ES3036404T3 - Cathode material and preparation method thereof - Google Patents

Cathode material and preparation method thereof

Info

Publication number
ES3036404T3
ES3036404T3 ES23199535T ES23199535T ES3036404T3 ES 3036404 T3 ES3036404 T3 ES 3036404T3 ES 23199535 T ES23199535 T ES 23199535T ES 23199535 T ES23199535 T ES 23199535T ES 3036404 T3 ES3036404 T3 ES 3036404T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
cathode material
lithium
solid electrolyte
lithium oxide
precursor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES23199535T
Other languages
English (en)
Inventor
hao-wen Liu
Shiki Thi
Han-Wei Hsieh
Nae-Lih Wu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Advanced Lithium Electrochemistry Co Ltd
Original Assignee
Advanced Lithium Electrochemistry Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Advanced Lithium Electrochemistry Co Ltd filed Critical Advanced Lithium Electrochemistry Co Ltd
Application granted granted Critical
Publication of ES3036404T3 publication Critical patent/ES3036404T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G53/00—Compounds of nickel
    • C01G53/40—Complex oxides containing nickel and at least one other metal element
    • C01G53/42—Complex oxides containing nickel and at least one other metal element containing alkali metals, e.g. LiNiO2
    • C01G53/44—Complex oxides containing nickel and at least one other metal element containing alkali metals, e.g. LiNiO2 containing manganese
    • C01G53/50—Complex oxides containing nickel and at least one other metal element containing alkali metals, e.g. LiNiO2 containing manganese of the type (MnO2)n-, e.g. Li(NixMn1-x)O2 or Li(MyNixMn1-x-y)O2
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
    • H01M10/0562—Solid materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0471—Processes of manufacture in general involving thermal treatment, e.g. firing, sintering, backing particulate active material, thermal decomposition, pyrolysis
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/366—Composites as layered products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/03—Particle morphology depicted by an image obtained by SEM
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/54—Particles characterised by their aspect ratio, i.e. the ratio of sizes in the longest to the shortest dimension
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/60—Particles characterised by their size
    • C01P2004/61—Micrometer sized, i.e. from 1-100 micrometer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/80—Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases
    • C01P2004/82—Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases two phases having the same anion, e.g. both oxidic phases
    • C01P2004/84—Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases two phases having the same anion, e.g. both oxidic phases one phase coated with the other
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40—Electric properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028—Positive electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Primary Cells (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Un material catódico que incluye varias partículas (1). Cada una de estas partículas (1) incluye una capa central (10) y una capa de recubrimiento (20). La capa central (10) incluye un material de óxido metálico de litio con una composición de Li[NiaCobMncAld]O<Sub>2</Sub>, donde a+b+c+d=1, 0,8<a<1, 0<b<1, 0<=c<1 y 0<=d<1. La capa de recubrimiento (20) incluye un electrolito sólido formado por la reacción de un primer material sobre la capa central (10). El electrolito sólido tiene una composición de Li<Sub>3</Sub>InClxFy, donde x+y=6, 0<x<6 y 0<y<6. El material de óxido metálico de litio, el primer material y un disolvente se mezclan para formar un precursor, el cual se trata térmicamente para formar el material catódico. El primer material incluye litio, indio, cloro y flúor. El material de óxido de metal de litio y el electrolito sólido tienen una relación de peso que varía entre 1:0,3 y 1:0,6. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Material de cátodo y método de preparación del mismo
Sector de la técnica
La presente divulgación se refiere a un material de cátodo y a un método de preparación del mismo, y más particularmente a un material de cátodo y a un método de preparación del mismo para obtener una capa de recubrimiento de electrolito sólido a través de un disolvente orgánico, mejorando así el rendimiento electroquímico.
Estado de la técnica
En los últimos años, el desarrollo de baterías de estado sólido se ha convertido en una tendencia convencional debido al énfasis cada vez mayor en la seguridad y densidad energética. Mientras que las baterías de estado sólido muestran la promesa de mejorar con respecto a las baterías de litio tradicionales, todavía hay margen para mejoras adicionales. En términos de materiales de cátodo, se sabe que los materiales de cátodo de alto níquel son sensibles a la humedad. En cuanto a los electrolitos sólidos, es una tarea difícil reducir su espesor, al mismo tiempo que se mejoran sus propiedades mecánicas.
El documento de patente US 2022/216507 A1 divulga un material de electrolito sólido para una batería secundaria de litio, un electrodo y una batería, relacionado en particular con un material aditivo capaz de mejorar la rápida transmisión de iones en electrodos de baterías secundarias de litio, un método de preparación del mismo y aplicación del mismo, y un material de electrolito sólido para una batería secundaria, un método de preparación del mismo y aplicación del mismo, así como un electrodo, una capa fina de electrolito y un método de preparación del mismo.
Wang Jing et al.: High Lithium-Ion Conductivity, Halide-Coated, Ni-Rich NCM Improves Cycling Stability in Sulfide All-Solid-State Batteries", ACS APPLIED ENERGIE MATERIALS, vol. 6, n.° 7, páginas 3671-3681, divulga un recubrimiento de electrolito de haluro con alta conductividad de ion litio obtenido por recubrimiento mecánico en disolvente de n-heptano y recocido a 200 °C de LiNi<0,83>Co<0,14>Mn<0,03>Ü<2>rico en Ni (NCM) para baterías totalmente de estado sólido de tipo L<b>PS<s>Cl. Se ensambló un material de NCM recubierto con 10 % de Li<3>InCl<6>en una batería totalmente de estado sólido de 10 % de LIC@NCM/Li<6>PS<s>Cl/In con una capacidad de carga inicial de 201,3 mAh g<-1>, una capacidad específica de descarga de 158,7 mAh g<_1>y una eficiencia coulómbica de 79,06 %. Después de 100 ciclos a temperatura ambiente a 0,1 C de densidad de corriente, la retención de capacidad fue del 92 % y la retención de capacidad fue del 72 % después de 270 ciclos. En comparación, las baterías totalmente de estado sólido que usan Li<6>PS<5>Cl emparejado y NCM no tratado tuvieron una tasa de retención de la capacidad del 53 % después de 100 ciclos a 0,1 C bajo el mismo régimen de carga/descarga y entorno. Se indica que el rendimeinto de los ciclos y el rendimiento de velocidad del material de NCM mejoran significativamente después del recubrimiento con 10 % de LIC. En este artículo, la difracción de rayos X (XRD), la espectroscopía de absorción de rayos X (XAS), la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), la microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HR-TEM), la microscopía electrónica de barrido (SEM), y otras pruebas y análisis, confirmaron lo siguiente: la capa interfacial pregenerada de aproximadamente 2 nm sobre la superficie de NCM después del recubrimiento con electrolito sólido de 10 % de haluro mejora la estabilidad estructural del material durante la carga y descarga, la capa de recubrimiento de LIC ralentiza la descomposición de L^PS<s>Cl durante el ciclo, y el aumento de capacidad a altas velocidades es debido a la reducción de la impedancia interfacial entre el material de cátodo y el electrolito sólido de LI<6>PS<5>Cl.
Entre los diferentes tipos de electrolitos de estado sólido, los electrolitos sólidos de óxido, los electrolitos sólidos de sulfuro y los electrolitos sólidos de haluro han surgido como las opciones más prometedoras par la producción industrial. Particularmente, los electrolitos sólidos de haluro han recibido una atención significativa en los últimos años debido a sus sorprendentes propiedades, tales como elevada estabilidad, seguridad, conductividad iónica y baja impedancia interfacial. Sin embargo, similar a los materiales de cátodo de alto níquel, los electrolitos sólidos de haluro también son sensibles a la humedad. Además, todavía hay margen para mejoras del rendimiento electroquímico del Li<3>InCl<6>ampliamente usado en electrolitos sólidos de haluro.
Por lo tanto, existe una necesidad de proporcionar un material de cátodo y un método de preparación del mismo para obtener una capa de recubrimiento de electrolito sólido a través de un disolvente orgánico, eliminando así los efectos adversos de la humedad sobre el material de cátodo y mejorando el rendimiento electroquímico.
Objeto de la invención
Es un objeto de la presente divulgación proporcionar un material de cátodo que tenga una capa de recubrimiento de electrolito sólido obtenida a través de un disolvente orgánico, eliminando así los efectos adversos de la humedad sobre el material de cátodo y mejorando el rendimiento electroquímico. El material de cátodo incluye una pluralidad de partículas. Cada una de la pluralidad de partículas incluye una capa de núcleo y una capa de recubrimiento recubierta encima. La capa de núcleo incluye un material metálico de óxido de litio que tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Mn<c>Al<d>]O<2>. El coeficiente "a" cumple la condición de 0,8<a<1. Al incorporar la capa de núcleo con elevado contenido de níquel, se logra el material de cátodo de bajo coste con alta densidad energética. La capa de recubrimiento del material de cátodo incluye un electrolito sólido que tiene una composición de Li<3>InCl<x>F<y>. La incorporación de cloro y flúor en el electrolito sólido da además como resultado el material de cátodo con alta capacidad de descarga y alta retención de la capacidad de descarga. Los coeficientes "x" e "y" cumplen las condiciones de 4<x<5,5 y 0,5<y<2. Al controlar la relación de cantidad de cloro y flúor en el electrolito sólido, se potencia el rendimiento electroquímico del material de cátodo. El material metálico de óxido de litio en la capa de núcleo y el electrolito sólido en la capa de recubrimiento tienen una relación ponderal que oscila de 1:0,3 a 1:0,6, dando como resultado el material de cátodo con una estructura uniforme de núcleo-corteza.
Otro objeto de la presente divulgación es proporcionar un método de preparación de un material de cátodo para obtener una capa de recubrimiento de electrolito sólido a través de un disolvente orgánico, eliminando así los efectos adversos de la humedad sobre el material de cátodo y mejorando el rendimiento electroquímico. Un material metálico de óxido de litio, un primer material y un disolvente orgánico se mezclan y se tratan térmicamente para formar el material de cátodo. En comparación con la mezcla en seco, la mezcla en húmedo usando el disolvente orgánico ofrece rentabilidad y fácil controlabilidad. No solo potencia la dispersión sólida del material de cátodo, sino que también elimina los efectos adversos de la humedad. Además, mediante la mezcla en húmedo, el primer material se hace reaccionar y se somete a una síntesisin situsobre la superficie de las partículas del material de cátodo, dando como resultado la formación de un electrolito sólido. Esto conduce a la formación del material de cátodo con una estructura uniforme de núcleo-corteza, mejorando así el rendimiento electroquímico. El tratamiento térmico tiene un intervalo de temperatura que oscila de 100 °C a 250 °C, lo que garantiza que el método de preparación del material de cátodo sea eficiente en el consumo energético, rentable y respetuoso con el medioambiente.
Para lograr el objeto mencionado anteriormente, se proporciona un material de cátodo que incluye una pluralidad de partículas según la reivindicación 1 adjunta. Cada una de la pluralidad de partículas incluye una capa de núcleo y una capa de recubrimiento. La capa de núcleo incluye un material metálico de óxido de litio. El material metálico de óxido de litio tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Mn<c>Al<d>]O<2>. Los coeficientes "a", "b", "c" y "d" cumplen las condiciones de a+b+c+d=1, 0,8<a<1, 0<b<1, 0<c<1, y 0<d<1. La capa de recubrimiento está recubierta sobre la capa de núcleo e incluye un electrolito sólido. Un primer material se hace reaccionar sobre la capa de núcleo para sintetizarin situel electrolito sólido. El electrolito sólido tiene una composición de Li<3>InCl<x>F<y>. Los coeficientes "x" e "y" cumplen las condiciones de x+y=6, 4<x<5,5, y 0,5<y<2. El material metálico de óxido de litio, el primer material y un disolvente se mezclan para formar un precursor. El precursor se trata térmicamente para formar el material de cátodo. El primer material incluye litio, indio, cloro y flúor. El material metálico de óxido de litio y el electrolito sólido tienen una relación ponderal que varía de 1:0,3 a 1:0,6.
En una realización, el coeficiente "a" cumple la condición de 0,9<a<1.
En una realización, el material metálico de óxido de litio y el electrolito sólido tienen una relación ponderal que varía de 1:0,4 a 1:0,5.
En una realización, cada una de la pluralidad de partículas tiene un tamaño de partículas, y la capa de recubrimiento tiene un espesor. El tamaño de partículas y el espesor tienen una relación que varía de 6:1 a 40:1.
En una realización, el tamaño de partículas varía de 5 pm a 20 pm, y el espesor varía de 0,5 pm a 3 pm.
En una realización, el primer material comprende cloruro de litio (LiCl), fluoruro de litio (LiF) y cloruro de indio (InCb). En una realización, el disolvente incluye un disolvente orgánico volátil.
En una realización, el precursor se trata térmicamente en un entorno a vacío o una atmósfera inerte para formar el material de cátodo.
En una realización, el precursor se trata térmicamente a una temperatura para formar el material de cátodo. La temperatura varía de 100 °C a 250 °C.
Para conseguir además el objeto mencionado anteriormente, se proporciona un método de preparación de un material de cátodo según la reivindicación 8 adjunta. El método de preparación incluye las etapas de: (a) proporcionar un material metálico de óxido de litio que tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Mn<c>Al<d>]O<2>, en donde a+b+c+d=1, 0,8<a<1, 0<b<1, 0<c<1 y 0<d<1; (b) mezclar el material metálico de óxido de litio con un primer material y un disolvente para formar un precursor, en donde el primer material incluye litio, indio, cloro y flúor; y (c) tratar térmicamente el precursor para formar el material de cátodo que comprende una pluralidad de partículas, en donde cada una de la pluralidad de partículas incluye una capa de núcleo y una capa de recubrimiento recubierta sobre la capa de núcleo, la capa de núcleo incluye el material metálico de óxido de litio, y la capa de recubrimiento incluye un electrolito sólido que tiene una composición de Li<3>lnCl<x>F<y>, en donde x+y=6, 4<x<5,5 y 0,5<y<2, y el primer material se hace reaccionar sobre la capa de núcleo para formar el electrolito sólido, en donde el material metálico de óxido de litio y el electrolito sólido tienen una relación ponderal que varía de 1:0,3 a 1:0,6.
En una realización, el coeficiente "a" cumple la condición de 0,9<a<1.
En una realización, el material metálico de óxido de litio y el electrolito sólido tienen una relación ponderal que varía de 1:0,4 a 1:0,5.
En una realización, cada una de la pluralidad de partículas tiene un tamaño de partículas, y la capa de recubrimiento tiene un espesor. El tamaño de partículas y el espesor tienen una relación que varía de 6:1 a 40:1.
En una realización, el tamaño de partículas varía de 5 pm a 20 pm, y el espesor varía de 0,5 pm a 3 pm.
En una realización, el primer material comprende cloruro de litio (LiCl), fluoruro de litio (LiF) y cloruro de indio (InCb).
En una realización, el disolvente incluye un disolvente orgánico volátil.
En una realización, el precursor se trata térmicamente en un entorno a vacío o una atmósfera inerte para formar el material de cátodo.
En una realización, el precursor se trata térmicamente a una temperatura para formar el material de cátodo. La temperatura varía de 100 °C a 250 °C.
Descripción de las figuras
La FIG. 1 es un diagrama esquemático de una partícula de material de cátodo según una realización de la presente divulgación;
la FIG. 2 es una imagen de SEM en sección transversal de partículas de material de cátodo según una realización de la presente divulgación;
la FIG. 3 es un diagrama de flujo de un método de preparación de un material de cátodo según una realización de la presente divulgación;
las FIG. 4A y 4B son imágenes de SEM de un material de cátodo según un primer ejemplo demostrativo de la presente divulgación;
las FIG. 5A y 5B son imágenes de SEM de un material de cátodo según un segundo ejemplo demostrativo de la presente divulgación;
las FIG. 6A y 6B son imágenes de SEM de un material de cátodo según un tercer ejemplo demostrativo de la presente divulgación;
las FIG. 7A y 7B son imágenes de SEM de un material de cátodo según un ejemplo comparativo de la presente divulgación;
la FIG. 8A es un gráfico de capacidad de descarga frente al número de ciclos según el primer ejemplo demostrativo de la presente divulgación;
la FIG. 8B es un gráfico de capacidad de descarga frente al número de ciclos según el segundo ejemplo demostrativo de la presente divulgación;
la FIG. 8C es un gráfico de capacidad de descarga frente al número de ciclos según el tercer ejemplo demostrativo de la presente divulgación;
la FIG. 8D es un gráfico de capacidad de descarga frente al número de ciclos según el ejemplo comparativo de la presente divulgación;
la FIG. 9A es un gráfico de retención de la capacidad de descarga frente al número de ciclos según el primer ejemplo demostrativo de la presente divulgación;
la FIG. 9B es un gráfico de retención de la capacidad de descarga frente al número de ciclos según el segundo ejemplo demostrativo de la presente divulgación;
la FIG. 9C es un gráfico de retención de la capacidad de descarga frente al número de ciclos según el tercer ejemplo demostrativo de la presente divulgación; y
la FIG. 9D es un gráfico de retención de la capacidad de descarga frente al número de ciclos según el ejemplo comparativo de la presente divulgación.
Descripción detallada de la invención
La presente divulgación se describirá ahora más específicamente con referencia a las siguientes realizaciones. Se debe observar que las siguientes descripciones de realizaciones preferidas de la presente divulgación se presentan en el presente documento únicamente a efectos ilustrativos y descriptivos. No pretende ser exhaustiva ni limitarse a la forma precisa divulgada. Además, aunque "primero", "segundo", "tercero" y términos similares se usen en las reivindicaciones para describir los diversos elementos que se pueden apreciar, estos elementos no se deben limitar por estos términos, y estos elementos descritos en las realizaciones respectivas se usan para expresar los diferentes números de referencia, estos términos solo se usan para distinguir un elemento de otro elemento. Por ejemplo, un primer elemento se podría denominar un segundo elemento, y, similarmente, un segundo elemento se podrían denominar un primer elemento, sin apartarse del alcance de las realizaciones de ejemplo. Además, "y/o" y similares se pueden usar en el presente documento para incluir cualquiera o todas las combinaciones de uno o más de los puntos enumerados asociados. Alternativamente, la palabra "aproximadamente" significa dentro de un error estándar aceptable del nivel medio reconocido por el experto habitual en la técnica. Además de los ejemplos de funcionamiento / trabajo, o a menos que se establezca de otro modo específicamente lo contrario, en todos los casos, todos los intervalos numéricos, cantidades, valores y porcentajes, tales como el número para los materiales desvelados en el presente documento, duración de tiempo, temperatura, condiciones de operación, la relación de la cantidad, y similares, se deben entender como el decorador de palabra "aproximadamente". Por consiguiente, a menos que se indique lo contrario, los parámetros numéricos de la presente invención y el alcance de la patente propuesta es seguir los cambios en las aproximaciones deseadas. Al menos, el número de dígitos significativos para cada parámetro numérico debe ser al menos informado y explicado por técnicas de redondeo convencionales, si se aplican. En el presente documento, se puede expresar como intervalo entre desde un punto extremo y el otro o ambos puntos terminales. A menos que se especifique lo contrario, todos los intervalos divulgados en el presente documento son inclusivos.
La FIG. 1 es un diagrama esquemático de una partícula de material de cátodo según una realización de la presente divulgación. La FIG. 2 es una imagen de SEM en sección transversal de partículas de material de cátodo según una realización de la presente divulgación. La FIG. 2 se obtiene por una microscopía electrónica de barrido de haz iónico focalizado (FIB-SEM). En la realización, el material de cátodo incluye una pluralidad de partículas 1. Cada una de la pluralidad de partículas 1 incluye una capa de núcleo 10 y una capa de recubrimiento 20. La capa de núcleo 10 incluye un material metálico de óxido de litio. El material metálico de óxido de litio tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Mn<c>Al<d>]O<2>. Los coeficientes "a", "b", "c" y "d" cumplen las condiciones de a+b+c+d=1, 0,8<a<1, 0<b<1, 0<c<1 y 0<d<1. La capa de recubrimiento 20 está recubierta sobre la capa de núcleo 10 e incluye un electrolito sólido. Un primer material se hace reaccionar sobre la capa de núcleo 10 para sintetizarin situel electrolito sólido. El electrolito sólido tiene una composición de Li<3>InCl<x>F<y>. Los coeficientes "x" e "y" cumplen las condiciones de x+y=6, 4<x<5,5 y 0,5<y<2. El material metálico de óxido de litio, el primer material y un disolvente se mezclan para formar un precursor. El precursor se trata térmicamente para formar el material de cátodo. El primer material incluye litio, indio, cloro y flúor. El material metálico de óxido de litio y el electrolito sólido tienen una relación ponderal que varía de 1:0,3 a 1:0,6. La incorporación de cloro y flúor en el electrolito sólido da como resultado el material de cátodo con alta capacidad de descarga y alta retención de la capacidad de descarga. En la realización, preferentemente pero no exclusivamente, el material metálico de óxido de litio incluye un material de óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso (NCM) que tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Mn<c>]O<2>. Los coeficientes "a", "b" y "c" cumplen las condiciones de a=0,83, b=0,12 y c=0,05. Estos valores indican que el níquel, el cobalto y el manganeso en el material NCM tienen una relación en cantidad de 83:12:5. Preferentemente pero no exclusivamente, el material de óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso se prepara por un método de síntesis en estado sólido. En otras realizaciones, el material metálico de óxido de litio incluye un material de óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso (NCM) con una relación en cantidad diferente, un material de óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio (NCA) que tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Al<d>]O<2>, o un material de óxido de litio, níquel, cobalto, manganeso y aluminio (NCMA) que tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Mn<c>Al<d>]O<2>, y se prepara por un proceso sol-gel. En una realización, preferentemente pero no exclusivamente, el material metálico de óxido de litio tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Mn<c>Al<d>]O<2>, y el coeficiente "a" cumple la condición de 0,9<a<1. Esta condición indica que la proporción de níquel en los elementos metálicos distintos de litio en el material metálico de óxido de litio es superior al 90 %. Preferentemente pero no exclusivamente, el material metálico de óxido de litio incluye un material de óxido de litio, níquel, cobalto, manganeso y aluminio (NCMA) que tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Mn<c>Al<d>]O<2>. Los coeficientes "a", "b", "c" y "d" cumplen las condiciones de a=0,93, b=0,03, c=0,03 y d=0,01. Estos valores indican que el níquel, cobalto, manganeso y aluminio en el material de NCMA tienen una relación en cantidad de 93:3:3:1. Al incorporar la capa de núcleo 10 con alto contenido de níquel, se consigue el material de cátodo de bajo coste con alta densidad energética. Se debe observar que los tipos, la composición y los procesos de preparación del material metálico de óxido de litio son ajustables según los requisitos prácticos. La presente divulgación no se limita a esto, y no se describe redundantemente en el presente documento.
Preferentemente pero no exclusivamente, en la composición de Li<s>InCl<x>F<y>, los coeficientes "x" e "y" cumplen además las condiciones de 4<x<5,5 y 0,5<y<2. Estas condiciones indican que el cloro y el flúor tienen una relación en cantidad que varía de 5,5:0,5 a 4:2. Al controlar la relación en cantidad de cloro y flúor en el electrolito sólido, se potencia el rendimiento electroquímico del material de cátodo. Incluso más preferentemente, la relación en cantidad entre cloro y flúor varía de 5,3:0,7 a 4,5:1,5. La presente divulgación no se limita a esto.
En una realización, preferentemente pero no exclusivamente, el material metálico de óxido de litio y el electrolito sólido tienen una relación ponderal que varía de 1:0,4 a 1:0,5, dando como resultado el material de cátodo con una estructura uniforme de núcleo-corteza. Como se muestra en la FIG. 2, cada una de la pluralidad de las partículas 1 incluye un tamaño de partículas T1, y la capa de recubrimiento 20 tiene un espesor T2. El tamaño de partículas T1 y el espesor T2 tienen una relación que varía de 6:1 a 40:1. El tamaño de partículas T1 varía de 5 pm a 20 pm, y el espesor T2 varía de 0,5 pm a 3 pm.
En la realización, el primer material comprende cloruro de litio (LiCl), fluoruro de litio (LiF) y cloruro de indio (InCl3). El disolvente es un disolvente orgánico volátil. En comparación con la mezcla en seco, la mezcla en húmedo usando el disolvente orgánico ofrece rentabilidad y fácil controlabilidad. No solo potencia la dispersión sólida del material de cátodo, sino que también elimina los efectos adversos de la humedad. Además, mediante la mezcla en húmedo, el primer material se hace reaccionar y se somete a una síntesisin situsobre la superficie de las partículas del material de cátodo, dando como resultado la formación de un electrolito sólido. Esto conduce a la formación del material de cátodo con una estructura uniforme de núcleo-corteza, mejorando así el rendimiento electroquímico. En el primer material, los elementos litio, indio y halógeno (la suma de cloro y flúor) tienen una relación en cantidad de 3:1:6. Preferentemente pero no exclusivamente, el disolvente orgánico volátil es etanol. Sin embargo, se debe observar que otros disolventes orgánicos volátiles que no reaccionan con el material metálico de óxido de litio y el primer material también son adecuados, y su descripción no se describe redundantemente en el presente documento. En la realización, el material metálico de óxido de litio, el primer material, un aditivo conductor, un aglutinante y el disolvente se mezclan y se hacen reaccionar para formar el precursor. El material metálico de óxido de litio, el primer material, el aditivo conductor, el aglutinante y el disolvente se hacen reaccionar en un entorno a vacío o una atmósfera inerte para formar el material de cátodo. Preferentemente pero no exclusivamente, el aditivo conductor incluye un tubo de nanocarbono, un conductor de grafito, un negro de carbón conductor, un negro de acetileno o una fibra de carbono crecida en vapor (VGCF). El aglutinante incluye un poli(difluoruro de vinilideno) (PVDF) o un politetrafluoroeteno (PTFE). El entorno a vacío está en un matraz de reacción que tiene una presión inferior o igual a 0,13 Pa (10<-3>torr). La atmósfera inerte es una atmósfera de argón o una atmósfera de nitrógeno. La presente divulgación no se limita a esto.
Según el material de cátodo mencionado anteriormente, se proporciona una preparación para el material de cátodo. La FIG. 3 es un diagrama de flujo de un método de preparación de un material de cátodo según una realización de la presente divulgación. En primer lugar, como se muestra en la etapa E1, se proporciona un material metálico de óxido de litio. El material metálico de óxido de litio tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Mn<c>Al<d>]O<2>. Los coeficientes "a", "b", "c" y "d" cumplen las condiciones de a+b+c+d=1, 0,8<a<1, 0<b<1, 0<c<1 y 0<d<1. En la realización, preferentemente pero no exclusivamente, el material metálico de óxido de litio incluye un material de óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso (NCM) que tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Mn<c>]O<2>. Los coeficientes "a", "b" y "c" cumplen las condiciones de a=0,83, b=0,12 y c=0,05. Estos valores indican que el níquel, el cobalto y el manganeso en el material NCM tienen una relación en cantidad de 83:12:5. Preferentemente, pero no exclusivamente, el material de óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso se prepara por un método de síntesis en estado sólido. En otras realizaciones, el material metálico de óxido de litio incluye un material de óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso (NCM) con una relación de composición diferente, un material de óxido de litio, níquel, cobalto y óxido de aluminio (NCA) que tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Al<d>]O<2>, o un material de óxido de litio, níquel, cobalto, manganeso y aluminio (NCMA) que tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Mn<c>Al<d>]O<2>, y se prepara por un proceso solgel. En una realización, preferentemente pero no exclusivamente, el material metálico de óxido de litio tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Mn<c>Al<d>]O<2>, y el coeficiente "a" cumple la condición de 0,9<a<1. Esta condición indica que la proporción de níquel en los elementos metálicos distintos de litio en el material metálico de óxido de litio es superior al 90 %. Preferentemente pero no exclusivamente, el material metálico de óxido de litio incluye un material de óxido de litio, níquel, cobalto, manganeso y aluminio (NCMA) que tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Mn<c>Al<d>]O<2>. Los coeficientes "a", "b", "c" y "d" cumplen las condiciones de a=0,93, b=0,03, c=0,03 y d=0,01. Estos valores indican que el níquel, el cobalto, el manganeso y el aluminio en el material de NCMA tienen una relación en cantidad de 93:3:3:1. Al incorporar la capa de núcleo 10 con alto contenido de níquel, se consigue el material de cátodo de bajo coste con alta densidad energética. Se debe observar que los tipos, las relaciones de composición y los procesos de preparación del material metálico de óxido de litio son ajustables según los requisitos prácticos. La presente divulgación no se limita a esto, y no se describe redundantemente en el presente documento.
Después de esto, como se muestra en la etapa E2, el material metálico de óxido de litio, el primer material y un disolvente se mezclan para formar un precursor. El primer material incluye litio, indio, cloro y flúor. El primer material comprende cloruro de litio (LiCl), fluoruro de litio (LiF) y cloruro de indio (InCl3). El disolvente es un disolvente orgánico volátil. En comparación con la mezcla en seco, la mezcla en húmedo usando el disolvente orgánico ofrece rentabilidad y fácil controlabilidad. No solo potencia la dispersión sólida del material de cátodo, sino que también elimina los efectos adversos de la humedad. Además, mediante la mezcla en húmedo, el primer material se hace reaccionar y se somete a una síntesisin situsobre la superficie de las partículas de material de cátodo, dando como resultado la formación de un electrolito sólido. Esto conduce a la formación del material de cátodo con una estructura uniforme de núcleo-corteza, mejorando así el rendimiento electroquímico. En el primer material, los elementos de litio, indio y halógeno (la suma de cloro y flúor) tienen una relación en cantidad de 3:1:6. Preferentemente pero no exclusivamente, el disolvente orgánico volátil es etanol. Sin embargo, se debe observar que también son adecuados otros disolventes orgánicos volátiles que no reaccionan con el material metálico de óxido de litio y el primer material, y su descripción no se describe redundantemente en el presente documento. En la realización, el material metálico de óxido de litio, el primer material, un aditivo conductor, un aglutinante y el disolvente se mezclan y reaccionan para formar el precursor. El material metálico de óxido de litio, el primer material, el aditivo conductor, el aglutinante y el disolvente se hacen reaccionar en un entorno a vacío o una atmósfera inerte para formar el material de cátodo. Preferentemente pero no exclusivamente, el aditivo conductor incluye un tubo de nanocarbono, un grafito conductor, un negro de carbón conductor, un negro de acetileno o una fibra de carbono crecida en vapor (VGCF). El aglutinante incluye un poli(difluoruro de vinilideno) (PVDF) o un politetrafluoroeteno (PTFE). El entorno a vacío está en un matraz de reacción que tiene una presión inferior o igual a 0,13 Pa (10<-3>torr). La atmósfera inerte es una atmósfera de argón o una atmósfera de nitrógeno. La presente divulgación no se limita a esto.
Finalmente, como se muestra en la etapa E3, el precursor se trata térmicamente para formar el material de cátodo que incluye una pluralidad de partículas 1. Cada una de la pluralidad de partículas 1 incluye una capa de núcleo 10 y una capa de recubrimiento 20. La capa de núcleo 10 incluye el material metálico de óxido de litio. La capa de recubrimiento está recubierta sobre la capa de núcleo e incluye un electrolito sólido. El primer material se hace reaccionar sobre la capa de núcleo 20 para sintetizarin situel electrolito sólido. El electrolito sólido tiene una composición de Li<3>InCl<x>F<y>. Los coeficientes "x" e "y" cumplen las condiciones de x+y=6, 4<x<5,5 y 0,5<y<2. El material metálico de óxido de litio y el electrolito sólido tienen una relación ponderal que varía de 1:0,3 a 1:0,6. Preferentemente pero no exclusivamente, el precursor se trata térmicamente en un entorno de vacío o una atmósfera inerte para formar el material de cátodo. El entorno de vacío es en un matraz de reacción que tiene una presión inferior o igual a 0,13 Pa (10<-3>torr). La atmósfera inerte es una atmósfera de argón o una atmósfera de nitrógeno. La presente divulgación no se limita a esto. El precursor se trata térmicamente a un intervalo de temperatura de 100 °C a 250 °C. Preferentemente pero no exclusivamente, la temperatura varía de 160 °C a 200 °C, lo que garantiza que el método de preparación del material de cátodo sea eficiente en el consumo energético, rentable y respetuoso con el medioambiente. En la realización, el precursor se recubre uniformemente sobre una lámina metálica y tratada en caliente, y entonces se corta para formar la hoja de cátodo.
Preferentemente pero no exclusivamente, en la composición de Li<3>InCl<x>F<y>, los coeficientes "x" e "y" cumplen además las condiciones de 4<x<5,5 y 0,5<y<2. Estas condiciones indican que el cloro y el flúor tienen una relación en cantidad que varía de 5,5:0,5 a 4:2. Al controlar la relación en cantidad de cloro y flúor en el electrolito sólido, el rendimiento electroquímico del material de cátodo se potencia. Incluso más preferentemente, la relación en cantidad entre cloro y flúor varía de 5,3:0,7 a 4,5:1,5. La presente divulgación no se limita a esto. En una realización, preferentemente pero no exclusivamente, el material metálico de óxido de litio y el electrolito sólido tienen una relación ponderal que varía de 1:0,4 a 1:0,5, dando como resultado el material de cátodo con una estructura uniforme de núcleo-corteza. Cada una de la pluralidad de las partículas 1 incluye un tamaño de partículas T1, y la capa de recubrimiento 20 tiene un espesor T2. El tamaño de partículas T1 y el espesor T2 tienen una relación que varía de 6:1 a 40:1. El tamaño de partículas T1 varía de 5 pm a 20 pm, y el espesor T2 varía de 0,5 pm a 3 pm. El proceso de preparación y los efectos de la presente divulgación se describen además con detalle a continuación mediante un ejemplo comparativo y ejemplos demostrativos.
Primer ejemplo demostrativo
El primer ejemplo demostrativo es un material de cátodo preparado a través de las siguientes etapas. En primer lugar, se proporciona un material metálico de óxido de litio. El material metálico de óxido de litio tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Mn<c>]O<2>. Los coeficientes "a", "b" y "c" cumplen las condiciones de a=0,82, b=0,13 y c=0,05. Esto indica que el material metálico de óxido de litio es un material de óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso, donde el níquel, el cobalto y el manganeso tienen una relación en cantidad de 83:12:5.
Después de eso, se mezclan 0,68 gramos de material metálico de óxido de litio, 0,3 gramos del primer material, 0,02 gramos de fibra de carbono crecida en vapor (VGCF), 0,01 gramos de politetrafluoroeteno (PTFE) y 3 mililitros de etanol, y se trituran a una temperatura de 120 °C para formar un precursor. El primer material del primer ejemplo demostrativo incluye 0,083 gramos de cloruro de litio (LiCl), 0,0189 gramos de fluoruro de litio (LiF) y 0,199 gramos de cloruro de indio (InCb). Esto indica que, en el primer material, el litio, el indio, el cloruro y el fluoruro tienen una relación en cantidad de 3:1:5,19:0,81.
Finalmente, el precursor se trata térmicamente para formar el material de cátodo. El precursor se trata térmicamente en una atmósfera de argón a una temperatura de 180 °C durante una duración de 2 horas.
Segundo ejemplo demostrativo
El método de preparación del segundo ejemplo demostrativo es aproximadamente similar al del primer ejemplo demostrativo. El primer material del segundo ejemplo demostrativo incluye 0,068 gramos de cloruro de litio (LiCl), 0,029 gramos de fluoruro de litio (LiF) y 0,203 gramos de cloruro de indio (InCb). Esto indica que en el primer material, el litio, el indio, el cloruro y el fluoruro tienen una relación en cantidad de 3:1:4,77:1,23.
Tercer ejemplo demostrativo
El método de preparación del tercer ejemplo demostrativo es aproximadamente similar al del primer ejemplo demostrativo. El primer material del tercer ejemplo demostrativo incluye 0,053 gramos de cloruro de litio (LiCl), 0,04 gramos de fluoruro de litio (LiF) y 0,207 gramos de cloruro de indio (InCb). Esto indica que en el primer material, el litio, el indio, el cloruro y el fluoruro tienen una relación en cantidad de 3:1:4,35:1,65.
Ejemplo comparativo
El método de preparación del ejemplo comparativo es aproximadamente similar al del primer ejemplo demostrativo. El primer material del ejemplo comparativo incluye 0,11 gramos de cloruro de litio (LiCl) y 0,19 gramos de cloruro de indio (InCb). Esto indica que el primer material no incluye fluoruro, y el litio, el indio y el cloruro tienen una relación en cantidad de 3:1:4,35:1,65.
Las FIG. 4A y 4B son imágenes de SEM de un material de cátodo según un primer ejemplo demostrativo de la presente divulgación. Las FIG. 5A y 5B son imágenes de SEM de un material de cátodo según un segundo ejemplo demostrativo de la presente divulgación. Las FIG. 6A y 6B son imágenes de SEM de un material de cátodo según un tercer ejemplo demostrativo de la presente divulgación. Las FIG. 7A y 7B son imágenes de SEM de un material de cátodo según un ejemplo comparativo de la presente divulgación. Las FIG. 8A a 8D son gráficos de la capacidad de descarga frente al número de ciclos para pilas de botón fabricadas usando el primer ejemplo demostrativo, el segundo ejemplo demostrativo, el tercer ejemplo demostrativo y el ejemplo comparativo de la presente divulgación. La Tabla 1 a continuación muestra la capacidad de descarga en el primer ciclo y el cuadragésimo quinto ciclo para las pilas de botón fabricadas usando el primer ejemplo demostrativo, el segundo ejemplo demostrativo, el tercer ejemplo demostrativo y el ejemplo comparativo. El cátodo de cada pila de botón se fabrica usando el primer ejemplo demostrativo, el segundo ejemplo demostrativo, el tercer ejemplo demostrativo y el ejemplo comparativo, respectivamente. El ánodo de cada pila de botón se fabrica usando litio. Las pilas de botón se prueban en condiciones específicas, que incluyen una ventana de tensión que varía de 2,5 V a 4,4 V, una tasa C de 0,1 C y una temperatura de 55 °C. Las pilas de botón se cargan por un método de corriente continua (CC) y se descargan por un método de tensión constante a corriente constante (CCCV). Durante la descarga a tensión constante a corriente constante (CCCV), las pilas de botón se descargan a una corriente constante hasta que consiguen un límite de tensión especificada. Una vez se consigue el límite de tensión, las pilas de botón se descargan entonces a una tensión constante hasta que se descargan completamente. Como se muestra en las FIG. 8A a 8D y la Tabla 1, durante el primer ciclo, la capacidad de descarga del segundo ejemplo demostrativo es 196,18 mAh/g, ligeramente superior a la capacidad de descarga del ejemplo comparativo. En el segundo ejemplo demostrativo, el cloro y el flúor tienen una relación en cantidad de 4,77:1,23. Por otra parte, la capacidad de descarga del primer ejemplo demostrativo es 189,49 mAh/g, ligeramente inferior a la capacidad de descarga del ejemplo comparativo. Sin embargo, las diferencias no son significativas. En el primer ejemplo demostrativo, el cloro y el flúor tienen una relación en cantidad de 5,19:0,81. Durante el cuadragésimo quinto ciclo, la capacidad de descarga del primer ejemplo demostrativo es 160,21 mAh/g, que muestra una mejora del 8,31 % en comparación con la capacidad de descarga del ejemplo comparativo, que es 147,91 mAh/g. La capacidad de descarga del segundo ejemplo demostrativo es 166,90 mAh/g, que muestra una mejora del 12,83 % en comparación con la capacidad de descarga del ejemplo comparativo, que es 147,91 mAh/g. Basándose en los resultados, se puede deducir que la incorporación de cloro y flúor en el electrolito sólido da como resultado el material de cátodo con alta capacidad de descarga. Preferentemente, el electrolito sólido formulado con una relación en cantidad entre cloro y flúor que varía de 5,3:0,7 a 4,5:1,5 demuestra un rendimiento superior.
Tabla 1
Las FIG. 9A a 9D son gráficos de retención de la capacidad de descarga frente al número de ciclos para pilas de botón fabricadas usando el primer ejemplo demostrativo, el segundo ejemplo demostrativo, el tercer ejemplo demostrativo y el ejemplo comparativo de la presente divulgación. La Tabla 2 a continuación muestra la retención de la capacidad de descarga en el cuadragésimo quinto ciclo para las pilas de botón fabricadas usando el primer ejemplo demostrativo, el segundo ejemplo demostrativo, el tercer ejemplo demostrativo y el ejemplo comparativo. Como se muestra en las FIG. 9A a 9D y la Tabla 2, durante el cuadragésimo quinto ciclo, la retención de la capacidad de descarga del primer ejemplo demostrativo es del 84,55 %, que muestra una mejora del 10,31 % en comparación con la capacidad de descarga del ejemplo comparativo, que es del 76,65 %. La capacidad de descarga del segundo ejemplo demostrativo es del 85,07 %, que muestra una mejora del 10,98 % en comparación con la capacidad de descarga del ejemplo comparativo, que es del 76,65 %. La capacidad de descarga del segundo ejemplo demostrativo es 166,90 mAh/g, que muestra una mejora del 2,34 % en comparación con la capacidad de descarga del ejemplo comparativo, que es del 76,65 %. Basándose en los resultados, se puede deducir que la incorporación de cloro y flúor en el electrolito sólido da como resultado el material de cátodo con alta retención de la capacidad de descarga. Preferentemente, el electrolito sólido formulado con una relación en cantidad entre cloro y flúor que varía de 5,3:0,7 a 4,5:1,5 demuestra un rendimiento superior.
Tabla 2
continuación
En resumen, la presente divulgación proporciona un material de cátodo y un método de preparación del mismo para obtener un recubrimiento de electrolito sólido a través de un disolvente orgánico, eliminando así los efectos adversos de la humedad sobre el material de cátodo y mejorando el rendimiento electroquímico. El material de cátodo incluye una pluralidad de partículas. Cada una de la pluralidad de partículas incluye una capa de núcleo y una capa de recubrimiento recubierta encima. La capa de núcleo incluye un material metálico de óxido de litio que tiene una composición de Li[NiaCobMncAld]O<2>. El coeficiente "a" cumple la condición de 0,8<a<1. Al incorporar la capa de núcleo con alto contenido de níquel, se consigue el material de cátodo de bajo coste con alta densidad energética. La capa de recubrimiento del material de cátodo incluye un electrolito sólido que tiene una composición de Li3InClxFy. La incorporación de cloro y flúor en el electrolito sólido adicional da como resultado el material de cátodo con alta capacidad de descarga y alta retención de la capacidad de descarga. Los coeficientes "x" e "y" cumplen las condiciones de 4<x<5,5 y 0,5<y<2. Al controlar la relación en la cantidad de cloro y flúor en el electrolito sólido, se potencia el rendimiento electroquímico del material de cátodo. El material metálico de óxido de litio en la capa de núcleo y el electrolito sólido en la capa de recubrimiento tienen una relación ponderal que varía de 1:0,3 a 1:0,6, dando como resultado el material de cátodo con una estructura uniforme de núcleo-corteza. El material metálico de óxido de litio, un primer material y un disolvente orgánico se mezclan y se tratan térmicamente para formar el material de cátodo. En comparación con la mezcla en seco, la mezcla en húmedo usando el disolvente orgánico ofrece rentabilidad y fácil controlabilidad. No solo potencia la dispersión sólida del material de cátodo, sino que también elimina los efectos adversos de la humedad. Además, mediante la mezcla en húmedo, el primer material se hace reaccionar y se somete a una síntesisin situsobre la superficie de las partículas de material de cátodo, dando como resultado la formación de un electrolito sólido. Esto conduce a la formación del material de cátodo con una estructura uniforme de núcleo-corteza, mejorando así el rendimiento electroquímico. El tratamiento térmico tiene un intervalo de temperatura de 100 °C a 250 °C, lo que garantiza que el método de preparación del material de cátodo sea eficiente en el consumo energético, rentable y respetuoso con el medioambiente.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un material de cátodo que comprende una pluralidad de partículas (1), en donde cada una de la pluralidad de partículas (1) se caracteriza por que comprende:
una capa de núcleo (10) que comprende un material metálico de óxido de litio, en donde el material metálico de óxido de litio tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Mn<c>Al<d>]O<2>, en donde a+b+c+d=1, 0,8<a<1, 0<b<1, 0<c<1 y 0<d<1; y
una capa de recubrimiento (20) recubierta sobre la capa de núcleo (10) y que comprende un electrolito sólido, en donde el electrolito sólido se forma por una reacción de un primer material sobre la capa de núcleo (10) y tiene una composición de Li<3>InCl<x>F<y>, x+y=6, 4<x<5,5 y 0,5<y<2, en donde el material metálico de óxido de litio, el primer material y un disolvente se mezclan para formar un precursor, y el precursor se trata térmicamente para formar el material de cátodo, en donde el primer material comprende litio, indio, cloro y flúor, y el material metálico de óxido de litio y el electrolito sólido tienen una relación ponderal que varía de 1:0,3 a 1:0,6.
2. El material de cátodo según la reivindicación 1, en donde 0,9<a<1.
3. El material de cátodo según la reivindicación 1, en donde el material metálico de óxido de litio y el electrolito sólido tienen una relación ponderal que varía de 1:0,4 a 1:0,5.
4. El material de cátodo según la reivindicación 1, en donde cada una de la pluralidad de partículas (1) tiene un tamaño de partículas (T1), y la capa de recubrimiento (20) tiene un espesor (T2), en donde el tamaño de partículas (T1) y el espesor (T2) tienen una relación que varía de 6:1 a 40:1, en donde el tamaño de partículas (T1) varía de 5 pm a 20 pm, y el espesor (T2) varía de 0,5 pm a 3 pm.
5. El material de cátodo según la reivindicación 1, en donde el primer material comprende cloruro de litio (LiCl), fluoruro de litio (LiF) y cloruro de indio (InCb).
6. El material de cátodo según la reivindicación 1, en donde el disolvente comprende un disolvente orgánico volátil.
7. El material de cátodo según la reivindicación 1, en donde el precursor se trata térmicamente en un entorno de vacío o una atmósfera inerte para formar el material de cátodo, en donde el precursor se trata térmicamente a una temperatura para formar el material de cátodo, y la temperatura varía de 100 °C a 250 °C.
8. Un método de preparación de un material de cátodo, caracterizado por que comprende etapas de:
(a) proporcionar un material metálico de óxido de litio que tiene una composición de Li[Ni<a>Co<b>Mn<c>Al<d>]O<2>, en donde a+b+c+d=1, 0,8<a<1, 0<b<1, 0<c<1 y 0<d<1;
(b) mezclar el material metálico de óxido de litio con un primer material y un disolvente para formar un precursor, en donde el primer material comprende litio, indio, cloro y flúor; y
(c) tratar térmicamente el precursor para formar el material de cátodo que comprende una pluralidad de partículas (1), en donde cada una de la pluralidad de partículas (1) comprende una capa de núcleo (10) y una capa de recubrimiento (20) recubierta sobre la capa de núcleo (10), la capa de núcleo (10) comprende el material metálico de óxido de litio, y la capa de recubrimiento (20) comprende un electrolito sólido que tiene una composición de Li<3>lnCl<x>F<y>, en donde x+y=6, 4<x<5,5 y 0,5<y<2, y el primer material se hace reaccionar sobre la capa de núcleo (10) para formar el electrolito sólido, en donde el material metálico de óxido de litio y el electrolito sólido tienen una relación ponderal que varía de 1:0,3 a 1:0,6.
9. El método de preparación del material de cátodo según la reivindicación 8, en donde 0,9<a<1.
10. El método de preparación del material de cátodo según la reivindicación 8, en donde el material metálico de óxido de litio y el electrolito sólido tienen una relación ponderal que varía de 1:0,4 a 1:0,5.
11. El método de preparación del material de cátodo según la reivindicación 8, en donde cada una de la pluralidad de partículas (1) tiene un tamaño de partículas (T1), y la capa de recubrimiento (20) tiene un espesor (T2), en donde el tamaño de partículas (T1) y el espesor (T2) tienen una relación que varía de 6:1 a 40:1, en donde el tamaño de partículas (T1) varía de 5 pm a 20 pm y el espesor (T2) varía de 0,5 pm a 3 pm.
12. El método de preparación del material de cátodo según la reivindicación 8, en donde el primer material comprende cloruro de litio (LiCl), fluoruro de litio (LiF) y cloruro de indio (InCb).
13. El método de preparación del material de cátodo según la reivindicación 8, en donde el disolvente comprende un disolvente orgánico volátil.
14. El método de preparación del material de cátodo según la reivindicación 8, en donde el precursor se trata térmicamente en un entorno a vacío o una atmósfera inerte para formar el material de cátodo, en donde el precursor se trata térmicamente a una temperatura para formar el material de cátodo, y la temperatura varía de 100 °C a 250 °C.
ES23199535T 2023-06-02 2023-09-25 Cathode material and preparation method thereof Active ES3036404T3 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW112120622A TWI867563B (zh) 2023-06-02 2023-06-02 正極材料及其製備方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES3036404T3 true ES3036404T3 (en) 2025-09-18

Family

ID=88196981

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES23199535T Active ES3036404T3 (en) 2023-06-02 2023-09-25 Cathode material and preparation method thereof

Country Status (9)

Country Link
US (1) US20240400410A1 (es)
EP (1) EP4471895B1 (es)
JP (1) JP2024173574A (es)
KR (1) KR20240173136A (es)
AU (1) AU2023233213B1 (es)
ES (1) ES3036404T3 (es)
HR (1) HRP20250890T1 (es)
MA (1) MA71107B1 (es)
TW (1) TWI867563B (es)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12463242B2 (en) * 2022-06-29 2025-11-04 Nissan North America, Inc. Advanced cathode materials for long-life lithium-ion batteries

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201419635A (zh) * 2012-11-08 2014-05-16 Nanmat Technology Co Ltd 一種具有核殼結構之正極材料及其製備方法
JP7390692B2 (ja) * 2019-04-29 2023-12-04 国聯汽車動力電池研究院有限責任公司 リチウム二次電池固体電解質材料、電極及び電池
JP7376348B2 (ja) * 2019-12-26 2023-11-08 エルジー エナジー ソリューション リミテッド 正極、リチウムイオン二次電池、正極の製造方法、及びリチウムイオン二次電池の製造方法
CN111146425B (zh) * 2019-12-30 2022-01-25 国联汽车动力电池研究院有限责任公司 一种电极材料包覆固态电解质的方法和该包覆材料和使用该包覆方法制备电极
WO2021209380A1 (en) * 2020-04-14 2021-10-21 Solvay Sa New lithium rare-earth halides
CN111490243B (zh) * 2020-05-25 2022-03-11 蜂巢能源科技有限公司 一种锂离子电池用复合正极材料、其制备方法及用途
CN113845141A (zh) * 2020-06-28 2021-12-28 宝山钢铁股份有限公司 一种氟掺杂的卤化物固态电解质、制备方法及锂电池
CN111900461B (zh) * 2020-07-17 2022-06-28 国联汽车动力电池研究院有限责任公司 一种用于高压全固态电池的含氟固态电解质及其制备方法和应用
CN116745952A (zh) * 2020-12-25 2023-09-12 株式会社Lg新能源 正极活性材料、正极活性材料浆料、正极、锂离子二次电池以及制备正极活性材料的方法
CN113097460B (zh) * 2021-03-29 2022-09-09 清华大学 一种三元正极材料@氧化铟核壳结构复合材料及其制备方法
CN114335681B (zh) * 2021-11-29 2023-11-28 蜂巢能源科技(无锡)有限公司 无机卤化物固态电解质、其制备方法、锂离子电池及应用
CN114497713B (zh) * 2022-02-15 2024-03-26 蜂巢能源科技(无锡)有限公司 一种含氟固态电解质及其制备方法与应用

Also Published As

Publication number Publication date
US20240400410A1 (en) 2024-12-05
EP4471895A1 (en) 2024-12-04
TW202450156A (zh) 2024-12-16
EP4471895C0 (en) 2025-06-18
EP4471895B1 (en) 2025-06-18
KR20240173136A (ko) 2024-12-10
MA71107B1 (fr) 2025-08-29
HRP20250890T1 (hr) 2025-09-26
JP2024173574A (ja) 2024-12-12
AU2023233213B1 (en) 2024-10-03
TWI867563B (zh) 2024-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7027387B2 (ja) ドープニオブ酸チタンおよび電池
CN113892206B (zh) 电池
CN1947283B (zh) 电化学特性改善的负极活性材料和包括该材料的电化学装置
US12272786B2 (en) Solid electrolyte material and battery using same
WO2019146236A1 (ja) 正極材料、および、電池
CN101388460B (zh) 用作正极材料的物质和包含该物质的电池
US20230103996A1 (en) Solid electrolyte material, and battery in which same is used
US20240213530A1 (en) Solid electrolyte material and battery using the same
CN1113422C (zh) 锂二次电池和用于锂二次电池的阴极活性物质
KR101759332B1 (ko) 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
US20240162427A1 (en) Negative electrode active material and battery
ES3036404T3 (en) Cathode material and preparation method thereof
US20230019493A1 (en) Solid electrolyte material and battery using same
KR102227102B1 (ko) 리튬이차전지 전극 코팅 방법, 및 이에 따라 제조한 전극을 포함하는 리튬이차전지
JP3530174B2 (ja) 正極活物質及びリチウムイオン二次電池
KR20240095131A (ko) 세리신을 이용하여 표면 개질된 양극 활물질의 제조방법과 이를 이용하여 제조된 양극 활물질 및 리튬이차전지
US12463247B2 (en) Solid electrolyte material and battery using same
KR101553389B1 (ko) 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 양극 활물질 코팅 물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR20250130680A (ko) 양극 활물질, 양극 활물질 슬러리, 양극, 리튬 이온 이차전지 및 양극 활물질의 제조 방법
WO2023199629A1 (ja) 固体電解質材料およびそれを用いた電池
KR20230039947A (ko) 다공성 카본이 표면 코팅된 Si 나노입자 리튬 음극판 제조 방법
KR101524807B1 (ko) 리튬 이차 전지용 양극 활물질, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
US20230343994A1 (en) All-solid-state secondary battery
KR102872017B1 (ko) 전고체 이차전지용 복합전극
US12424657B2 (en) Positive-electrode material and battery