudal volumétrico de gas y el diámetro del reactor se seleccionan de forma que la velocidad superficial del gas no sea inferior a la velocidad mínima de fluidización ni superior a la velocidad terminal (alemán: Einzel-Partikel-Austragsgeschwindigkeit). De este modo, puede conseguirse una fluidización estable.
Cuando el gas abandona el reactor de lecho fluidizado multietapa, los sólidos pueden eliminarse de la corriente de gas, por ejemplo mediante un ciclón o mediante velas filtrantes.
En una realización de la presente invención el calor en la etapa (d) se transfiere al menos parcialmente por radiación térmica, especialmente a temperaturas de 500°C o superiores. Dicha radiación térmica se produce parcialmente por calentamiento a través de un sistema de calefacción que puede estar instalado en o cerca de la pared del reactor de lecho multietapa o entre el espacio libre entre 2 etapas. Dicha radiación térmica puede producirse parcialmente por intercambio de calor entre las partículas fluidizadas. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será el porcentaje de intercambio de calor por radiación térmica.
En una realización de la presente invención, la etapa (d) se está realizando en un lecho fluidizado multietapa dentro del intervalo de 3 a 20 etapas.
En una realización de la presente invención, el aparato en el que se está realizando la etapa (d) tiene una superficie hecha de material cerámico. Esto se refiere preferentemente a la superficie que entra en contacto con el material obtenido según la etapa (c), si procede, o (b). Una superficie de cerámica -o material cerámico- se refiere a superficies, pero no necesariamente a toda la pared. Por lo tanto, es posible que la pared de dicho aparato sea de acero recubierto con un material cerámico. Dicha superficie también puede incluir algunas o todas las partes que constituyen las diferentes etapas.
En una realización de la presente invención la etapa (d) se lleva a cabo en una atmósfera con una concentración de oxígeno de al menos 20 % en volumen, por ejemplo en aire o en mezclas de oxígeno y aire, por ejemplo aire : oxígeno de 1:1 en volumen o un 80 % en volumen o 99 % en volumen de oxígeno. La etapa d) puede realizarse también en atmósfera de oxígeno puro.
Después de haber realizado la etapa (d), el material activo de electrodo revestido puede enfriarse a temperatura ambiente. Este es el caso especialmente en las realizaciones en las que se utiliza un lecho fluidizado de una sola etapa.
En una realización de la presente invención dicho enfriamiento se lleva a cabo en un tubo rotatorio enfriado. En una realización de la presente invención, el tubo de refrigeración se enfría con agua. En una realización de la presente invención, la superficie exterior del tubo giratorio de refrigeración se lava continuamente con agua.
En una realización de la presente invención, la superficie exterior del tubo giratorio para refrigeración se enfría continuamente con aire por medio de convección forzada, por extracción de aire con un soplador, o con una máquina de ventilador. La superficie exterior de dicho tubo giratorio de refrigeración puede enfriarse también mediante una máquina de ventilador o soplante.
En una realización de la presente invención, la superficie exterior del tubo giratorio de refrigeración se enfría continuamente con aire mediante convección forzada.
Después del enfriamiento, el material puede molerse opcionalmente en un molino clasificador de aire. Antes o después de la molienda opcional, el material puede clasificarse opcionalmente mediante un tamiz. Además, el material puede procesarse en un separador magnético, liberando el polvo de impurezas magnéticas.
El material activo de electrodo revestido obtenido según el procedimiento inventivo muestra un comportamiento electroquímico excelente, por ejemplo reducción del crecimiento de impedancia, gaseado, capacidad de tasa y vida de ciclo. Muestra una tendencia muy baja a la aglomeración de partículas secundarias.
Claims (10)
1. Procedimiento de fabricación de un material activo de electrodo revestido en el que dicho procedimiento comprende las siguientes etapas:
(a) proporcionar un material activo particulado para electrodos según la fórmula general Lh+xTM<1>-xO<2>, en la que TM es una combinación de Ni, Co y, opcionalmente, Mn, y, opcionalmente, al menos un metal seleccionado entre Mg, Al, Ba, Ti y Zr, y x está comprendido en el intervalo de cero a 0,2, en el que al menos el 15 % molar del metal de transición de TM es Ni,
(b) tratar dicho material activo de electrodo con un compuesto de M1, en el que M1 se selecciona entre Li, Al, B, Mg, Si, Sn, y metales de transición, o una combinación de al menos dos de los anteriores, en el que dicho compuesto de M1 no actúa como material activo de cátodo por sí solo,
(c) opcionalmente, eliminar el compuesto de M1 que no esté depositado sobre dicho material activo particulado del electrodo,
(d) realizar un postratamiento calentando el material obtenido tras la etapa b) o la etapa c), si procede, a una temperatura comprendida entre 250 y 950°C en un lecho fluidizado.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho tratamiento según la etapa (b) se selecciona entre revestimiento, deposición e impregnación.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2 en el que TM es una combinación de metales de transición según la fórmula general (I).
(NiaCobMnc)1-dMd (I)
con
a, que varía entre 0,6 y 0,95,
b, que varía entre 0,025 y 0,2,
c, que varía entre 0,025 y 0,2, y
d, que varía entre cero y 0,2,
M es Mg, Al, Ba, W, Ti o Zr o una combinación de al menos dos de los anteriores, y
a b c= 1.
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la etapa b) se realiza sin utilizar disolvente en un mezclador de reja de arado, en un mezclador de tambor, en un mezclador horizontal, en un mezclador de alta velocidad, en un mezclador de alto cizallamiento, en un mezclador cónica, en un mezclador Eirich o en un mezclador de caída libre.
5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que M1 se selecciona entre Al, Ti, B, Mg, Co, Y, Ta y Zr y combinaciones de al menos dos de los anteriores.
6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la etapa b) se lleva a cabo suspendiendo dicho material activo particulado para electrodos en un medio acuoso y poniéndolo en contacto con un compuesto de M1 en dicho medio acuoso.
7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la etapa (d) tiene una duración comprendida entre 10 minutos y 180 minutos.
8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la etapa (d) se lleva a cabo en un lecho fluidizado multietapa.
9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la etapa d) se lleva a cabo en una atmósfera con una concentración de oxígeno de al menos el 20 % en volumen.
10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que entre las etapas (b) o (d) o -en su caso- entre las etapas (c) y (d), se elimina cualquier disolvente utilizado en la etapa (b) a una temperatura comprendida entre cero y 300°C.
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