FR2978137A1 - Produit fondu a base de lithium - Google Patents

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Caroline Veronique Laurence Levy
Arnaud Apheceixborde
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Abstract

La présente invention concerne un produit fondu dont la partie cristallisée est constituée, pour plus de 99,3% en masse, d'une même phase cristallisée de formule (Li A ) (G J ) [(XO ) D ] E , dans laquelle : - Li est l'élément lithium, - A est un substituant du lithium choisi parmi les éléments Na, K, H et leurs mélanges, a étant inférieur ou égal à 0,2, - G est choisi parmi les éléments Fe, Mn, Ni, Co, V et leurs mélanges, - J est un substituant de G choisi parmi Nb, Y, Mg, B, Ti, Cu, Cr et leurs mélanges, b étant inférieur ou égal à 0,5, - XO est un oxoanion dans lequel O désigne l'élément oxygène et X est choisi parmi les éléments P, S, V, Si, Nb, Mo, Al et leurs mélanges, - D est choisi parmi les anions F, OH', CI et leurs mélanges, d étant inférieur ou égal à 0,35, - E étant choisi parmi l'élément F, l'élément CI, l'élément O, le groupement OH et leurs mélanges, - 0 ≤ e ≤ 2, - -0.2 ≤ x ≤ 2, - 0,9 ≤ y ≤ 2, - 1 ≤ z ≤ 3

Description

> Produit fondu à base de lithium Domaine technique L'invention concerne un produit fondu à base de lithium, un procédé de fabrication d'un tel produit. Ce produit peut être notamment utilisé comme matériau d'électrode, notamment dans une batterie lithium-ion. L'invention concerne également une telle batterie. Etat de la techniq_aae On connaît une famille de phases cristallisées de formule (Lit-aAa)1,(G,.bJb)y[(XO4),.dDd]zEe, dans laquelle : - Li est l'élément lithium, - A est un substituant du lithium choisi parmi les éléments Na, K, H et leurs mélanges, a étant inférieur ou égal à 0,2 (taux de substitution inférieur ou égal à 200/0 atomique), G est choisi parmi les éléments Fe, Mn, Ni, Co, V et leurs mélanges, J est un substituant de G choisi parmi Nb, Y, Mg, B, Ti, Cu, Cr et leurs mélanges, b étant inférieur ou égal à 0,5 (taux de substitution inférieur ou égal à 50% atomique), - X04 est un oxoanion dans lequel O désigne l'élément oxygène et X est choisi parmi les éléments P, S, V, Si, Nb, Mo, Al et leurs mélanges, - D est choisi parmi les anions F-, 0H-, Cl- et leurs mélanges, d'étant inférieur ou égal à 0,35 (taux de substitution inférieur ou égal à 35% atomique), d pouvant être nui, - E est choisi parmi l'élément F, l'élément Cl, l'élément O, le groupement OH, et leurs mélanges, - 0<e52, - 0}25x52 - 0,9 <_ y <_ 2, 1 zÉ3.
Parmi les produits riches en phases (Li,_aAa),*X(G,.bJb)y[(XO4),-dDd)zE°r on distingue notamment les produits obtenus par frittage en phase solide ou par chimie douce et les produits fondus.
Les produits obtenus par frittage en phase solide ou par chimie douce peuvent présenter un pourcentage très élevé de phases (Lit_aAa)I.,(G1_bJb)À(X04),-dDd]ZEe sur l'ensemble des phases cristallisées. Mais ces produits sont beaucoup plus coûteux à fabriquer que les produits fondus.
Des produits fondus sont par exemple décrits dans W020051062404 ou dans l'article « Melt casting LiFePO4 », Journal of the electrochemical Society, 157 (4) A453-A462 (2010), M. Gauthier et Al. A la différence des produits frittés, les produits fondus peuvent être fabriqués de fmanière industrielle, à coûts réduits, mais sont moins riches en phases (Li1-aAa)1+x(G,-bJb)yi1X04)1-dDd]zEe- Par ailleurs, le lithium est un fondant naturel, qui se sublime si la température de fusion est trop élevée. Pour fabriquer ces produits fondus, la température de fusion est donc classiquement déterminée pour être la plus proche possible de la température de fusion des matières premières de la charge de départ. Les batteries lithium-ion, fabriquées en grandes quantités, peuvent incorporer des 1.5 produits riches en phases (Li,.aAa)1fx(G,_bJb)y[(X04)1_dDd],Ee, notamment pour la fabrication de leurs cathodes. Leurs performances ainsi que leurs durées de vie sont dépendantes, entre autres, de la richesse en phases (Li1_aAa),+x(G,.bJb)y[(X04),_dDdizEe du produit utilisé. Il existe donc un besoin pour un produit riche en phases (Li,_aAa)1+x(G1-bJb)y(X04)1-dDd]ze pouvant être fabriqué en quantité industrielle et â un coût réduit. 20 Un objet de l'invention est de satisfaire, au moins partiellement, ce besoin. Résumé de l'invention Selon l'invention, on atteint ce but au moyen d'un produit dont la partie cristallisée est constituée,, pour plus de 99,3% en masse, d'une même phase (Lil_aAa)3+x(G9-bJb)y[(XG4)1-dDd],Ee, dite « phase. LAGJXODE » (par souci de clarté). Ce 25 produit est remarquable en ce qu'il est fondu, c'est-à-dire qu'il est obtenu par fusion puis solidification. Bien que la fabrication de produits fondus comportant une phase LAGJXODE soit bien connue, c'est le mérite des inventeurs d'avoir découvert un procédé qui, de manière surprenante, permet de fabriquer un produit fondu très riche en phase LAGJXODE, 30 comme on le verra plus en détail dans la suite de la description. Avantageusement, un produit selon l'invention peut donc être fabriqué à coûts réduits et en quantités industrielles.
Par « même phase (Li1_aAa)1+x(G1-bJb)y[(XO4)1.dDd]ZEe » ou « phase LAGJXODE », on entend une phase cristallisée de formule (Li1_aAa)1+x(G1-bJb)y[(XO4)1-dDd],Ee déterminée, avec a, b, d, e, x, y, z, A, G, J, X, D et E fixés. Ainsi, par exemple, un produit comportant 90% d'une première phase (Lit.aAa)1+x(G1-bJb)y[(XO4)1-dDdIzEe, avec a = a1, b = b1, d = d1, e = e1i x = x1, Y = Y1, z = z1i A = A1, G = G,, J = J1, X = XI, D = D1 et E = E1, et 9,5% d'une deuxième phase (LI1_aAa)1+x(G1-bJb)y[(XO4)1-dDdi,Ee, avec a = a2, b = b2, d = d2, e = e2, x=x2,Y=Y2,Z=z2,A=A2,G=G2sJ=J2,X=X2,D=D2etE=E2,telle queal#a2 et/ou b1 b2 et/ou d1 # d2 et/ou e1 # e2 et/ou x1 # x2 et/ou y1 Y2 et/ou z1 # z2 et/ou Al # A2 et/ou G1 G2 et/ou il # J2 et/ou X1 0 X2 et/ou D1 # D2 et/ou E1 # E2, n'est pas conforme à la présente invention. De préférence, un produit selon l'invention comporte encore une, et de préférence plusieurs, des caractéristiques optionnelles suivantes : - a < 0,15, de préférence a < 0,1, de préférence a < 0,05. Dans un mode de réalisation, a = 0 (pas de substitution du lithium) ; en particulier lorsque A est l'élément hydrogène H, de préférence a > 0,05 ; G est choisi parmi Fe, Co, Mn, V et leurs mélanges, de préférence parmi Fe, Co, Mn et leurs mélanges ; - G est Fe ; - b < 0,40, de préférence b < 0,35, de préférence b < 0,30, de préférence b < 0,25, voire b < 0,20, voire b < 0,15 ; dans un mode de réalisation, b > 0,05, voire b>0,1 ; l'élément substituant J est choisi parmi Nb, Y, Mg, B, Ti et leurs mélanges ; - X est choisi parmi P, S, Si et leurs mélanges ; - de préférence, X est l'élément P ; - d < 0,30, voire d < 0,25, voire d < 0,20, voire d < 0,15, voire d < 0,10, voire d < 0,05. Dans un mode de réalisation, d = 0 ; - D est F ; E est l'élément F (fluor); x ? -0,1, de préférence x ? -0,05, voire x > 0 et/ou x 1,5, de préférence x < 1,3, de préférence x s 1,2, de préférence x 1 ; - dans un mode de réalisation, x = 0 ; - dans un mode de réalisation, y = 2 ; - dans un mode de réalisation, y s 1,5 ; - dans un mode de réalisation, y = 1 ; - dans un mode de réalisation, y > 1 ; - dans un mode de réalisation, e = 2 ; dans un mode de réalisation, e s 1,5, voire e 1 ; dans un mode de réalisation e = 1 ; Dans un mode de réalisation e = 0 ; dans un mode de réalisation z = 1 ; - la partie cristallisée est constituée, pour plus de 99,5%, de préférence plus de 99,7%, de préférence plus de 99,8%, de préférence plus de 99,9%, de préférence sensiblement 100% en masse, de ladite phase LAGJXODE, la phase LAGJXODE est LiFePO4, ou Li3V2(PO4)3s ou LiMnPO4, ou Li2FeSiO4, ou LiVPO4F, ou LiCoPO4, ou LiMno,6Feo,2PO4, ou LiFeo,33Mnp 67PO4, ou LiFePO4F, ou LiVPO40, ou LiFeSO4F, ou Li2CoPO4F, ou LiVPO4 ; le produit est un produit recuit, c'est-à-dire ayant subi un traitement thermique après sa solidification ; - de préférence, le produit n'est pas revêtu d'une couche de carbone ; Dans un mode de réalisation, plus de 50%, de préférence plus de 700/o, de préférence plus de 90%, de préférence plus de 95%, de préférence plus de 99%, de préférence sensiblement 100% en nombre, des particules ne sont pas recouvertes, même partiellement, de carbone ; le produit est polycristallin ; - la quantité massique de phase amorphe est inférieure à 80%, inférieure à 70%, inférieure à 50%, inférieure à 50%, inférieure à 400/0, inférieure à 30%, inférieure à 20%, inférieure à 10%, inférieure à 50/o, inférieure à 3%, inférieure à 2%, ou inférieure à 1%, sur la base de la masse du produit fondu. Avantageusement, ces caractéristiques optionnelles améliorent les performances électrochimiques, rendant les produits particulièrement bien adaptés, après broyage éventuel, à la fabrication de cathodes pour batteries lithium-ion. Un produit selon l'invention peut se présenter sous la forme d'un bloc dont toutes les dimensions sont de préférence supérieures à 1 mm, de préférence supérieures à 2 mm, de préférence supérieures à 1 cm, de préférence supérieures à 5 cm, de préférence encore supérieures à 15 cm. De préférence, un bloc selon l'invention présente une masse supérieure à 200 g. L'invention concerne également une poudre d'un produit fondu selon l'invention. La taille médiane de la poudre est de préférence supérieure à 0,05 pm et/ou inférieure à 100 pm.
Dans un mode de réalisation particulier, la taille médiane de la poudre est comprise entre 0,05 pm et 5 pm, de préférence comprise entre 0,05 pm et 2 pm, de préférence comprise entre 0,05 pm et 0,2 pm. Dans un mode de réalisation particulier, la taille médiane de la poudre est comprise entre 5 pm et 20 pm, de préférence entre 7 pm et 15 pm.
Plus de 50%, de préférence plus de 70%, de préférence plus de 90%, de préférence plus de 950/0, de préférence plus de 99%, de préférence sensiblement 100% en nombre, des particules peuvent être recouvertes au moins partiellement, de préférence en totalité, de carbone ou d'un précurseur de carbone. Procédé 1.0 L'invention concerne également un premier procédé de fabrication d'un produit fondu selon l'invention, comportant les étapes suivantes : a) mélange de matières premières de manière à former une charge de départ, b) fusion de la charge de départ jusqu'à obtention d'une masse liquide à une température Tm, supérieure à la température de fusion Tf du produit fondu 15 obtenu à l'issue de l'étape e) (qui peut être supérieure à la température strictement nécessaire à la fusion de la charge de départ), c) refroidissement jusqu'à solidification complète de ladite masse liquide, de manière à obtenir un produit fondu, d) optionnellement, concassage et/ou broyage et/ou sélection granulométrique 20 dudit produit fondu, e) traitement thermique du produit fondu à une température de palier inférieure à la température de fusion Tf dudit produit fondu et comprise entre Tf - 800°C, ou 500°C si Tf - 800°C est inférieur à 500°C, et Tf - 50°C, pendant un temps de maintien en palier supérieur à 90 minutes, et dans un environnement 25 réducteur, f) optionnellement, concassage etlou broyage et/ou sélection granulométrique dudit produit fondu, les matières premières à l'étape a) et, optionnellement l'environnement gazeux à l'étape b), étant déterminés de manière que la partie cristallisée dudit produit fondu présente, 30 pour plus de 99,3% en masse, une même phase (Lil_Aab,(G,-bJb)v[(X04)f_dDdjZEe telle que définie ci-dessus. De préférence et de manière remarquable, à l'étape b), la fusion se déroule dans un environnement neutre ou contenant de l'oxygène, de préférence sous air. La conduite du procédé de fusion en est facilitée. 35 L'invention concerne également un deuxième procédé de fabrication d'un produit fondu selon l'invention, dont la partie cristallisée présente, pour plus de 99,3% en masse, une même phase (Lil_aAa)f,x(Fel_bJb)yRPO4)I-dDdL ledit procédé comportant les étapes suivantes : a') mélange de matières premières de manière à former une charge de départ, ID» fusion de la charge de départ jusqu'à obtention d'une masse liquide à une température Tm, supérieure à la température de fusion Tf du produit fondu obtenu à l'issue de l'étape c'), la température Tm, étant telle que : o si l'élément Fe est apporté pour plus de 97% de sa masse par FePO4,n.H2O avec 0 5 n 5 6, alors Tm, est supérieure à 1250°C, et de préférence inférieure à 1350°C, ou o si l'élément Fe est apporté pour plus de 30/o de sa masse par Fe203, alors Tm, est supérieure à 1350°C, et de préférence inférieure à 1550°C, ou o si l'élément Fe est apporté pour plus de 50/o de sa masse par Fe304, alors Tr,, est supérieure à 1350°C, et de préférence inférieure à 1550°C, ou o si l'élément Fe est apporté pour plus de 97% de sa masse par FeO, alors Tm, est de préférence inférieure à 1100°C, ou o si l'élément Fe est apporté pour plus de 97% de sa masse par un mélange de FeO et de FePO4m.H2O avec 0 5 n 5 6, ledit mélange comportant plus de 3% et moins de 97% de FePO4,n.H2O avec 0 5 n _< 6, alors Tm, est supérieure à 1250°C, et de préférence inférieure à 1350°C, c') refroidissement jusqu'à solidification complète de ladite masse liquide, de manière à obtenir un produit fondu selon l'invention, d') optionnellement, broyage etlou sélection granulométrique dudit produit fondu de manière à obtenir une poudre dudit produit fondu, les matières premières à l'étape a') et, optionnellement l'environnement gazeux à l'étape b'), étant déterminés de manière que la partie cristallisée dudit produit fondu présente, pour plus de 99,30/o en masse, une même phase (Lit_aAa)1+x(Fe1-bJb)yE(PO4)l-dDdiz.
De préférence et de manière remarquable, à l'étape b'), la fusion se déroule dans un environnement neutre ou contenant de l'oxygène, de préférence sous air. La conduite du procédé de fusion en est facilitée. Ce deuxième procédé est également remarquable dans le sens où i[ permet l'obtention d'un produit fondu (Li,_aAa)I,(Fel_bJb)yRPO4)1-dDdj, selon l'invention sans étape de traitement thermique après l'étape de fusion (à la différence du premier procédé de fabrication selon l'invention qui comporte une étape e)). Dans un mode de réalisation, à l'étape a) ou à l'étape a'), les matières premières peuvent être à l'état solide et/ou liquide, de préférence solide.
Dans un mode de réalisation, une ou plusieurs matières premières peuvent être apportées sous la forme d'un gaz, notamment pour apporter l'élément Chlore Cl ou l'élément fluor F, lors de l'étape b) ou b'). Les procédés de l'invention peuvent être utilisés pour la fabrication de particules ou de blocs. Ils peuvent être adaptés pour que le produit fondu présente une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles mentionnées ci-dessus. L'invention concerne aussi un produit fabriqué ou susceptible d'avoir été fabriqué par un procédé selon l'invention. L'invention concerne aussi l'utilisation d'un produit fondu selon l'invention ou fabriqué ou susceptible d'avoir été fabriqué par un procédé selon l'invention dans la fabrication d'une cathode pour batterie lithium-ion. L'invention concerne enfin une cathode pour batterie lithium-ion comportant un produit fondu selon l'invention ou fabriqué ou susceptible d'avoir été fabriqué par un procédé selon l'invention, et une batterie lithium-ion comportant une telle cathode. La cathode peut être en particulier obtenue par mise en forme d'une poudre selon l'invention.
Brève description des figures D'autres objets, aspects, propriétés et avantages de la présente invention apparaîtront encore à la lumière de la description et des exemples qui suivent et à l'examen du dessin annexé dans lequel la figure 1 représente, en coupe transversale, une partie d'une batterie selon l'invention.
Définitions - Le « taux de phase LAGJXODE » est le pourcentage de phase LAGJXODE sur l'ensemble des phases cristallisées du produit, cet ensemble étant appelé « partie cristallisée ». Pour une phase de LAGJXODE considérée, on utilise une fiché 1CDD (« International Canter for Diffraction Data ») permettant d'identifier les domaines angulaires des pics de diffraction correspondant audit LAGJXODE. Par exemple, la fiche ICDD 44-1499 est celle de la phase olivine LiFePO4. 2978137 Le taux de phase LAGJXODE peut être évalué par la formule (1) suivante : T = 100* (ALAGJXODE)I (ALAGJXODE } APhases secondaires) (1) où - AlAGJXODE est l'aire du pic de diffraction de plus forte intensité non superposé ou 5 de son multiplet de diffraction de plus forte intensité non superposé, de la phase LAGJXODE, mesurées sur un diagramme de diffraction X dudit produit, par exemple obtenu à partir d'un appareil du type diffractomètre D5000 de la société BRUKER pourvu d'un tube DX en cuivre. L'acquisition du diagramme de diffraction est réalisée à partir de cet équipement, sur un domaine angulaire 28 IO compris entre 5° et 80°, avec un pas de 0,02°, et un temps de comptage de 1 s/pas. L'échantillon est en rotation sur lui-même afin de limiter les orientations préférentielles. Le traitement du diagramme obtenu peut être réalisé par exemple à l'aide du logiciel EVA, sans traitement de déconvolution ; APhases secondaires est la somme des aires des phases secondaires, mesurées sur le 15 même diagramme, sans traitement de déconvolution. L'aire d'une phase secondaire est celle de son pic de diffraction de plus forte intensité non superposé ou de son multiplet de diffraction de plus forte intensité non superposé. Les phases secondaires sont les phases détectables par diffraction X autres que la phase LAGJXODE. Entre autres, Fez03, FePO4, Li3PO4: AIPO4 ou 20 Li3Fez(PO4)3 peuvent être des phases secondaires identifiées sur le diagramme de diffraction X, en particulier lorsque le LAGJXODE est LIFePO4. Un pic de diffraction « non superposé » est un pic de diffraction correspondant à une phase unique (pas de superposition de deux pics correspondant à deux phases différentes). De même, un multiplet de diffraction « non superposé » est un 25 multiplet de diffraction correspondant â une phase unique. La précision d'une telle mesure est égale à 0,3°/a en absolu. - Un produit est classiquement dit «fondu» lorsqu'il est obtenu par un procédé mettant en oeuvre une fusion de matières premières jusqu'à obtention d'une masse liquide (pouvant contenir des particules solides, mais en quantité insuffisante pour structurer 30 ladite masse liquide, de sorte que celle-ci doit être contenue dans un récipient pour conserver sa forme), puis une solidification par refroidissement. - Par « particule », on entend un objet solide dont la taille est inférieure à 10 mm, de préférence comprise entre 0,01 pm et 5 mm. Par « taille » d'une particule, on entend le diamètre de la sphère de même volume. La taille des particules d'une poudre est évaluée classiquement par une caractérisation de distribution granulométrique réalisée avec un granulométre laser. Le granulométre laser peut être, par exemple, un Partica LA-950 de la société HORIBA. Les percentiles ou « centiles » 50 (D50) et 99,5 (D995) sont les tailles de particules correspondant aux pourcentages, en masse, de 50 % et 99,5 % respectivement, sur la courbe de distribution granulométrique cumulée des tailles de particules de la poudre, les tailles de particules étant classées par ordre croissant. Par exemple, 99,5 %, en masse, des particules de la poudre ont une taille inférieure à 099,5 et 0,5 % des particules en masse ont une taille supérieure à D99,5. Les percentiles peuvent être déterminés à l'aide d'une distribution granulométrique réalisée à l'aide d'un granulomètre laser. - On appelle « taille maximale d'une poudre », le percentile 99,5 (D99,5) de ladite poudre. On appelle « taille médiane d'une poudre », le percentile 50 (D50) de ladite poudre. Par « bloc » on entend un objet solide qui n'est pas une particule. - Par « impuretés», on entend les constituants inévitables, introduits involontairement et nécessairement avec les matières premières ou résultant de réactions avec ces constituants. Les impuretés ne sont pas des constituants nécessaires, mais seulement tolérés. Par exemple, les composés faisant partie du groupe des oxydes, nitrures, oxynitrures, carbures, oxycarbures, carbonitrures et espèces métalliques de sodium et autres alcalins, chrome, yttrium, magnésium, bore, cuivre, et niobium sont des impuretés si leur présence n'est pas désirée, c'est-à-dire qu'ifs n'entrent pas dans la composition du produit de LAGJXODE à fabriquer. On appelle « précurseur de carbone » un composé qui, par traitement thermique, en particulier par pyrolyse, se transforme, au moins en partie, en carbone. Un polymère organique, comme le polyéthylène glycol ou PEG, est un exemple de précurseur de carbone. Sauf indication contraire, toutes les teneurs sont des pourcentages massiques. - Par « contenant un », « comprenant un » ou « comportant un », on entend « comportant au moins un », sauf indication contraire.
Description détaillée Un exemple du premier procédé selon l'invention est à présent décrit dans le détail. A l'étape a), une charge de départ permettant de fabriquer un produit fondu selon l'invention est formée à partir des constituants lithium, A, G, J, D, X et E, ou de composés de ces constituants, notamment de composés d'oxydes etlou de carbonates et/ou d'hydroxydes et/ou d'oxalates et/ou de nitrates et/ou de phosphates et/ou de métaux et/ou de chlorures et/ou de fluorures et/ou de sulfures et/ou de composés ammoniaqués. De préférence, ces composés sont choisis parmi les phosphates, les carbonates et les oxydes. Ces composés peuvent être choisis de préférence parmi Li2O, Li2CO3, LiOH, LIH2PO4, L13PO4, LIF, Na2CO3, NaOH, KOH, Fe, Fe203, Fe304, FeO, FePO4,n.H2O avec 0 n 5 6, Co304s CoO, V205, Nb205, Y203, 5203, T102, Cu2O, CuO, Cr203, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, H3PO4, P20s, SiO2, Al203, MoO, MnO, Mn203s MnO2, Mn304, MgO, MgCO3, NiO. De préférence, ces composés sont choisis parmi Li2O, Li2CO3, Li3PO4, Na2CO3, Fe203, Fe304r FeO, FePO4in.H2O avec 0 s n 6, Cio304, CoO, V205, Nb205, Y203, 8203, T102, Cu20, CUO, Cr203, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4, H3PO4r P205, S102, Al203, MoO, MnO, Mn203, MnO2, Mn304, MgO, MgCO3, NiO.
Dans un mode de réalisation, l'élément F est apporté sous la forme d'un gaz. Dans un mode de réalisation, l'élément Cl est apporté sous la forme d'un gaz. De préférence, les composés des constituants lithium, A, G, J, D, X et E représentent ensemble plus de 90 %, plus de 95 %, plus de 98 %, de préférence plus de 99 %, en pourcentages massiques, des constituants de la charge de départ. De préférence ces composés représentent, ensemble avec les impuretés, 100% des constituants de la charge de départ. De préférence, aucun composé autre que ceux apportant les constituants lithium, A, G, J, D, X et E n'est introduit volontairement dans la charge de départ, les autres constituants présents étant ainsi des impuretés.
Les constituants lithium A, G, J, D, X et de la charge de départ se retrouvent pour l'essentiel dans le produit fondu fabriqué. Une partie de ces constituants, par exemple le manganèse et/ou le lithium, variable en fonction des conditions de fusion, peut cependant se volatiliser pendant l'étape de fusion. L'homme du métier sait comment adapter la composition de la charge de départ en conséquence de manière à obtenir, à l'issue de l'étape e), un produit fondu conforme à l'invention. Les granulométries des poudres utilisées peuvent être celles couramment rencontrées dans les procédés de fusion. Un mélange intime des matières premières peut être effectué dans un mélangeur. Ce mélange est ensuite versé dans un four de fusion.
A l'étape b), la charge de départ est fondue jusqu'à l'obtention d'une masse liquide, à une température Tn,l supérieure à la température de fusion Tf du produit fondu obtenu à l'issue de l'étape e), de préférence dans un four à arc électrique. L'électrofusion permet en effet la fabrication de grandes quantités de produit fondu avec des rendements intéressants.
Il On peut par exemple utiliser un four à arc de type Héroult comportant deux électrodes et dont la cuve a un diamètre d'environ 0,8 m et pouvant contenir environ 180 kg de liquide en fusion. Mais tous les fours connus sont envisageables, comme un four à induction, un four à plasma ou d'autres types de four Héroult, pourvu qu'ils permettent de faire fondre complètement la charge de départ. En particulier pour un produit de LiFePO4 fondu, une énergie comprise entre 400 et 1200 kWhIT est bien adaptée. On peut également réaliser une fusion en creuset dans un four de traitement thermique, de préférence dans un four électrique, de préférence dans un environnement neutre ou réducteur. De préférence, on utilise un four à arc ou un four à induction. Sans que ce soit systématique, il est possible d'augmenter la qualité du brassage par barbotage d'un gaz neutre comme mentionné dans FR 1 208 577. La qualité de brassage du liquide en fusion peut en particulier être améliorée par barbotage d'azote. Le débit et/ou la température dudit gaz est de préférence adaptée de manière à ce que la température de la masse liquide ne soit sensiblement pas affectée par cet ajout de gaz. Les inventeurs ont constaté que de façon surprenante, dans le premier procédé selon l'invention, l'environnement lors de l'étape de fusion b) a peu d'influence sur le produit fondu obtenu en fin d'étape e). Il est donc possible d'effectuer l'étape de fusion b) dans un environnement neutre ou oxydant, de préférence sous air. La conduite du procédé en est avantageusement simplifiée. De préférence, on chauffe de manière à ce que la température de la masse liquide en fusion Tmi soit inférieure à Tf + 300°C, de préférence inférieure à Tf + 150°C, et/ou supérieure à Tf+ 20°C, de préférence supérieure à Tf + 50°C. Par exemple, si le produit fondu est LiFePO4, la température Tm, est supérieure à 980°C, de préférence supérieure à 1000°C, de préférence supérieure à 1030°C, et de préférence inférieure à 1280°C, de préférence inférieure à 1130°C. A la fin de l'étape b), la charge de départ est sous la forme d'une masse liquide, qui peut éventuellement contenir quelques particules solides, mais en une quantité insuffisante pour qu'elles puissent structurer ladite masse. Par définition, pour conserver sa forme, une masse liquide doit être contenue dans un récipient. Dans un premier mode de réalisation, l'étape c) comporte les opérations suivantes : ci) dispersion de la masse liquide sous forme de gouttelettes liquides, c2) solidification de ces gouttelettes liquides par contact avec un fluide, de préférence un fluide oxygéné, de préférence sous air, de manière à obtenir des particules fondues. Par simple adaptation de la composition de la charge de départ, des procédés de dispersion classiques, en particulier par soufflage ou atomisation, permettent ainsi de fabriquer, à partir d'une masse liquide en fusion, des particules de différentes tailles en un produit fondu selon l'invention. A l'opération c,), un filet du liquide en fusion est dispersé en gouttelettes liquides. La 10 dispersion peut résulter d'un soufflage à travers le filet de la masse liquide. Mais tout autre procédé d'atomisation d'une niasse liquide, connu de l'homme de l'art, est envisageable. A l'opération c,), on met en contact ladite masse liquide avec un fluide, de préférence un fluide neutre ou un fluide oxygéné, de préférence un fluide oxygéné, de préférence un 15 fluide comportant au moins 200/0 en volume d'oxygène, de préférence gazeux, de préférence encore avec de l'air. A l'opération c2), les gouttelettes liquides sont transformées en particules solides par contact avec un fluide, de préférence un fluide neutre ou un fluide oxygéné, de préférence un fluide oxygéné, de préférence un fluide comportant au moins 20% en volume 20 d'oxygène, de préférence gazeux, de préférence encore avec de l'air. De préférence, le fluide mis en oeuvre est le même pour les deux opérations cl) et c2). De préférence, le procédé est adapté de manière que, sitôt formée, la gouttelette de liquide en fusion soit en contact avec le fluide. De préférence encore, la dispersion (opération c,)) et la solidification (opération c2)) sont sensiblement simultanées, la masse 25 liquide étant dispersée par un fluide, de préférence gazeux, apte à refroidir et solidifier ce liquide. De préférence, le contact avec le fluide est maintenu au moins jusqu'à la solidification complète des gouttelettes. Un soufflage d'air à température ambiante est possible. 30 A l'issue de l'opération c2), on obtient de préférence des particules solides qui présentent une taille comprise entre 0,01 pm et 5 mm, voire entre 0,01 pm et 3 mm, en fonction des conditions de dispersion.
Le produit fondu selon l'invention peut se présenter en fin d'étape C2) sous la forme de particules de taille inférieure à 50 pm. Le broyage desdites particules peut alors, pour la fabrication d'une cathode, être facultatif. Dans un deuxième mode de réalisation, l'étape c) comporte les opérations suivantes : c,') coulage de la masse liquide dans un moule ; c2') solidification par refroidissement de la masse liquide coulée dans le moule jusqu'à obtention d'un bloc au moins en partie solidifié ; c3') démoulage du bloc. A l'opération c,'), la masse liquide est coulée dans un moule apte à résister à la masse liquide en fusion. De préférence, on utilise des moules en graphite, en fonte, ou tels que définis dans US 3,993,119. Dans le cas d'un four à induction, la spire est considérée comme constituant un moule. Le coulage s'effectue de préférence sous air. A l'étape cz'), la masse liquide coulée dans le moule est refroidie jusqu'à obtention d'un bloc au moins en partie solidifié.
La vitesse de refroidissement du liquide en fusion pendant la solidification est toujours inférieure à 1000 K/s, voire inférieure à Zoo K/s. Dans un mode de réalisation, au cours de la solidification, on met la masse liquide en contact avec un fluide neutre ou un fluide oxygéné, de préférence un fluide oxygéné, de préférence un fluide comportant au moins 20% en volume d'oxygène, de préférence gazeux, de préférence encore avec de l'air. De manière générale, on peut mettre ladite masse liquide et/ou le bloc en contact avec ledit fluide oxygéné à l'opération c,') etlou à l'opération c2') et/ou à l'opération c3') etlou après l'opération c3'). Cette mise en contact peut donc être effectuée dès la coulée. Cependant, il est préférable de ne commencer cette mise en contact qu'après la coulée. Four des raisons pratiques, la mise en contact avec le fluide ne commence de préférence qu'après le démoulage. A l'étape c3'); on démoule le bloc. A l'étape d), optionnelle, le produit fondu, sous forme de particules ou de blocs, est concassé etlou broyé. Tous les types de concasseurs et broyeurs sont utilisables. De préférence, un broyeur à jet d'air ou un broyeur à billes est utilisé.
Dans un mode de réalisation, le procédé comporte une étape d). Le produit fondu est de préférence broyé de façon à obtenir une poudre présentant une taille maximale D99,5 inférieure à 100 pm, de préférence inférieure à 80 pm, de préférence inférieure à 50 pm, de préférence inférieure à 30 pm, de préférence inférieure à 10 pm, de préférence inférieure à 5 pm, de préférence inférieure à 1 pm. Le produit fondu, éventuellement après broyage, subit de préférence une opération de sélection granulométrique en fonction des applications visées, par exemple par tamisage.
Quel que soit le mode de réalisation considéré, des impuretés en provenance des matières premières peuvent être présentes. En particulier, on peut retrouver à titre d'impuretés les éléments Ba, Sr, Yb, Ce, Ça ; et Si, S, Na, K, Nb, Y, B, Ti, Cu, Cr, Mg, Al lorsque l'on ne souhaite pas que la phase LAGJXODE contienne ces éléments.
De préférence, la teneur massique totale en impuretés est inférieure à 2%, de préférence inférieure à 1 %, de préférence inférieure à 0,70/0. De préférence encore, - Ça < 0,2%, de préférence Ça < 0,1%, et/ou - Al < 0,5%, de préférence Al < 0,3%, de préférence < 0,2%, si X04 ne contient pas d'aluminium, et/ou - Si < 0,2%, de préférence Si < 0,15%, si X04 ne contient pas de silicium, etlou - Na < 0,8%, de préférence Na < 0,6%, de préférence Na < 0,5%, de préférence Na < 0,4%, si A ne contient pas de sodium, et/ou Ti < 0,20/0, de préférence Ti < 0,10/0, si G ne contient pas de titane. A l'étape e), le produit fondu subit un traitement thermique de cristallisation, ce qui avantageusement permet de réduire la quantité de phase amorphe et d'augmenter la quantité de phase I..AGJXODE. A l'étape e}, de préférence la température de palier du traitement thermique est supérieure à Tt- 700°C, de préférence supérieure à Tf - 600°C, de préférence supérieure à Tf - 530°C, de préférence supérieure à Tf - 480°C, de préférence supérieure à Tf - 430°C, de préférence supérieure à Tf - 380°C, de préférence supérieure à Tf -- 330°C, et/ou de préférence inférieure à Tf - 80°C, de préférence inférieure à Tf -- 130°C, de préférence inférieure à Tf - 180°C, de préférence inférieure à Tf - 230°C. Par exemple, pour un produit LiFePO4 fondu, la température du traitement thermique est supérieure à 500°C, de préférence supérieure à 550°C, de préférence supérieure à 600°C, de préférence supérieure à 650°C, et inférieure à 930°C, de préférence inférieure à 900°C, de préférence inférieure à 850°C, de préférence inférieure à 800°C, préférence inférieure à 750°C.
De préférence, le temps de maintien en palier est supérieur à 2 heures et/ou inférieur à 24 heures, de préférence inférieur 15 heures, de préférence inférieur à 10 heures. Une température de palier de 700°C, maintenue pendant 5 heures est bien adaptée. L'environnement réducteur peut être créé par un balayage d'un gaz tel qu'un mélange COICO2 ou un mélange N21H2. Mais toute méthode permettant de générer un environnement réducteur connue de l'état de la technique peut être utilisée. De préférence, les particules sont recuites dans un environnement réducteur créé par un gaz. A l'étape f), optionnelle, les particules fondues recuites peuvent être broyées et/ou subir une opération de sélection granulométrique en fonction des applications visées, par exemple par tamisage, en particulier de manière que les particules obtenues constituent une poudre présentant une taille médiane supérieure à 0,05 pm et/ou inférieure à 100 pm. Lors d'une étape ultérieure, plus de 50% en nombre des particules du produit fondu de la poudre obtenue en fin d'étape e) ou f) peuvent être recouvertes, au moins partiellement, de carbone ou d'un précurseur de carboné. Dans un mode de réalisation, lesdites particules du produit fondu recouvertes de carbone ou d'un précurseur de carbone représentent plus de 70%, plus de 90%, plus de 95%, plus de 99%°, sensiblement 100% en nombre des particules de la poudre, ce qui avantageusement permet d'en améliorer la conductivité électrique, et donc les performances de la batterie comportant une cathode mise en forme à partir d'une telle poudre. Le dépôt de carbone ou de précurseur de carbone est classiquement réalisé par pyrolyse. D'autres procédés peuvent également être utilisés, par exemple ceux décrits dans EP 1 325 525 et EP 1 325 526. Un exemple du second procédé selon l'invention est à présent décrit dans le détail. Toutes les caractéristiques décrites précédemment pour l'étape a) du premier procédé selon l'invention sont également applicables pour l'étape a'). Sensiblement tous les constituants lithium A, Fe, J, D, P et E de la charge de départ se 30 retrouvent dans le produit fondu fabriqué. Une partie de ces constituants, par exemple ie manganèse et/ou le lithium, variable en fonction des conditions de fusion, peut cependant se volatiliser pendant l'étape de fusion. L'homme du métier sait comment adapter la25 composition de la charge de départ en conséquence de manière à obtenir, à l'issue de l'étape c'), un produit fondu conforme à l'invention. Dans un mode de réalisation, à l'étape a'), de préférence plus de 99%, de préférence sensiblement 100% en masse de l'élément Fe est apporté par FePO4:n.H2O avec 0 s n 6. Dans un mode de réalisation, à l'étape a'), de préférence plus de 5%, voire plus de 15%, voire plus de 25% en masse de l'élément Fe est apporté par Fe2O3. Dans un mode de réalisation, à l'étape a'), de préférence plus de 99%, de préférence sensiblement 100% en masse de l'élément Fe est apporté par FeO.
Dans un mode de réalisation, à l'étape a'), de préférence plus de 10%, voire plus de 15%, voire plus de 250/0 en masse de l'élément Fe est apporté par Fe3O4. A l'étape b», la charge de départ est sont fondue jusqu'à l'obtention d'une masse liquide, à une température Trr, supérieure à la température de fusion Tf du produit fondu obtenu à l'issue de l'étape e) et la température T°,, étant telle que : o si l'élément Fe est apporté pour plus de 97% de sa masse par FePO4,n.H2O avec 0 n 6, alors Te est de préférence supérieure à 1260°C, de préférence supérieure à 1280°C, et/ou de préférence inférieure à 1330°C, ou o si l'élément Fe est apporté pour plus de 3% de sa masse par Fe2O3, alors Tn,j est supérieure à 1400°C, et/ou inférieure à 1500°C, ou o si l'élément Fe est apporté pour plus de 5% de sa masse par Fe3O4: alors Tm, est supérieure à 1400°C, et/ou inférieure à 1500°C, ou o si l'élément Fe est apporté pour plus de 97% de sa masse par FeO, alors Tm, peut être inférieure à 1060°C, ou o si l'élément Fe est apporté pour plus de 97% de sa masse par un mélange de FeO et de FePO4,n.H2O avec 0 É n < 6, ledit mélange comportant plus de et moins de 97% de FePO4,n.H2O avec 0 É n É 6, alors Tm, est supérieure à 1260°C, de préférence supérieure à 1280°C, et/ou de préférence inférieure à 1330°C.
Les inventeurs ont constaté que, de façon surprenante, il est possible, dans les conditions décrites ci-dessus, d'obtenir en fin d'étape c'), des produits fondus présentant un taux de phase (Lil_aAa)1+x(Fe,_bJb)v((PO4),-dDdjz supérieur à 99,3%, sans avoir recours à un traitement thermique tel que celui de l'étape e) du premier procédé selon l'invention.
Il est néanmoins possible de réaliser une étape de traitement thermique, telle que définie à l'étape e) du premier procédé selon l'invention après l'étape d» du deuxième procédé selon l'invention. Comme pour l'étape b), on peut par exemple utiliser un four à arc de type Héroult comportant deux électrodes et dont la cuve a un diamètre d'environ 0,8 m et pouvant contenir environ 180 kg de liquide en fusion. Mais tous les fours connus sont envisageables, comme un four à induction, un four à plasma ou d'autres types de four Héroult, pourvu qu'ils permettent de faire fondre complètement la charge de départ. On peut également réaliser une fusion en creuset dans un four de traitement thermique, de préférence dans un four électrique, de préférence dans un environnement neutre ou réducteur. De préférence, on utilise un four à arc ou un four à induction. Une énergie comprise entre 400 et 1200 kWhIT est bien adaptée, notamment pour un produit de LiFePO4 fondu. 1.5 Sans que ce soit systématique, il est possible d'augmenter la qualité du brassage par barbotage d'un gaz neutre comme mentionné dans FR 1 208 577. La qualité de brassage du liquide en fusion peut en particulier être améliorée par barbotage d'azote. Le débit et/ou la température dudit gaz sont adaptés de manière à ce que la température de la masse liquide ne soit sensiblement pas affectée par cet ajout de gaz. 20 Les inventeurs ont constaté que de façon surprenante, dans un deuxième procédé selon l'invention, l'environnement lors de l'étape de fusion b') a peu d'influence sur le produit fondu obtenu en fin d'étape c'). La conduite du procédé en est avantageusement simplifiée, l'étape de fusion b') pouvant être réalisée dans un environnement neutre ou oxydant, de préférence sous air. 25 A la fin de l'étape b'), la charge de départ est sous la forme d'une masse liquide, qui peut éventuellement contenir quelques particules solides, mais en une quantité insuffisante pour qu'elles puissent structurer ladite masse. Par définition, pour conserver sa forme, une masse liquide doit être contenue dans un récipient. Toutes les caractéristiques décrites précédemment pour l'étape c) du premier procédé 30 selon l'invention sont également applicables pour l'étape c». Toutes les caractéristiques décrites précédemment pour l'étape d) du premier procédé selon l'invention sont également applicables pour l'étape et».
Les produits fondus selon l'invention peuvent avantageusement présenter des dimensions variées, le procédé de fabrication ne se limitant pas à l'obtention de poudres submicroniques. Il est donc parfaitement adapté à une fabrication industrielle. Ils peuvent être revêtus d'une couche de carbone ou d'une couche d'un précurseur de carbone. Dans un mode de réalisation préféré, ils ne sont pas revêtus d'une couche de carbone. Avantageusement, le spectre des utilisations possibles en est élargi. Le taux de phase LAGJXODE, et plus généralement le taux de cristallisation, sont de préférence les plus élevés possible. Ces taux peuvent en particulier être augmentés par réduction de la vitesse de refroidissement lors de la solidification. En outre, une poudre selon l'invention peut avantageusement être utilisée pour fabriquer une cathode pour batteries lithium-ion. A cet effet, la poudre selon l'invention peut être mélangée, dans un solvant, à des liants et une poudre de noir de carbone. Le mélange obtenu est déposé à la surface du collecteur de courant, généralement en aluminium, par exemple par raclage à la lame (ou « doctor blade » en anglais) ou par un procédé rouleau à rouleau (ou « roll to roll » en anglais), afin de former la cathode. La cathode est ensuite séchée et/ou laminée à chaud pour évaporer le solvant, obtenir une bonne adhésion sur le collecteur de courant et un bon contact entre les grains dè la couche de cathode. La figure 1 représente une partie d'une batterie 2, constituée d'un séparateur 4, d'une anode 6, d'un collecteur de courant 12 au niveau de l'anode, d'une cathode 8 et d'un collecteur de courant 10 au niveau de la cathode, tous ces organes baignant dans un électrolyte. Une batterie est classiquement composée de plusieurs parties telles que décrites ci-dessus.
Exemples Les exemples suivants sont fournis à des fins illustratives et ne limitent pas l'invention. Les produits fondus ont été fabriqués de la manière suivante. Les matières premières de départ suivantes ont d'abord été mélangées intimement dans un mélangeur : - une poudre de carbonate de lithium Li2CO3, dont la pureté est supérieure à 99 % en masse et dont la taille médiane est inférieure à 420 pm ; une poudre de 1=ePO4,2.H2O, dont la pureté est supérieure à 99 % en masse et dont la taille médiane est d'environ 50 nm.
Pour les exemples 1 à 3, la charge de départ, d'une masse de 4kg, a été versée dans un four de fusion à arc de type Héroult. Elle a ensuite été fondue suivant une fusion avec une tension de 120 Volts, une puissance instantanée de 48 kW, et une énergie appliquée sensiblement égale à 800 kWh/T, afin de fondre toute la charge de départ de façon complète et homogène. La fusion s'est effectuée sous air. Pour le produit selon l'exemple 1, hors invention, après fusion de la charge de départ, la masse de liquide en fusion était à une température Tn,, mesurée à 1200°C. A l'étape c), la masse liquide a ensuite été coulée de manière à former un filet. Un soufflage d'air sec comprimé, à température ambiante et à une pression de 8 bar, a brisé le filet et dispersé en gouttelettes le liquide en fusion. Le soufflage a refroidi ces gouttelettes et les a figées sous la forme de particules fondues. Selon les conditions de soufflage, les particules fondues peuvent être sphériques ou non, creuses ou pleines. Elles présentent une taille comprise entre 0,005 mm et 5 mm. Pour le produit selon l'exemple 2, fabriqué selon le deuxième procédé selon l'invention, à l'étape b'), après fusion de la charge de départ, la température T, l du liquide en fusion mesurée était égale à 1300°C. La masse liquide a ensuite été coulée sous air, dans des moules en fonte tels que définis dans US 3,993,119 et tels que l'épaisseur de la pièce coulée était égale à 5 mm. Pour l'exemple 3, fabriqué suivant le premier procédé selon l'invention, les étapes a) à c) sont identiques à celles réalisées pour le produit selon l'exemple 1 hors invention. A l'étape d), 100 g du produit fondu selon l'exemple 1 ont été broyés dans un vibro-broyeur à disques RS100 commercialisé par la société Retsch, de manière à obtenir une poudre présentant une taille médiane égale à 11 pm. A l'étape e), cette poudre a été disposée dans une boîte en alumine. Ladite boîte a été placée dans un four électrique Nabertherm HT 16117, et reliée à un système de circulation d'un gaz 96 vol% N2 - 4 vol%H2, permettant de créer un environnement réducteur dans ladite boîte lors du traitement thermique. La poudre a été chauffée dans cet environnement réducteur pendant 5 heures à 700°C, la vitesse de montée en température étant de 100°C/h et la vitesse de descente en température étant de 100°C/h. Après refroidissement, une poudre de produit selon l'exemple 3 a été récupérée dans la boîte. Les analyses chimiques et de détermination de phase ont été réalisées sur des échantillons qui présentaient, après broyage, une taille médiane inférieure à 40 pm.
20 L'analyse chimique a été effectuée par fluorescence X et par « lnductively Coupled Plasma » ou « ICP » pour le lithium et les impuretés. La détermination du taux de phase LAGJXODE a été effectuée à partir des diagrammes de diffraction X, acquis avec un diffractomètre D5000 de la société BRUKER pourvu d'un tube DX en cuivre. A l'aide du logiciel EVA (commercialisé par la société BRUKER) et après avoir effectué une soustraction du fond continu (background 0,8), if est possible de mesurer l'aire Ai.AGjXODE (sans traitement de déconvolution) du pic principal ou multiplet principal de diffraction du LAGJXODE et, pour chacune des phases secondaires, l'aire Aps (sans traitement de déconvolution) du pic de plus forte intensité non superposé ou du multiplet de plus forte intensité non superposé. On peut alors calculer l'aire totale Aphas,s secondaires par la somme des aires Aps. Le taux de phase LAGJXODE est alors calculé suivant fa formule (1). Ainsi, si la phase LAGJXODE est la seule phase en présence dans le diagramme de diffraction X, le taux de phase LAGJXODE est égal à 100 %. Les tableaux 1 et 2 résument les résultats obtenus : Température de la Exemples charge de départ masse liquide à l'étape b) ou b'), Ta (°C} 1(*) Li2CO3 : 0,64 kg FePO4-2H2O : 3,36 kg 1200 2 Li2CO3 : 0,64 kg FePO4-2H2O : 3,36 kg ! 1300 (*) : hors invention Tableau 1 i Analyse chimique (pourcentages massiques) Phase Taux de LAAGJXODE phase LiAGJXODE {L'oxygène constitue le complément à lao%) Ex' Li Fe P Mn Al Zr Autres 1(*) 4,63 32 19,1 0,2 < 0,1 ~ 0,1 < 0 1 Li1,osFeo,s3PO4 95,6% 2 4,44 31,8 18,9 0,1 ~ 0,1 ~ 0,1 < 0,1 LiI,D5Feo,s3PO4 ~ 99,9% l 3 4,63 32 19,1 0,2 , ~ 0,1 < 0,1 Lil,o8Feo,s3PO4 99,9% < 0,1 *} : hors invention Tableau 2 Ces exemples permettent de mettre en évidence l'efficacité des procédés selon l'invention. Une comparaison des résultats des fusions des exemples 1 et 2 montre qu'un prodûit fondu présentant un taux de phase (Lil_aAa)I,.x(Gl_bJb)À(X04)I-dDdizEe supérieur à 99,3% n'est pas obtenu si l'élément Fe est apporté par FePO4,2.H2O avec une température de la masse liquide, T',,, égale à 1200°C, et sans étape e) de traitement thermique. Au contraire, le produit de l'exemple 2, réalisé suivant le deuxième procédé selon l'invention, avec l'élément Fe apporté pour sensiblement 100% de sa masse par FePO4s2.1-12O à l'étape a') et avec une température de la masse liquide Tm, égale à 1300°C à l'étape b'), 10 présente un taux de phase (Li,_aAa)l+x(G,-bJb)v[(X04)I-dDdIzEe supérieur à 99,90/o. Une comparaison des produits des exemples 1 et 3 montre qu'un produit présentant un taux de phase Li,,08Feo,93PO4 supérieur à 99,9% peut être obtenu par le premier procédé selon l'invention comportant une étape de traitement thermique e). Comme cela apparaît clairement à présent, le procédé selon l'invention permet de 15 fabriquer de manière simple et économique, en quantités industrielles, des produits fondus dont la partie cristallisée comporte plus de 99,3% de phase LAGJXODE. Les dimensions de ces produits peuvent être réduites, par exemple par broyage sous forme de poudres si leur utilisation l'exige. Ces produits peuvent également être obtenus directement sous la forme de particules.
20 Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits fournis à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs. En particulier, les produits selon l'invention ne se limitent pas à des formes ou à des dimensions particulières.

Claims (35)

  1. REVENDICATIONS1. Produit fondu dont la partie cristallisée est constituée, pour plus de 99,3% en masse, d'une même phase cristallisée de formule (Lil_aAa)I,(Gi.bJb)y[(XO4)1-dDdge, ou « phase LAGJXODE », dans laquelle : - Li est l'élément lithium, - A est un substituant du lithium choisi parmi les éléments Na, K, H et leurs mélanges, a étant inférieur ou égal à 0,2, W G est choisi parmi les éléments Fe, Mn, Ni, Co, V et leurs mélanges, IO - J est un substituant de G choisi parmi Nb, Y, Mg, B, Ti, Cu, Cr et leurs mélanges, b étant inférieur ou égal à 0,5, - X04 est un oxoanion dans lequel O désigne l'élément oxygène et X est choisi parmi les éléments P, S, V, Si, Nb, Mo et leurs mélanges, - D est choisi parmi les anions F-, OH", Cl- et leurs mélanges, d étant inférieur ou 15 égal à 0,35, E étant choisi parmi l'élément F, l'élément Cl, l'élément O, le groupement OH, et leurs mélanges, - 05e52, - -0,25x52, 20 0,9 5 y 5 2, 15z5. 3.
  2. 2. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel a < 0,15.
  3. 3. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel a < 0,1.
  4. 4. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel a = 0. 25
  5. 5. Produit fondu selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel G est choisi parmi Fe, Co, Mn, V et leurs mélanges.
  6. 6. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel G est choisi parmi Fe, Co, Mn et leurs mélanges.
  7. 7. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel G est Fe. 30
  8. 8. Produit fondu selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel b < 0,40.
  9. 9. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel b < 0,15.
  10. 10. Produit fondu selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'élément substituant J est choisi parmi Nb, Y, Mg, B, Ti et leurs mélanges.
  11. 11. Produit fondu selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel X est choisi parmi P, S, Si et leurs mélanges.
  12. 12. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel X est l'élément P.
  13. 13. Produit fondu selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel d < 0; 30.
  14. 14. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel d < 0,10.
  15. 15. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel d = O.
  16. 16. Produit fondu selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel D est F-.
  17. 17. Produit fondu selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel E est l'élément F.
  18. 18. Produit fondu selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel x ? -0,1 et/ou x s 1,3.
  19. 19. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel x ? -0,05 et/ou x < 1,2.
  20. 20. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel x z 0 et/ou x <_ 1.
  21. 21. Produit fondu selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel y=2
  22. 22. Produit fondu selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, dans lequel y 5 1,5.
  23. 23. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel y ? 1.
  24. 24. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel y = 1.
  25. 25. Produit fondu selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel e=2.
  26. 26. Produit fondu selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, dans lequel e S 1,5.
  27. 27. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel e 5 1.
  28. 28. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel e = 1.
  29. 29. Produit fondu selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, 26 et 27, dans lequel e=0.
  30. 30. Produit fondu selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie cristallisée est constituée, pour plus de 99,7% en masse, de ladite phase LAGJXODE.
  31. 31. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel la partie cristallisée est constituée, pour plus de 99,9% en masse, de ladite phase LAGJXODE.
  32. 32. Produit fondu selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite phase LAGJXODE est choisie dans le groupe formé par LiFePO4, Li3V2(PO4)3i LiMnPO4, Li2FeSiO4, LiVPO4F, LICoPO4, LiMnc BFeg2PO4, LiFe6,33Mno,67PO4 LiFePO4F, LIVPO40, LiFeSO4F, Li2CoPO4F, et LiVPO4
  33. 33. Produit fondu selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la quantité massique de phase amorphe est inférieure à 800/0, sur la base de la masse du produit fondu.
  34. 34. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel la quantité massique de phase amorphe est inférieure à 5Q%, sur la base de la masse du produit fondu.
  35. 35. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel la quantité massique de phase amorphe est inférieure à 30%, sur la base de la masse du produit fondu. 35. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel la quantité massique de phase amorphe est inférieure à 1o%, sur la base de la masse du produit fondu. 37. Produit fondu selon la revendication précédente, dans lequel la quantité massique de phase amorphe est inférieure à 50/0, sur la base de la masse du produit fondu. 38. Poudre d'un produit selon l'une quelconque des revendications précédentes. 39. Poudre selon la revendication précédente, dans laquelle plus de 50% en nombre, des particules ne sont pas recouvertes, même partiellement, de carbone. 40. Poudre selon la revendication précédente, dans laquelle plus de 95%, en nombre des particules ne sont pas recouvertes, même partiellement, de carbone. 41. Procédé de fabrication d'un produit selon l'une quelconque des revendications 1 à 37 précédentes, comportant les étapes suivantes : a) mélange de matières premières de manière à former une charge de départ, b) fusion de la charge de départ jusqu'à obtention d'une masse liquide à une température Tm, supérieure à fa température de fusion Tf du produit fondu obtenu à l'issue de l'étape e) (qui peut être supérieure à la température strictement nécessaire à la fusion de la charge de départ), c) refroidissement jusqu'à solidification complète de ladite masse liquide, de manière à obtenir un produit fondu, d) optionnellement, concassage et/au broyage et/ou sélection granulométrique dudit produit fondu, e) traitement thermique du produit fondu à une température de palier inférieure à la température de fusion Tt dudit produit fondu et comprise entre Tt - 800°C, ou 500°C si Tt - 800°C est inférieur à 5p0°C, et Tt - 50°C, pendant un temps de maintien en palier supérieur à 90 minutes, et dans un environnement réducteur, f) optionnellement, concassage et/ou broyage etlou sélection granulométrique dudit produit fondu, les matières premières à l'étape a) et, optionnellement l'environnement gazeux à l'étape b), étant déterminés de manière que ledit produit fondu soit conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 37. 42. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel à l'étape b), la température de la masse liquide Tm, est inférieure à Tt + 300°C. 43. Procédé selon l'une quelconque des deux revendications immédiatement précédentes, dans lequel, à l'étape b), la température de la masse liquide Tm, est inférieure à T, + 150°C. 44. Procédé selon l'une quelconque des trois revendications immédiatement précédentes, dans lequel, à l'étape b), la fusion se déroule dans un environnement neutre ou contenant de l'oxygène. 45. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel à l'étape b), la fusion se déroule sous air. 46. Procédé selon l'une quelconque des cinq revendications immédiatement précédentes, dans lequel à l'étape e), la température du traitement thermique est supérieure à Tt - 700°C et/ou inférieure à Tt - 50°C. 47. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel à l'étape e), la température du traitement thermique est supérieure à T, - 600°C et/ou inférieure à T, - 80°C.48. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel à l'étape e), la température du traitement thermique est supérieure à Tf - 530°C et/ou inférieure à Tf - 130°C. 49. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel à l'étape e), la température du traitement thermique est supérieure à Tt _ 480°C etlou inférieure à Tf - 180°C. 50. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel à l'étape e), la température du traitement thermique est supérieure à Tt- 430°C et/ou inférieure à Tf- 230°C. 51. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel à l'étape e), la température du traitement thermique est supérieure à Tf-- 380°C. 52. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel à l'étape e), la température 10 du traitement thermique est supérieure à Tt- 330°C. 53. Procédé selon l'une quelconque des douze revendications immédiatement précédentes, dans lequel à l'étape e), le temps de maintien en palier est supérieur à 2 heures et/ou inférieur à 24 heures. 54. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel à l'étape e), le temps de 15 maintien en palier est inférieur à 10 heures. 55. Procédé de fabrication d'un produit selon la revendication 29, dans lequel G est Fe, X est P, ledit procédé comportant les étapes suivantes : a') mélange de matières premières de manière à former une charge de départ, b') fusion de la charge de départ jusqu'à obtention d'une masse liquide à une 20 température Tm, supérieure à la température de fusion Tf du produit fondu obtenu à l'issue de l'étape c'), la température étant telle que : si l'élément Fe est apporté pour plus de 97% de sa masse par FePO4,n.H2O avec 0 s n 5 6, alors Tm! est supérieure à 1250°C, et de préférence inférieure à 1350°C, ou 25 - si l'élément Fe est apporté pour plus de 3% de sa masse par Fe2O3, alors T°,, est supérieure à 1350°C, et de préférence inférieure à 1550°C, ou si l'élément Fe est apporté pour plus de 5% de sa masse par Fe3O4, alors T°,, est supérieure à 1350°C, et de préférence inférieure à 1550°C, ou si l'élément Fe est apporté pour plus de 3% et plus de 97% de sa masse 30 par FeO, alors TE,,, est de préférence inférieure à 1100°C, si l'élément Fe est apporté pour plus de 97% de sa masse par un mélange de FeO et de FePO4sn.H2O avec 0 s n 5 6, ledit mélange comportant moinsde 97% de FePO4,n.H2O avec 0 n <_ 6, alors Tmt est supérieure à 1250°C, et de préférence inférieure à 1350°C, c'} refroidissement jusqu'à solidification complète de ladite masse liquide, de manière à obtenir un produit fondu selon la revendication 29, d» optionnellement, broyage etlou sélection granulométrique dudit produit fondu de manière à obtenir une poudre dudit produit fondu. 56. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel, à l'étape b'), l'élément Fe est apporté pour plus de 99% de sa masse par FePO4,n.H2O avec 0<_n56,ou - l'élément Fe est apporté pour plus de 5% de sa masse par Fe203s ou - l'élément Fe est apporté pour plus de 10% de sa masse par Fe304, ou - l'élément Fe est apporté pour plus de 99% de sa masse par FeO. 57. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel, à l'étape b», - l'élément Fe est apporté pour sensiblement 100% de sa masse par 15 FePO4,n.H2O avec 0 n 6, ou - l'élément Fe est apporté pour plus de 15% de sa masse par Fe203, ou l'élément Fe est apporté pour plus de 25% de sa masse par Fe304, ou - l'élément Fe est apporté pour sensiblement 100% de sa masse par FeO. 58. Procédé selon l'une quelconque des trois revendications immédiatement 20 précédentes, dans lequel à l'étape b'), - si l'élément Fe est apporté pour plus de 970/0 de sa masse par FePO4,n.H2O avec 0 n 5 6, alors Tm, est supérieure à 1260°C, et/ou de préférence inférieure à 1330°C, ou - si l'élément Fe est apporté pour plus de 3% de sa mâsse par Fe203, alors 25 Tm, est supérieure à 1400°C, et/ou inférieure à 1500°C, ou si l'élément Fe est apporté pour plus de 5% de sa masse par Fe304, alors Tm, est supérieure à 1400°C, et/ou inférieure à 1500°C, ou - si l'élément Fe est apporté pour plus de 97% de sa masse par FeO, alors Tm, est de préférence inférieure à 1050°C, ou 30 _ si l'élément Fe est apporté pour plus de 97% de sa masse par un mélange de FeO et de FePO4,n.H2O avec 0 5 n <_ 6, ledit mélange comportant plus de 30/0 et moins de 97% de FePO4in.H2O avec 0 < n s 6, alors Tm, est supérieure à 1260°C, et de préférence inférieure à 1330°C.59. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel à l'étape b'), - si l'élément Fe est apporté pour plus de 97% de sa masse par FePO4,n.H20 avec 0 s n s 6, alors Tm, est supérieure à 1280°C, ou - si l'élément Fe est apporté pour plus de 97% de sa masse par un mélange de FeO et de FePO4,n.H2O avec 0 s n s 6, ledit mélange comportant plus de 3% et moins de 97% de FePO4,n.H20 avec 0 s n 5 6, alors Tm, est supérieure à 1280°C. 60. Procédé selon l'une quelconque des six revendications immédiatement précédentes, dans lequel, à l'étape b'), la fusion se déroule dans un environnement neutre ou contenant de l'oxygène. 61. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel à l'étape b», la fusion se déroule sous air. 62. Produit susceptible d'être obtenu par un procédé selon l'une quelconque des revendications 41 à 61, 63. Cathode pour batteries lithium-ion comportant un produit fondu selon l'une quelconque des revendications 1 à 37, ou une poudre selon quelconque des revendications 38 et 40, ou d'un produit fondu obtenu ou pouvant être obtenu par un procédé selon l'une quelconque des revendications 41 à 61. 64. Batterie comportant une cathode selon la revendication précédente.20
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