FR2981799A1 - NEW CATHODIC MATERIAL FOR LITHIUM BATTERY - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un nouveau matériau cathodique actif comprenant une composition de formule suivante : Li VO où x représente un nombre tel que 0<=X<=1 et où y représente un nombre tel que 0<=y<=0.1 pour batteries au lithium, son procédé de fabrication, ainsi que ses utilisations. The present invention relates to a novel active cathode material comprising a composition of the following formula: Li VO where x represents a number such that 0 <= X <= 1 and where y represents a number such that 0 <= y <= 0.1 for batteries at lithium, its manufacturing process, as well as its uses.

Description

La présente invention concerne un nouveau matériau cathodique pour batteries au lithium, son procédé de fabrication, ainsi que ses utilisations. Le stockage de l'énergie est une des problématiques centrales de l'économie d'énergie. En effet, il est important de pouvoir stocker et/ou transporter de l'énergie avec un minimum de pertes, et d'obtenir un matériau de stockage d'énergie 10 rechargeable ayant une durée de vie conséquente. Les batteries ou piles au lithium constituent aujourd'hui un élément de réponse à ce problème de stockage d'énergie. Celles-ci constituent d'ailleurs la plus importante part du marché des batteries portables. Elles sont notamment utilisées dans les ordinateurs portables, les téléphones portables, les caméras et les lecteurs 15 numériques de musique. Cependant, les batteries ou piles au lithium actuellement sur le marché mériteraient des améliorations en termes de prix, de fiabilité, de restitution énergétique, d'impact écologique et de durée de vie. Une batterie ou pile est un transducteur qui convertit l'énergie chimique en 20 énergie électrique. Cette conversion d'énergie chimique en énergie électrique sera appelé fonctionnement direct de la pile ou batterie. Dans le cas d'une batterie ou pile rechargeable, il est également possible d'effectuer l'opération inverse, c'est-à-dire de convertir l'énergie électrique en énergie chimique, qui sera elle-même réutilisée. Ce fonctionnement sera appelé 25 fonctionnement inverse. Une batterie ou pile comprend une anode, une cathode et un électrolyte. L'anode constitue le pôle négatif, tandis que la cathode constitue le pôle positif de la pile ou batterie. L'électrolyte quant à lui permet le transport des ions lithium et des électrons. The present invention relates to a new cathode material for lithium batteries, its manufacturing process, as well as its uses. The storage of energy is one of the central issues of energy saving. Indeed, it is important to be able to store and / or transport energy with a minimum of losses, and to obtain a rechargeable energy storage material having a substantial lifetime. Lithium batteries or batteries are nowadays an element of answer to this problem of storage of energy. These constitute the largest share of the portable battery market. They are especially used in laptops, cell phones, cameras and digital music players. However, batteries or lithium batteries currently on the market deserve improvements in terms of price, reliability, energy return, environmental impact and service life. A battery is a transducer that converts chemical energy into electrical energy. This conversion of chemical energy into electrical energy will be called direct operation of the battery or battery. In the case of a rechargeable battery or battery, it is also possible to perform the reverse operation, that is to say to convert the electrical energy into chemical energy, which will itself be reused. This operation will be called reverse operation. A battery or battery comprises an anode, a cathode and an electrolyte. The anode constitutes the negative pole, while the cathode constitutes the positive pole of the battery or battery. The electrolyte itself allows the transport of lithium ions and electrons.

Généralement, l'anode est constituée d'un matériau carboné de bas potentiel servant d'hôte aux ions lithium Lit. Cette technologie, qui a permis de s'affranchir de l'utilisation des anodes au métal lithium posant de véritables problèmes de sécurité, a permis le développement commercial des batteries au lithium. Generally, the anode consists of a low potential carbon material serving as a host to Lithium Lit ions. This technology, which has made it possible to overcome the use of lithium metal anodes posing real security problems, has allowed the commercial development of lithium batteries.

Au sens de la présente invention, on entend par « matériau cathodique actif » le matériau qui subit la transformation électrochimique (ou réaction d'oxydoréduction) dans la cathode. Le matériau cathodique actif peut être utilisé en mélange avec des additifs. Ces additifs sont préférentiellement des plastifiants, des liants, des matériaux visant à améliorer la conductivité de la cathode (tel le noir de carbone). Au sens de la présente invention cependant, le « matériau cathodique actif » ne comprend pas ces additifs. Actuellement, les matériaux cathodiques actifs les plus utilisés sont les oxydes à bases de cobalt, de manganèse et de fer, pour lesquels les matériaux de type LixCo02 et LiFePO4 sont privilégiés en raison des valeurs de leur potentiel redox de 3.5V pour Fe 3 '/Fe2 ' et Co3 '/Co2 ' par rapport au potentiel du couple Li'/Li. Cependant, ces matériaux, et notamment les oxydes de cobalt, ne répondent pas aux exigences écologiques car ils sont polluants (métaux lourds) et difficiles à recycler. De plus, les systèmes utilisant des oxydes de cobalts présentent des problèmes de surchauffe en cas de surcharge de la cathode et/ou de l'électrolyte, tandis que les systèmes à base de LiFePO4 souffrent d'une conductivité inhérente relativement basse. Les oxydes de vanadium, beaucoup plus « écologiques », sont considérés comme des matériaux cathodiques actifs prometteurs en raison des potentiels redox V5 '/V4 ' et V4 'N3 ' voisins de 2.7 et 2.0V, respectivement par rapport au potentiel du couple Li'/Li. Notamment, le matériau V205 met en jeu deux potentiels : V5+/V4+ et V4+/V3+ lors de l'intercalation d'ions lithium par V205. Le fonctionnement d'une telle batterie est donc complexe, impliquant l'apparition de deux potentiels redox différents qui sont susceptibles d'affecter la fiabilité de la batterie. De plus, l'intercalation des ions lithium dans V205 introduit des transitions de phase structurales qui sont susceptibles de fragiliser le matériau d'électrode. De même, le matériau LiV308 met en jeu les deux couples rédox V5'/V4' et v4+N3+. For the purposes of the present invention, the term "active cathode material" means the material which undergoes the electrochemical transformation (or oxidation-reduction reaction) in the cathode. The active cathode material can be used in admixture with additives. These additives are preferably plasticizers, binders, materials to improve the conductivity of the cathode (such as carbon black). For the purposes of the present invention, however, the "active cathode material" does not include these additives. Currently, the most used active cathode materials are oxides based on cobalt, manganese and iron, for which materials of LixCo02 and LiFePO4 type are preferred because of the values of their redox potential of 3.5V for Fe 3 '/ Fe2 'and Co3' / Co2 'with respect to the potential of the Li' / Li couple. However, these materials, including cobalt oxides, do not meet ecological requirements because they are pollutants (heavy metals) and difficult to recycle. In addition, systems using cobalt oxides have overheating problems in the event of cathode and / or electrolyte overload, while LiFePO4 based systems suffer from relatively low inherent conductivity. Vanadium oxides, which are much more "ecological", are considered as promising active cathode materials because of the redox potentials V5 '/ V4' and V4 'N3' close to 2.7 and 2.0V respectively relative to the potential of the Li 'pair. / Li. In particular, the material V205 involves two potentials: V5 + / V4 + and V4 + / V3 + during the intercalation of lithium ions by V205. The operation of such a battery is therefore complex, involving the appearance of two different redox potentials that are likely to affect the reliability of the battery. In addition, the intercalation of lithium ions in V205 introduces structural phase transitions that are likely to weaken the electrode material. Similarly, the LiV308 material involves the two redox couples V5 '/ V4' and v4 + N3 +.

Les avantages et inconvénients des matériaux cathodiques actifs les plus utilisés actuellement dans les batteries ou piles au lithium sont présentés plus généralement dans la revue de Witthingham publiée dans Chem. Rev. 2004, 104, 4271-4301, dans l'article de Nazar et al. paru dans Chem. Mater. 2010, 22, 691-714 et dans l'article de Armand et Tarascon paru dans Nature 2008, 451, 652-657. The advantages and disadvantages of active cathode materials most commonly used in lithium batteries or batteries are presented more generally in the Witthingham review published in Chem. Rev. 2004, 104, 4271-4301, in the article by Nazar et al. published in Chem. Mater. 2010, 22, 691-714 and in the article by Armand and Tarascon published in Nature 2008, 451, 652-657.

Il existe donc un besoin pour de nouveaux matériaux cathodiques actifs qui seraient à la fois écologiques, économiques, fiables, et avec un potentiel rédox adapté pour un stockage et une restitution énergétiques efficaces dans les batteries rechargeables au lithium. De manière surprenante, les inventeurs ont découverts que le matériau Li2_xV03_y, avec x représentant un nombre tel que 0<x<1 et y représente un nombre tel que 0<y<0.1, est sélectif sur le plan des potentiels mis en jeu au cours du phénomène d'intercalation-déintercalation : il ne concerne que le couple redox V5W4+ correspondant à l'intercalation d'un ion lithium par vanadium. Il peut deintercaler /intercaler un lithium par vanadium avec une excellente réversibilité au potentiel moyen de 2.5 V pour le couple Li+/Li. Comme indiqué plus haut, un tel matériau présente un potentiel rédox adapté pour un stockage et une restitution énergétiques efficaces et est écologique. Un obj et de la présente invention est donc un matériau cathodique actif comprenant une composition de formule Li2_xV03_y avec x un nombre tel que 0<x<1 et y représente un nombre tel que 0<y<0.1. Un autre objet de la présente invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau cathodique actif comprenant une composition de formule Li2,V03_y avec x un nombre tel que 0<x<1 et y représente un nombre tel que 0<y<0.1. Un autre objet de la présente invention concerne l'utilisation de tels matériaux cathodiques pour la fabrication de batteries rechargeables au lithium. There is therefore a need for new cathode active materials that would be both environmentally friendly, economical, reliable, and with a redox potential adapted for efficient energy storage and retrieval in rechargeable lithium batteries. Surprisingly, the inventors have discovered that the material Li2_xV03_y, with x representing a number such that 0 <x <1 and y represents a number such that 0 <y <0.1, is selective in terms of the potentials involved during the phenomenon of intercalation-deintercalation: it only concerns the redox couple V5W4 + corresponding to the intercalation of a lithium ion by vanadium. It can intercalate / intercalate one lithium per vanadium with excellent reversibility at the average potential of 2.5 V for the Li + / Li pair. As indicated above, such a material has a redox potential adapted for efficient energy storage and restitution and is ecological. An object of the present invention is therefore an active cathode material comprising a composition of formula Li2_xV03_y with x a number such that 0 <x <1 and y represents a number such that 0 <y <0.1. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing an active cathode material comprising a composition of the formula Li 2, VO 3 y with x a number such that 0 <x <1 and y represents a number such that 0 <y <0.1. Another object of the present invention relates to the use of such cathode materials for the manufacture of rechargeable lithium batteries.

Un autre objet de la présente invention concerne des batteries ou piles rechargeables au lithium comprenant le matériau cathodique actif selon l'invention. La présente invention concerne donc un matériau cathodique actif comprenant une composition de formule Li2,V03_y où x représente un nombre tel 5 que 0<x<1 et y représente un nombre tel que 0<y<0.1. Le matériau cathodique actif Li2_xV03_y où x représente un nombre tel que 0<x<1 et y représente un nombre tel que 0<y<0.1 comprend du vanadium au degré V4+ . Le nombre y tel que 0<y<0.1 permet de définir les éventuels défauts 10 intervenant inévitablement dans la structure du matériau selon l'invention. Cependant, si y est supérieur à 0.1, alors les défauts de la structure spatiale seraient trop importants et résulteraient en l'effondrement de la structure du matériau. De préférence, y représente donc un nombre tel que 0<y<0.01, plus préférentiellement, y représente un nombre tel que 0<y<0.001, encore plus 15 préférentiellement, y est égal à 0. Avantageusement, le matériau cathodique actif Li2,V03_y où x représente un nombre tel que 0<x<1 et y représente un nombre tel que 0<y<0.1 présente une structure de type maille cubique centrée. Cette structure est désordonnée, c'est-à-dire que l'emplacement des ions Le et V4+ dans la maille cubique centrée est aléatoire. 20 Par ailleurs, la taille de la maille est telle qu'elle ne permet pas d'intercaler plus de 2 ions lithium par maille. Lors de l'utilisation du matériau cathodique actif selon l'invention dans une batterie ou pile au lithium, le lithium peut être déintercalé de façon totalement réversible dans le matériau qui se comporte comme une solution solide Li2_xV03_y où 25 x représente un nombre tel que 0<x<1 et y représente un nombre tel que 0<y<0.1. Avantageusement, la structure de type maille cubique centrée du matériau cathodique actif selon l'invention permet une grande réactivité et par suite des conditions de fonctionnement excellentes, évitant les contraintes qui sont souvent néfastes lors des phénomènes de cyclage auxquels sont soumis les matériaux pour 30 électrodes, en particulier pour cathodes. Another object of the present invention relates to rechargeable lithium batteries or cells comprising the active cathode material according to the invention. The present invention thus relates to an active cathode material comprising a composition of the formula Li 2, VO 3 - where x represents a number such that 0 <x <1 and y represents a number such that 0 <y <0.1. The active cathode material Li2_xV03_y where x represents a number such that 0 <x <1 and y represents a number such that 0 <y <0.1 comprises vanadium at V4 + degree. The number y such that 0 <y <0.1 makes it possible to define any defects that inevitably occur in the structure of the material according to the invention. However, if y is greater than 0.1, then the defects of the spatial structure would be too great and would result in the collapse of the material structure. Preferably, y represents a number such that 0 <y <0.01, more preferably, y represents a number such that 0 <y <0.001, even more preferentially, y is equal to 0. Advantageously, the active cathode material Li2, V03_y where x represents a number such that 0 <x <1 and y represents a number such that 0 <y <0.1 has a centered cubic mesh structure. This structure is disordered, that is to say that the location of the ions Le and V4 + in the centered cubic mesh is random. Furthermore, the size of the mesh is such that it does not allow to insert more than 2 lithium ions per mesh. When using the active cathode material according to the invention in a lithium battery or cell, the lithium can be deintercaled in a completely reversible manner in the material which behaves like a solid solution Li2_xV03_y where x represents a number such that 0 <x <1 and y represents a number such that 0 <y <0.1. Advantageously, the centered cubic mesh type structure of the active cathode material according to the invention allows a high reactivity and consequently excellent operating conditions, avoiding the stresses that are often harmful during the cycling phenomena to which the electrode materials are subjected. , in particular for cathodes.

De manière avantageuse, l'intercalation est totalement réversible, le matériau limite LiVO3 (x=1) formé par deintercalation chimique dans la batterie peut de nouveau intercaler le lithium par traitement électrochimique dans la batterie conduisant de façon réversible au matériau cathodique actif Li2V03. Il est à noter que le matériau LiVO3 est bien un composé limite théorique, toutes les mesures effectuées sur le matériau « déchargé », c'est-à-dire lorsque la déintercalation chimique dans la batterie est terminée, donnant toujours des valeurs de x telles que x<1. En effet, la structure de LiVO3 (x=1) est une structure ordonnée et en ruban, donc très différente de celle du matériau cathodique actif selon l'invention. Lorsque le matériau LiVO3 est mis en contact avec une source de lithium capable de subir une réaction rédox la transformation chimique conduisant au matériau selon l'invention s'accompagne d'un changement de structure irréversible. Ainsi, quelle que soit la valeur de x comprise entre x=0 et x<1, le matériau cathodique selon l'invention conserve une structure de type maille cubique centrée déficiente en lithium. Le matériau cathodique selon l'invention est donc un excellent conducteur électronique et ionique. De plus, le matériau cathodique selon l'invention est stable chimiquement et thermiquement. Par ailleurs, dans le cas d'un matériau de formule LixV03_y où x représente un nombre tel que x>2 et y représente un nombre tel que 0<y<0.1, la structure change totalement et la formule du matériau est plus exactement représentée par un mélange de Li20 et VO2 et V. Par exemple, pour x = 6 la formule serait (Li20)3 + V. L'arrangement spatial n'est plus du tout assimilable à un réseau de mailles cubiques centrées. Cela a pour conséquence une instabilité du matériau, dont la structure est mal définie et susceptible de changer au cours de l'utilisation. x représente donc avantageusement un nombre tel que 0<x<0.5, encore plus avantageusement, x est égal à O. Dans un mode de réalisation, le matériau cathodique actif selon l'invention comprend de plus un autre matériau cathodique actif. Advantageously, the intercalation is completely reversible, the limit material LiVO3 (x = 1) formed by chemical deintercalation in the battery can again intercalate lithium by electrochemical treatment in the battery reversibly leading to active cathode material Li2V03. It should be noted that the material LiVO3 is indeed a theoretical limit compound, all the measurements made on the material "discharged", that is to say when the chemical deintercalation in the battery is finished, always giving values of x such that x <1. Indeed, the structure of LiVO3 (x = 1) is an ordered and ribbon structure, therefore very different from that of the active cathode material according to the invention. When the LiVO3 material is brought into contact with a lithium source capable of undergoing a redox reaction, the chemical transformation leading to the material according to the invention is accompanied by an irreversible structure change. Thus, irrespective of the value of x lying between x = 0 and x <1, the cathode material according to the invention retains a centered cubic mesh structure deficient in lithium. The cathode material according to the invention is therefore an excellent electronic and ionic conductor. In addition, the cathode material according to the invention is chemically and thermally stable. On the other hand, in the case of a material of formula LixV03_y where x represents a number such that x> 2 and y represents a number such that 0 <y <0.1, the structure changes completely and the formula of the material is more exactly represented by a mixture of Li20 and VO2 and V. For example, for x = 6 the formula would be (Li20) 3 + V. The spatial arrangement is not at all comparable to a network of cubic meshes centered. This results in instability of the material, whose structure is poorly defined and likely to change during use. x therefore advantageously represents a number such that 0 <x <0.5, more advantageously x is equal to 0. In one embodiment, the active cathode material according to the invention further comprises another active cathode material.

Dans un autre mode de réalisation, le matériau cathodique actif selon l'invention est constitué uniquement d'une composition de formule Li2_xV03_y où x représente un nombre tel que 0<x<1 et y représente un nombre tel que 0<y<0.1. La présente invention concerne également un procédé de fabrication de matériau cathodique actif selon l'invention. La synthèse du matériau cathodique selon l'invention est extrêmement simple et très avantageuse en termes économiques et pratiques. Le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes : (a) Formation de l'oxyde LiV03_y avec y représentant un nombre tel que 0<y<0.1; (b) Mise en contact de l'oxyde LiV03_y avec y tel que défini ci-dessus obtenu à l'étape (a) avec une source de lithium capable de subir une réaction rédox; et (c) Récupération puis séchage du matériau cathodique actif solide obtenu. Les procédés de synthèse de LiV03_y avec y représentant un nombre tel que 15 0<y<0.1 sont connus de l'homme du métier. Par « source de lithium capable de subir une réaction rédox », on entend une source comprenant du lithium sous forme Li' ou Li°, par exemple du lithium métal, capable de réduire le vanadium et de fournir un ion Li'. Dans un mode de réalisation préféré, on utilise cependant un procédé 20 impliquant le chauffage d'un mélange de V205 et de carbonate de lithium Li2CO3 sous atmosphère d'air à une température comprise entre 400°C et 800°C, avantageusement entre 500°C et 600°C, encore plus avantageusement 550°C, pendant une durée comprise entre lh et 24h, plus préférentiellement égale à 12h. La source de lithium capable de subir une réaction rédox comprend au moins 25 un réactif chimique organique ou au moins un réactif chimique inorganique. Dans un mode de réalisation, la source de lithium capable de subir une réaction rédox comprend au moins un réactif chimique organique. In another embodiment, the active cathode material according to the invention consists only of a composition of formula Li 2-xVO 3-y where x represents a number such that 0 <x <1 and y represents a number such that 0 <y <0.1. The present invention also relates to a method of manufacturing active cathode material according to the invention. The synthesis of the cathode material according to the invention is extremely simple and very advantageous in economic and practical terms. The method of manufacture comprises the following steps: (a) Formation of the oxide LiV03_y with y being a number such that 0 <y <0.1; (b) contacting the oxide LiV03_y with y as defined above obtained in step (a) with a lithium source capable of undergoing a redox reaction; and (c) recovering and then drying the solid active cathode material obtained. The processes for synthesizing LiV03_y with y representing a number such that 15 0 <y <0.1 are known to those skilled in the art. By "lithium source capable of undergoing a redox reaction" is meant a source comprising lithium in Li 'or Li ° form, for example lithium metal, capable of reducing vanadium and of providing an Li' ion. In a preferred embodiment, however, a method is used involving heating a mixture of V205 and Li2CO3 lithium carbonate in an air atmosphere at a temperature between 400 ° C and 800 ° C, preferably between 500 ° C. C and 600 ° C, even more preferably 550 ° C, for a period between 1h and 24h, more preferably equal to 12h. The lithium source capable of undergoing a redox reaction comprises at least one organic chemical reagent or at least one inorganic chemical reagent. In one embodiment, the lithium source capable of undergoing a redox reaction comprises at least one organic chemical reagent.

Un exemple non limitatif de réactif chimique organique est le n-butyllithium en solution dans un solvant compatible avec le n-butyllithium. Avantageusement, le solvant compatible avec le n-butyllithium utilisé à l'étape (b) est choisi parmi le groupe des solvants hydrocarbonés et des solvants éthérés, avantageusement parmi le groupe de l'hexane, du toluène, du cyclohexane, de l'éther diéthylique. Avantageusement, la réaction avec le butyllithium a lieu sous atmosphère inerte pendant une durée comprise entre 6h et 100h, avantageusement entre 12h et 96h, encore plus avantageusement entre 48h et 80h, encore plus avantageusement elle est de 72h. Le produit obtenu est filtré, et a pour formule Li2_xV03_y où x représente un nombre tel que 0<x<1 et y représente un nombre tel que 0<y<0.1, en fonction du nombre d'équivalents de n-butyllithium utilisé lors de l'étape (b). Dans un mode de réalisation, la source de lithium capable de subir une 15 réaction rédox comprend au moins un réactif chimique inorganique. Les sources de lithium capables de subir une réaction rédox comprenant au moins un réactif chimique inorganique ainsi que la mise en oeuvre d'une réaction de type rédox permettant de passer de LiV03_y avec y représentant un nombre tel que 0<y<0.1 au matériau cathodique actif selon l'invention, sont bien connus de l'homme 20 du métier. Par exemple, une telle réaction rédox peut se faire dans le cadre d'une batterie au lithium en fonctionnement inverse, c'est-à-dire dans une configuration qui correspondrait au rechargement de la batterie. Comme indiqué plus haut, il y a un changement de structure irréversible lors de la réaction permettant la transformation de LiV03_y avec y représentant un nombre 25 tel que 0<y<0.1 en Li2,V03_y où x représente un nombre tel que 0<x<let y représente un nombre tel que 0<y<0.1. Cette transformation structurale étant importante, il est préférable d'utiliser un matériau cathodique actif de départ selon l'invention et non le matériau connu LiV03_y avec y représentant un nombre tel que 0<y<0.1. En effet, une pile comprenant un matériau cathodique actif de départ de type LiV03_y avec y représentant un nombre tel que 0<y<0.1 aurait une stabilité mécanique, thermique et chimique compromise. Avantageusement, l'étape b) du procédé de fabrication du matériau cathodique actif selon l'invention n'a pas lieu directement dans la pile. A non-limiting example of an organic chemical reagent is n-butyllithium dissolved in a solvent compatible with n-butyllithium. Advantageously, the solvent compatible with the n-butyllithium used in step (b) is chosen from the group of hydrocarbon solvents and ethereal solvents, advantageously from the group of hexane, toluene, cyclohexane and ether. diethyl. Advantageously, the reaction with butyllithium takes place under an inert atmosphere for a period of between 6h and 100h, advantageously between 12h and 96h, even more advantageously between 48h and 80h, even more advantageously it is 72h. The product obtained is filtered, and has the formula Li2_xV03_y where x represents a number such that 0 <x <1 and y represents a number such that 0 <y <0.1, as a function of the number of equivalents of n-butyllithium used during step (b). In one embodiment, the lithium source capable of undergoing a redox reaction comprises at least one inorganic chemical reagent. Lithium sources capable of undergoing a redox reaction comprising at least one inorganic chemical reagent as well as the implementation of a redox type reaction making it possible to pass from LiV03_y with y representing a number such that 0 <y <0.1 to the cathode material active according to the invention are well known to those skilled in the art. For example, such a redox reaction can be done in the context of a lithium battery in reverse operation, that is to say in a configuration that would correspond to recharging the battery. As indicated above, there is an irreversible structure change in the reaction allowing the transformation of LiV03_y with y representing a number such that 0 <y <0.1 in Li2, V03_y where x is a number such that 0 <x < let y represents a number such that 0 <y <0.1. Since this structural transformation is important, it is preferable to use an active starting cathode material according to the invention and not the known material LiV03_y with y representing a number such that 0 <y <0.1. Indeed, a battery comprising a LiV03_y starting active cathode material with y representing a number such that 0 <y <0.1 would have a compromised mechanical, thermal and chemical stability. Advantageously, step b) of the method of manufacturing the active cathode material according to the invention does not take place directly in the stack.

Dans un mode de réalisation de l'invention, LiV03_y avec y représentant un nombre tel que 0<y<0.1 est déposé sous forme d'un film mince sur une surface. Le matériau ainsi obtenu est ensuite trempé dans une solution contenant une source chimique ou électrochimique de lithium capable de subir une réaction rédox. On obtient alors un film mince de matériau cathodique actif selon l'invention sur la surface. La présente invention concerne également l'utilisation du matériau cathodique actif selon l'invention pour la fabrication de batteries ou piles au lithium. De préférence, ces batteries ou piles sont rechargeables. Avantageusement, le matériau cathodique actif selon l'invention est utilisé en mélange avec des additifs, avantageusement des liants, plastifiants ou matériaux visant à améliorer la conductivité de l'électrode. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'électrolyte de la batterie ou pile au lithium comprend du LiC104. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'électrolyte de la batterie ou pile au lithium est contenu dans du propylène carbonate, de l'éthylène carbonate, du diméthylcarbonate, ou leurs mélanges. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'anode de la batterie ou pile au lithium comprend un matériau carboné, de préférence du graphite. Dans un mode de réalisation de l'invention, la cathode de la batterie ou pile au lithium selon l'invention comprend un matériau cathodique actif selon l'invention seul ou en mélange avec d'autres matériaux cathodiques actifs ou des additifs, un électrolyte LiC1O4 et une anode au métal lithium Li. Dans un autre mode de réalisation, l'anode est comprend un matériau carboné, de préférence le graphite. In one embodiment of the invention, LiV03_y with y representing a number such that 0 <y <0.1 is deposited as a thin film on a surface. The material thus obtained is then dipped in a solution containing a chemical or electrochemical lithium source capable of undergoing a redox reaction. A thin film of active cathode material according to the invention is then obtained on the surface. The present invention also relates to the use of the active cathode material according to the invention for the manufacture of lithium batteries or batteries. Preferably, these batteries are rechargeable. Advantageously, the active cathode material according to the invention is used in admixture with additives, advantageously binders, plasticizers or materials designed to improve the conductivity of the electrode. In one embodiment of the invention, the electrolyte of the lithium battery or cell comprises LiC104. In one embodiment of the invention, the electrolyte of the battery or lithium battery is contained in propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, or mixtures thereof. In one embodiment of the invention, the anode of the battery or lithium battery comprises a carbon material, preferably graphite. In one embodiment of the invention, the cathode of the battery or lithium battery according to the invention comprises an active cathode material according to the invention alone or in combination with other active cathode materials or additives, a LiC1O4 electrolyte. and a lithium metal anode Li. In another embodiment, the anode is comprised of a carbon material, preferably graphite.

De plus, le matériau cathodique selon l'invention possède toutes les caractéristiques essentielles pour élaborer des électrodes à couches minces pour micro-batteries. Par « micro-batterie » on entend au sens de la présente invention une batterie ou pile de taille caractéristique de quelques micromètres. Dans ce mode de réalisation de l'invention, le matériau actif de cathode est déposé sous forme de film mince. De préférence, le film mince est déposé par une méthode sol-gel ou électrochimique. De préférence, la méthode sol-gel comprend une étape de pulvérisation. De préférence, la méthode électrochimique comprend une étape d'électrodéposition ou d'électrophorèse. La présente invention concerne également une pile ou batterie au lithium comprenant à titre de cathode le matériau cathodique actif selon l'invention. De préférence, ces batteries ou piles sont rechargeables. Avantageusement, la cathode de la batterie selon l'invention comprend de plus des additifs, avantageusement des liants, plastifiants ou matériaux visant à améliorer la conductivité de l'électrode. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'électrolyte de la batterie ou pile au lithium comprend du LiC104. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'électrolyte de la batterie ou pile au lithium est contenu dans du propylène carbonate, de l'éthylène carbonate, du diméthylcarbonate, ou leurs mélanges. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'anode de la batterie ou pile au lithium comprend un matériau carboné, de préférence le graphite. Dans un mode de réalisation de l'invention, la batterie ou pile au lithium comprennent le matériau cathodique actif selon l'invention à titre de cathode, un électrolyte LiC104 et une anode au métal lithium Li. Ces cellules délivrent une capacité spécifique de 253mAh/g et l'énergie spécifique est de 632Wh/kg. Dans un mode de réalisation de l'invention, la pile ou batterie est une micro-batterie. In addition, the cathode material according to the invention has all the essential characteristics for developing thin-film electrodes for micro-batteries. For the purposes of the present invention, the term "micro-battery" is intended to mean a battery or battery having a characteristic size of a few micrometers. In this embodiment of the invention, the cathode active material is deposited in the form of a thin film. Preferably, the thin film is deposited by a sol-gel or electrochemical method. Preferably, the sol-gel method comprises a spraying step. Preferably, the electrochemical method comprises a step of electrodeposition or electrophoresis. The present invention also relates to a lithium battery or battery comprising, as cathode, the cathode active material according to the invention. Preferably, these batteries are rechargeable. Advantageously, the cathode of the battery according to the invention further comprises additives, advantageously binders, plasticizers or materials to improve the conductivity of the electrode. In one embodiment of the invention, the electrolyte of the lithium battery or cell comprises LiC104. In one embodiment of the invention, the electrolyte of the battery or lithium battery is contained in propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, or mixtures thereof. In one embodiment of the invention, the anode of the battery or lithium battery comprises a carbon material, preferably graphite. In one embodiment of the invention, the lithium battery or battery comprises the active cathode material according to the invention as a cathode, a LiC104 electrolyte and a lithium metal anode Li. These cells deliver a specific capacity of 253 mAh / g and the specific energy is 632Wh / kg. In one embodiment of the invention, the battery or battery is a micro-battery.

Fig 1 : Structure de LiVO3 selon l'axe b (gauche) et Structure de Li2V03 (droite). Le matériau LiVO3 obtenu par le procédé selon l'invention permet d'obtenir une phase parfaitement cristallisée. La structure de LiVO3 pourrait être décrite comme des couches d'octaèdres Li06 reliés par des chaînes de tétraèdres VO4 parallèle à l'axe c. La figure montre bien la différence avec la structure de type « maille cubique centrée » de Li2V03, et illustre le changement de structure du matériau LiVO3 lorsqu'il est mis en présence d'une source de Li+ capable de subir une réaction rédox pour donner le matériau Li2V03. Fig 2 : Courbe de potentiel (en Volts) de Li2,V03 à un taux de C/10 en fonction de x. Cette figure montre le caractère réversible du processus. Le matériau réagit comme une solution solide de structure de type maille cubique centrée déficiente en Lit. Fig 3 : Capacité (mA.h/g) en fonction du nombre de cycles pour à un taux de C/10. Cette figure démontre que les performances du matériau actif de cathode selon l'invention sont stables en cyclage. Fig 4: Comparaison des performances d'énergie spécifique (kWh/kg, histogramme) et potentiel moyen Li+/Li (V, traits horizontaux) des matériaux cathodiques de l'art antérieur avec la phase Li2V03. Les exemples qui suivent sont destinés à illustrer plus en détails la présente invention, mais ne sont en aucun cas limitatifs. Exemple 1 : Fabrication du matériau cathodique Li2V03 a. Procédé de fabrication Dans un premier temps l'oxyde LiVO3 est préparé par chauffage d'un mélange de V205 et du carbonate de lithium Li2CO3 à l'air à 550°C pendant 12h (étape a). Fig 1: Structure of LiVO3 along the b (left) axis and Structure of Li2V03 (right). The LiVO3 material obtained by the process according to the invention makes it possible to obtain a perfectly crystalline phase. The structure of LiVO3 could be described as layers of Li06 octahedra connected by chains of VO4 tetrahedra parallel to the c axis. The figure clearly shows the difference with the "centered cubic mesh" type structure of Li2V03, and illustrates the change in structure of the LiVO3 material when it is placed in the presence of a Li + source capable of undergoing a redox reaction to give the Li2V03 material. Fig 2: Potential curve (in Volts) of Li2, V03 at a rate of C / 10 as a function of x. This figure shows the reversible nature of the process. The material reacts as a solid solution of cubic mesh type structure centered defective in Lit. Fig 3: Capacity (mA.h / g) according to the number of cycles for a rate of C / 10. This figure demonstrates that the performances of the cathode active material according to the invention are stable in cycling. FIG. 4: Comparison of the specific energy performances (kWh / kg, histogram) and average potential Li + / Li (V, horizontal lines) of the cathode materials of the prior art with the Li2V03 phase. The following examples are intended to further illustrate the present invention, but are in no way limiting. Example 1: Manufacture of cathodic material Li2V03 a. Manufacturing Process In a first step the LiVO3 oxide is prepared by heating a mixture of V205 and Li2CO3 lithium carbonate in air at 550 ° C for 12 hours (step a).

LiVO3 est ensuite mis en présence d'une solution de n-butyllithium (2.5M) dans de l'hexane pendant 72h sous atmosphère inerte (étape b). Le produit obtenu est filtré, séché (étape c). Il est prêt à l'utilisation. Celui-ci a pour formule Li2,V03 où x représente un nombre tel que 0<x<1, en fonction du nombre d'équivalents de n-butyllithium utilisé lors de l'étape (b). b. Caractérisation du matériau cathodique Li2VO3 Les analyses chimiques effectuées par absorption atomique permettent de déterminer la teneur exacte en lithium et par conséquent la formule du matériau est bien Li2VO3, à l'erreur de mesure près. LiVO 3 is then placed in the presence of a solution of n-butyllithium (2.5M) in hexane for 72 h under an inert atmosphere (step b). The product obtained is filtered and dried (stage c). It is ready for use. It has the formula Li2, V03 where x represents a number such that 0 <x <1, as a function of the number of equivalents of n-butyllithium used in step (b). b. Characterization of the cathodic material Li2VO3 The chemical analyzes carried out by atomic absorption make it possible to determine the exact content of lithium and consequently the formula of the material is indeed Li2VO3, with the measurement error.

La figue 2 montre bien la structure de type maille cubique centrée de Li2VO3. c. Mise en oeuvre du matériau cathodique Li2VO3 dans une pile rechargeable au lithium Li2VO3 peut déintercaler réversiblement un lithium, avec une parfaite réversibilité à un potentiel moyen de 2,5 V vs U/Li, conduisant à une capacité 10 spécifique de 253 mAh/g et l'énergie spécifique de 632 Wh/kg. Les caractéristiques de fonctionnement du matériau cathodique actif Li2VO3 sont reportées Figure 3. L'étude électrochimique de Li2VO3 montre sa capacité à intercaler un lithium par formule. Les profils de charge/décharge ont été effectuées par un cyclage 15 galvanostatique à C/10 dans la fenêtre de potentiel de 1,0-3,0 V versus U/Li (Fig. 3). La première décharge consiste en l'insertion d'un lithium, conduisant à la phase Li2VO3. Après le premier cycle, une capacité réversible de 0.9 Li/unité formulaire (fu) (250 mAh/g) est obtenue à un potentiel moyen de 2,5V. Le processus réversible d'insertion est un processus de type solution solide. 20 Exemple comparatif LiV03 La figure 3 illustre bien la transformation irréversible qui a lieu lors du premier cycle de la batterie. En effet, durant le premier cycle (1), qui correspond à l'insertion d'un lithium par formule LiVO3, on observe un plateau correspondant à 25 un mécanisme dual, menant à la formation du matériau Li2VO3 avec une structure de type maille cubique centrée. Après le premier cycle, le processus devient réversible (2 et 3) et le matériau réagit comme une solution solide de structure de type maille cubique centrée déficiente en Li'. Fig. 2 shows the centered cubic mesh structure of Li2VO3. c. Use of Li2VO3 cathode material in a lithium rechargeable battery Li2VO3 can deintercale lithium reversibly, with perfect reversibility at an average potential of 2.5 V vs U / Li, resulting in a specific capacity of 253 mAh / g and the specific energy of 632 Wh / kg. The operating characteristics of the Li2VO3 active cathode material are shown in FIG. 3. The electrochemical study of Li2VO3 shows its capacity to intercalate a lithium per formula. The charge / discharge profiles were performed by a C / 10 galvanostatic cycling in the potential window of 1.0-3.0 V versus U / Li (Fig. 3). The first discharge consists of the insertion of a lithium, leading to the Li2VO3 phase. After the first cycle, a reversible capacity of 0.9 Li / form unit (fu) (250 mAh / g) is obtained at an average potential of 2.5V. The reversible process of insertion is a solid solution type process. Comparative Example LiV03 FIG. 3 illustrates the irreversible transformation which takes place during the first cycle of the battery. Indeed, during the first cycle (1), which corresponds to the insertion of a lithium by LiVO3 formula, a plateau corresponding to a dual mechanism is observed, leading to the formation of Li2VO3 material with a cubic mesh type structure. centered. After the first cycle, the process becomes reversible (2 and 3) and the material reacts as a solid solution of cubic lattice-like structure deficient in Li '.

Autres exemples comparatifs La figure 5 permet de comparer les performances d'énergie spécifique (kWh/kg) et de potentiel moyen Li/Li des matériaux cathodiques de l'art antérieur avec la phase Li2VO3. Other Comparative Examples FIG. 5 makes it possible to compare the specific energy performances (kWh / kg) and average Li / Li potential of the cathode materials of the prior art with the Li2VO3 phase.

Il apparaît très nettement que le matériau selon l'invention, illustré par Li2VO3 est plus performant en termes d'énergie spécifique (632Wh/kg) par rapport à tous les matériaux présentés. Cependant, l'oxyde de cobalt LiCoO2 (formule 1) est non seulement constitué d'un métal lourd polluant (le cobalt) mais est très coûteux. L'oxyde de manganèse Li2MnO4 (formule 2) souffre quant à lui d'une dissolution partielle lors de son utilisation dans une pile au lithium, ce qui limite son application. De même, le matériau de formule 4 est également très polluant et coûteux. Le matériau LiFePO4 de formule 3 quant à lui a une énergie spécifique très nettement inférieure à celle du matériau selon l'invention (formule 5).15 It appears very clearly that the material according to the invention, illustrated by Li2VO3 is more efficient in terms of specific energy (632Wh / kg) compared to all the materials presented. However, cobalt oxide LiCoO 2 (Formula 1) is not only made of a polluting heavy metal (cobalt) but is very expensive. The manganese oxide Li 2 MnO 4 (formula 2) suffers partial dissolution during its use in a lithium battery, which limits its application. Similarly, the material of formula 4 is also very polluting and expensive. The LiFePO4 material of formula 3 for its part has a specific energy very much lower than that of the material according to the invention (formula 5).

Claims (13)

REVENDICATIONS1. Matériau cathodique actif comprenant une composition de formule Li2,V03_y où x représente un nombre tel que 0<x<1 et y représente un nombre tel que 0<y<0.1. REVENDICATIONS1. Active cathode material comprising a composition of the formula Li 2, VO 3 - where x represents a number such that 0 <x <1 and y represents a number such that 0 <y <0.1. 2. Matériau cathodique selon la revendication 1, caractérisé en ce que y est égal à O. 2. Cathode material according to claim 1, characterized in that y is equal to O. 3. Matériau cathodique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que x est égal à O. 3. Cathode material according to claim 1 or 2, characterized in that x is equal to O. 4. Procédé de fabrication d'un matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant les étapes suivantes : (a) Formation de l'oxyde LiV03_y; (b) Mise en contact de l'oxyde LiV03_y avec y tel que défini ci-dessus obtenu à l'étape (a) avec une source de lithium capable de subir une réaction rédox; et (c) Récupération puis séchage du matériau cathodique actif solide obtenu. 4. A method of manufacturing a material according to any one of claims 1 to 3, comprising the following steps: (a) Formation of LiV03_y oxide; (b) contacting the oxide LiV03_y with y as defined above obtained in step (a) with a lithium source capable of undergoing a redox reaction; and (c) recovering and then drying the solid active cathode material obtained. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source de lithium 15 capable de subir une réaction rédox comprend au moins un réactif chimique organique. 5. Method according to claim 4, characterized in that the lithium source capable of undergoing a redox reaction comprises at least one organic chemical reagent. 6. Utilisation d'un matériau cathodique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour la fabrication d'une batterie ou pile au lithium. 6. Use of a cathode material according to any one of claims 1 to 3 for the manufacture of a lithium battery or battery. 7. Utilisation selon la revendication 6, caractérisée en ce que la batterie ou pile au 20 lithium est rechargeable. 7. Use according to claim 6, characterized in that the battery or lithium battery is rechargeable. 8. Batterie ou pile au lithium comprenant à titre de cathode le matériau cathodique actif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3. 8. Battery or lithium battery comprising as cathode active cathode material according to any one of claims 1 to 3. 9. Batterie ou pile au lithium selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle est rechargeable. 25 9. Lithium battery or battery according to claim 8, characterized in that it is rechargeable. 25 10. Batterie ou pile au lithium selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que l'électrolyte de la batterie ou pile au lithium comprend du LiC104. 10. Battery or lithium battery according to any one of claims 8 or 9, characterized in that the electrolyte of the battery or lithium battery comprises LiC104. 11. Batterie ou pile au lithium selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que l'électrolyte de la batterie ou pile au lithium est contenu dans du propylène carbonate, de l'éthylène carbonate, du diméthylcarbonate, ou leurs mélanges. 11. Lithium battery according to claim 8, characterized in that the electrolyte of the lithium battery or cell is contained in propylene carbonate, ethylene carbonate or dimethyl carbonate, or mixtures. 12. Batterie ou pile au lithium selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisée en ce que l'anode de la batterie ou pile comprend un matériau carboné, de préférence le graphite. 12. Battery or lithium battery according to any one of claims 8 to 11, characterized in that the anode of the battery or battery comprises a carbon material, preferably graphite. 13. Batterie ou pile selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisée en ce que la cathode comprend de plus des additifs, avantageusement des liants, plastifiants ou matériaux visant à améliorer la conductivité de l'électrode. 13. Battery or battery according to any one of claims 8 to 12, characterized in that the cathode further comprises additives, preferably binders, plasticizers or materials to improve the conductivity of the electrode.
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