FR3104150A1 - Positive electrode active material - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un matériau actif d’électrode positive de formule (I) suivante : NaxLiyMn1-yO2 (I), dans laquelle x est un nombre allant de 0,8 à 1 ; y est un nombre strictement supérieur à 0 et inférieur ou égal à 1/3.The present invention relates to a positive electrode active material of the following formula (I): NaxLiyMn1-yO2 (I), wherein x is a number ranging from 0.8 to 1; y is a number strictly greater than 0 and less than or equal to 1/3.
Description
L’invention concerne le domaine général des batteries rechargeables, les batteries sodium-ion (Na-ion) et lithium-ion (Li-ion), en particulier les batteries Na-ion.The invention relates to the general field of rechargeable batteries, sodium-ion (Na-ion) and lithium-ion (Li-ion) batteries, in particular Na-ion batteries.
L’invention concerne plus précisément les matériaux actifs d’électrode positive, et les électrodes positives les comprenant.The invention relates more specifically to the positive electrode active materials, and the positive electrodes comprising them.
Techniques antérieuresPrior techniques
Les batteries Na-ion représentent l’une des solutions alternatives les plus prometteuses aux batteries lithium-ion, le sodium étant plus intéressant que le lithium sur le plan économique, notamment en raison de son abondance et de son bas coût.Na-ion batteries represent one of the most promising alternative solutions to lithium-ion batteries, sodium being more interesting than lithium from an economic point of view, in particular because of its abundance and its low cost.
Des recherches intensives ont été effectuées sur les électrodes positives pour batteries Na-ion. Ces travaux ont conduit à un classement des électrodes positives en deux catégories principales.Intensive research has been done on positive electrodes for Na-ion batteries. This work led to a classification of positive electrodes into two main categories.
La première catégorie contient les composés polyanioniques. Parmi ces composés polyanioniques, le composé Na3V2(PO4)2F3a été identifié comme pouvant convenir dans le cadre d’une utilisation au sein de batteries Na-ion. En effet, il se caractérise notamment par une facilité de synthèse, une stabilité lorsqu’il est utilisé dans des conditions humides, une stabilité à l’air lors de son stockage, ou encore une énergie spécifique élevée, comme le document WO 2014/009710 le décrit.The first category contains polyanionic compounds. Among these polyanionic compounds, the compound Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 has been identified as suitable for use in Na-ion batteries. Indeed, it is characterized in particular by ease of synthesis, stability when used in humid conditions, stability in air during storage, or even high specific energy, such as document WO 2014/009710 describes it.
Cependant, la présence du vanadium au sein de l’électrode peut poser problème au cours de l’utilisation de la batterie Na-ion à moyen/long terme, compte tenu de son caractère toxique. Par ailleurs, bien que les meilleurs résultats soient obtenus avec ce composé polyanionique, la capacité spécifique de ce dernier est limitée due à sa masse moléculaire relativement élevée.However, the presence of vanadium within the electrode can pose a problem during the use of the Na-ion battery in the medium/long term, given its toxic nature. Furthermore, although the best results are obtained with this polyanionic compound, the specific capacity of the latter is limited due to its relatively high molecular weight.
La seconde catégorie renferme les oxydes lamellaires de sodium. Ces oxydes particuliers sont de formule générale NabMO2, où b est inférieur ou égal à 1, et M désigne au moins un métal de transition. Ces oxydes lamellaires semblent plus prometteurs que les composés polyanioniques car ils présentent notamment une masse moléculaire plus faible. Ils sont également intéressants par leur richesse structurelle et compositionnelle et leur facilité de synthèse. En outre, la densité gravimétrique d’énergie des oxydes lamellaires de sodium est plus élevée que celle du composé Na3V2(PO4)2F3(environ 4,5 g/cm3vs environ 3 g/cm3).The second category contains the lamellar oxides of sodium. These particular oxides have the general formula Na b MO 2 , where b is less than or equal to 1, and M designates at least one transition metal. These lamellar oxides seem more promising than the polyanionic compounds because they notably have a lower molecular mass. They are also interesting for their structural and compositional richness and their ease of synthesis. Furthermore, the gravimetric energy density of the lamellar oxides of sodium is higher than that of the compound Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 (approximately 4.5 g/cm 3 vs. approximately 3 g/cm 3 ).
Ainsi, de nombreux travaux sur les oxydes lamellaires de sodium ont été entrepris, avec une attention particulière donnée sur la nature des métaux. Certains métaux de transition sont préférablement à éviter, notamment les métaux tels que V, Co et Ni à cause de leur caractère toxique.Thus, many works on lamellar sodium oxides have been undertaken, with particular attention given to the nature of the metals. Certain transition metals are preferably to be avoided, in particular metals such as V, Co and Ni because of their toxic character.
Dans ce contexte, des matériaux intéressants ont été identifiés, notamment le matériau NadFe0,5Mn0,5O2, où d est inférieur ou égal à 1, comme le document « P2-type Nax[Fe1/2Mn1/2]O2made from earth-abundant elements for rechargeable Na batteries», N. Yabuuchi et al., Nature Materials, 11, 512-517 (2012), ou encore le matériau NafMnO2, où f est inférieur ou égal à 1, comme le décrit le document « Electrochemical Properties of Monoclinic NaMnO2», X. Ma, H. Chen, G. Ceder, J. Electrochem. Soc., 158, A1307 (2011), et le document « β-NaMnO2: A High-Performance Cathode for Sodium-Ion Batteries », J. Billaud et al., J. Am. Chem. Soc., 136, 17243-17248 (2014).In this context, interesting materials have been identified, in particular the material Na d Fe 0.5 Mn 0.5 O 2 , where d is less than or equal to 1, such as the document “P 2 -type Nax[Fe 1/2 Mn 1/2 ]O 2 made from earth-abundant elements for rechargeable Na batteries”, N. Yabuuchi et al., Nature Materials, 11, 512-517 (2012), or the material Na f MnO 2 , where f is less than or equal to 1, as described in the document “Electrochemical Properties of Monoclinic NaMnO 2 ”, X. Ma, H. Chen, G. Ceder, J. Electrochem. Soc., 158, A1307 (2011), and the document “β-NaMnO 2 : A High-Performance Cathode for Sodium-Ion Batteries”, J. Billaud et al., J. Am. Chem. Soc., 136, 17243-17248 (2014).
Cependant, malgré la promesse que ces matériaux offrent du fait de leur capacité théorique élevée (240 mAh/g), il s’avère que la capacité de ces matériaux se détériore au cours des cycles de charge et de décharge de la batterie Na-ion. Ces oxydes lamellaires sont également très sensibles à l’humidité, ce qui complique le stockage et le traitement.However, despite the promise that these materials offer due to their high theoretical capacity (240 mAh/g), the capacity of these materials is found to deteriorate during charging and discharging cycles of the Na-ion battery. . These lamellar oxides are also very sensitive to humidity, which complicates storage and processing.
Ainsi, il existe un besoin de développer de nouveaux matériaux actifs d’électrode positive permettant de surmonter les inconvénients cités précédemment, en particulier celui de la détérioration de la capacité, et de la stabilité à l’humidité.Thus, there is a need to develop new active materials of positive electrode making it possible to overcome the drawbacks mentioned above, in particular that of the deterioration of the capacity, and of the stability to humidity.
Il a été découvert qu’un matériau actif d’électrode positive particulier permettait d’obtenir une capacité de cellule comprenant ledit matériau actif améliorée, qui ne se détériorait pas avec la répétition des cycles de charge et de décharge, avec une stabilité améliorée à l’humidité.It has been discovered that a particular positive electrode active material allows to obtain an improved cell capacity comprising said active material, which does not deteriorate with the repetition of the charging and discharging cycles, with an improved stability to the 'humidity.
L’invention a donc pour objet un matériau actif d’électrode positive de formule (I) suivante :
NaxLiyMn1-yO2(I),
dans laquelle :
- x est un nombre allant de 0,8 à 1 ;
- y est un nombre strictement supérieur à 0 et inférieur ou égal à 1/3.A subject of the invention is therefore a positive electrode active material of formula (I) below:
Na x Li y Mn 1-y O 2 (I),
in which :
- x is a number ranging from 0.8 to 1;
- y is a number strictly greater than 0 and less than or equal to 1/3.
Un autre objet de l’invention est un procédé de fabrication du matériau actif selon l’invention.Another object of the invention is a process for manufacturing the active material according to the invention.
L’invention a également pour objet une électrode positive comprenant au moins un matériau actif selon l’invention.The invention also relates to a positive electrode comprising at least one active material according to the invention.
Un autre objet de l’invention est une cellule de batterie Na-ion, comportant l’électrode selon l’invention et également une batterie Na-ion comprenant au moins une cellule de batterie Na-ion.Another object of the invention is an Na-ion battery cell, comprising the electrode according to the invention and also an Na-ion battery comprising at least one Na-ion battery cell.
L’invention concerne également une cellule de batterie Li-ion, comportant l’électrode selon l’invention et également une batterie Li-ion comprenant au moins une cellule de batterie Li-ion telle que définie ci-avant.The invention also relates to a Li-ion battery cell, comprising the electrode according to the invention and also a Li-ion battery comprising at least one Li-ion battery cell as defined above.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaitront plus clairement à l’examen de la description détaillée et des dessins annexés sur lesquels :Other advantages and characteristics of the invention will appear more clearly on examination of the detailed description and the appended drawings in which:
Il est précisé que l’expression « de… à… » utilisée dans la présente description de l’invention doit s’entendre comme incluant chacune des bornes mentionnées.It is specified that the expression “from… to…” used in this description of the invention must be understood as including each of the limits mentioned.
Le matériau actif d’électrode positive selon l’invention est de formule (I) telle que mentionnée ci-dessus.The positive electrode active material according to the invention is of formula (I) as mentioned above.
De manière préférée, y varie de varie de 0,1 à 1/3, de préférence de 0,2 à 1/3, plus préférentiellement y est égal à 1/3.Preferably, y varies from varies from 0.1 to 1/3, preferably from 0.2 to 1/3, more preferably y is equal to 1/3.
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, x varie de 0,9 à 1, de préférence x est égal à 1.According to a particular embodiment of the invention, x varies from 0.9 to 1, preferably x is equal to 1.
Selon un mode particulièrement préféré de l’invention, le matériau de formule (I) telle que définie ci-avant est de formule NaLi1/3Mn2/3O2.According to a particularly preferred mode of the invention, the material of formula (I) as defined above is of formula NaLi 1/3 Mn 2/3 O 2 .
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication du matériau actif selon l’invention comprenant les étapes suivantes :
(a) mélanger au moins un sel de métal de transition ou de métaux de transition avec au moins un précurseur de lithium et au moins un précurseur de sodium ;
(b) chauffer le mélange obtenu à l’issue de l’étape (a) jusqu’à une température allant de 500 à 900°C ;
(c)récupérer ledit matériau.The invention also relates to a process for manufacturing the active material according to the invention comprising the following steps:
(a) mixing at least one transition metal salt or transition metals with at least one lithium precursor and at least one sodium precursor;
(b) heating the mixture obtained at the end of step (a) to a temperature ranging from 500 to 900° C.;
(c) recovering said material.
De manière préférée, le sel de métal de transition est un sel de manganèse.Preferably, the transition metal salt is a manganese salt.
Avantageusement, le précurseur de lithium est choisi parmi un oxyde, un peroxyde, un sel et leurs mélanges, plus préférentiellement choisi parmi le carbonate de lithium, le nitrate de lithium, l’acétate de lithium, le sulfate de lithium, l’hydroxyde de lithium, Li2O, Li2O2et leurs mélanges.Advantageously, the lithium precursor is chosen from an oxide, a peroxide, a salt and mixtures thereof, more preferably chosen from lithium carbonate, lithium nitrate, lithium acetate, lithium sulphate, lithium hydroxide, lithium, Li 2 O, Li 2 O 2 and mixtures thereof.
Selon un mode de réalisation particulier, le précurseur de sodium est choisi parmi un oxyde, un peroxyde, un sel et leurs mélanges, plus préférentiellement choisi parmi le carbonate de sodium, le nitrate de sodium, l’acétate de sodium, le sulfate de sodium, la soude, Na2O, Na2O2.According to a particular embodiment, the sodium precursor is chosen from an oxide, a peroxide, a salt and mixtures thereof, more preferably chosen from sodium carbonate, sodium nitrate, sodium acetate, sodium sulphate , soda, Na 2 O, Na 2 O 2 .
Selon un mode de réalisation préféré, le mélange obtenu à l’issue de l’étape (a) est chauffé jusqu’à une température allant de 600 à 900°C.According to a preferred embodiment, the mixture obtained at the end of step (a) is heated to a temperature ranging from 600 to 900°C.
De préférence, l’étape (b) se déroule pendant une période allant de 6 heures à 20 heures, de préférence de 6 heures à 16 heures, plus préférentiellement de 6 à 12 heures, de manière particulièrement préférée, de 8 heures.Preferably, step (b) takes place for a period ranging from 6 hours to 20 hours, preferably from 6 hours to 16 hours, more preferably from 6 hours to 12 hours, in a particularly preferred way, from 8 hours.
Selon un mode de réalisation particulier, l’étape (b) est réalisée sous flux d’argon.According to a particular embodiment, step (b) is carried out under an argon flow.
Avantageusement, l’étape (b) est suivie d’une étape de refroidissement.Advantageously, step (b) is followed by a cooling step.
Par exemple, le mélange est chauffé à 700°C dans un four pendant 8 heures, puis refroidi jusqu’à une température inférieure ou égale à 300°C, puis retiré du four.For example, the mixture is heated to 700°C in an oven for 8 hours, then cooled to a temperature less than or equal to 300°C, then removed from the oven.
Un autre objet de l’invention est une électrode positive comprenant au moins un matériau actif selon l’invention.Another object of the invention is a positive electrode comprising at least one active material according to the invention.
De manière préférée, l’électrode positive selon l’invention comprend en outre au moins un composé conducteur.Preferably, the positive electrode according to the invention further comprises at least one conductive compound.
Selon un mode de réalisation particulier, le composé conducteur est choisi parmi les particules métalliques, le carbone, et leurs mélanges, de préférence le carbone.According to a particular embodiment, the conductive compound is chosen from metal particles, carbon, and mixtures thereof, preferably carbon.
Lesdites particules métalliques peuvent être des particules d’argent, de cuivre ou de nickel.Said metallic particles can be particles of silver, copper or nickel.
Le carbone peut se présenter sous la forme de graphite, de noir de carbone, de fibres de carbone, de nanofils de carbone, de nanotubes de carbone, de nanosphères de carbone, de préférence de noir de carbone.The carbon can be in the form of graphite, carbon black, carbon fibers, carbon nanowires, carbon nanotubes, carbon nanospheres, preferably carbon black.
En particulier, l’électrode positive selon l’invention comprend avantageusement le noir de carbone SuperP® commercialisé par Timcal.In particular, the positive electrode according to the invention advantageously comprises the carbon black SuperP® marketed by Timcal.
De manière préférée, la teneur en matériau actif selon l’invention varie de 50 à 90% en poids, de préférence de 70 à 90% en poids, par rapport au poids total de l’électrode positive.Preferably, the content of active material according to the invention varies from 50 to 90% by weight, preferably from 70 to 90% by weight, relative to the total weight of the positive electrode.
Avantageusement, la teneur en composé conducteur varie de 10 à 50% en poids, de préférence de 10 à 30% en poids, plus préférentiellement de 15 à 25% en poids, par rapport au poids total de l’électrode positive.Advantageously, the conductive compound content varies from 10 to 50% by weight, preferably from 10 to 30% by weight, more preferably from 15 to 25% by weight, relative to the total weight of the positive electrode.
La présente invention concerne également une cellule de batterie Na-ion comprenant une électrode positive comprenant le matériau actif selon l’invention, une électrode négative, un séparateur et un électrolyte.The present invention also relates to a Na-ion battery cell comprising a positive electrode comprising the active material according to the invention, a negative electrode, a separator and an electrolyte.
De préférence, la cellule de batterie comprend un séparateur localisé entre les électrodes et jouant le rôle d’isolant électrique. Plusieurs matériaux peuvent être utilisés comme séparateurs. Les séparateurs sont généralement composés de polymères poreux, de préférence de polyéthylène et/ou de polypropylène. Ils peuvent également être en microfibres de verre.Preferably, the battery cell comprises a separator located between the electrodes and acting as an electrical insulator. Several materials can be used as separators. Separators are generally made of porous polymers, preferably polyethylene and/or polypropylene. They can also be made of glass microfibers.
Avantageusement, le séparateur utilisé est un séparateur en microfibres de verre CAT No. 1823-070® commercialisé par Whatman.Advantageously, the separator used is a CAT No. 1823-070® glass microfiber separator marketed by Whatman.
Préférentiellement, ledit électrolyte est liquide.Preferably, said electrolyte is liquid.
Cet électrolyte peut comprendre un ou plusieurs sels de sodium et un ou plusieurs solvants.This electrolyte may comprise one or more sodium salts and one or more solvents.
Le ou les sels de sodium peuvent être choisis parmi NaPF6, NaClO4, NaBF4, NaTFSI, NaFSI, et NaODFB.The sodium salt or salts can be chosen from NaPF 6 , NaClO 4 , NaBF 4 , NaTFSI, NaFSI, and NaODFB.
Le ou les sels de sodium sont, de préférence, dissous dans un ou plusieurs solvants choisis parmi les solvants polaires aprotiques, par exemple, le carbonate d’éthylène, le carbonate de propylène, le carbonate de diméthyle, le carbonate de diéthyle, et le carbonate de méthyle et d’éthyle.The sodium salt or salts are preferably dissolved in one or more solvents chosen from aprotic polar solvents, for example ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl and ethyl carbonate.
Avantageusement, l’électrolyte comprend du carbonate de propylène en mélange avec le sel de sodium NaPF6à 1M.Advantageously, the electrolyte comprises propylene carbonate mixed with the sodium salt NaPF 6 at 1M.
La présente invention a également pour objet une batterie Na-ion comprenant au moins une cellule telle que décrite ci-dessus.The present invention also relates to an Na-ion battery comprising at least one cell as described above.
La présente invention concerne également une cellule de batterie Li-ion comprenant une électrode positive comprenant le matériau actif selon l’invention, une électrode négative, un séparateur et un électrolyte.The present invention also relates to a Li-ion battery cell comprising a positive electrode comprising the active material according to the invention, a negative electrode, a separator and an electrolyte.
La présente invention a également pour objet une batterie Li-ion comprenant au moins une cellule de batterie Li-ion telle que décrite ci-dessus.The present invention also relates to a Li-ion battery comprising at least one Li-ion battery cell as described above.
La présente invention est illustrée de manière non-limitative par les exemples suivants.The present invention is illustrated in a non-limiting manner by the following examples.
ExemplesExamples
Exemple 1Example 1
I. Préparation des demi-cellules électrochimiques Na-ionI. Preparation of Na-ion electrochemical half-cells
1. Synthèse des matériaux actifs
1.1 Synthèse du matériau actif Na2/3Fe0,5Mn0,5O2
777,30 mg de Fe2O3, 768,50 mg de Mn2O3et 687,90 mg de carbonate de sodium sont ajoutés. La température est portée à 900°C à raison de 3°C par minute, puis l’ensemble est calciné à 900°C pendant 12 heures dans un four. Le mélange est ensuite sorti du four.
Ce matériau est synthétisé selon le procédé décrit dans le document « P2-type Nax[Fe1/2Mn1/2]O2made from earth-abundant elements for rechargeable Na batteries», N. Yabuuchi et al., Nature Materials, 11, 512-517 (2012).
Ce matériau actif comparatif est dénommé matériau A.
1.2 Synthèse du matériau actif NaMnO2
1436,10 mg de Mn2O3et 964,16 mg de carbonate de sodium sont ajoutés. La température est portée à 700°C à raison de 3°C par minute, puis l’ensemble est calciné à 700°C pendant 10 heures dans un four. Le mélange est ensuite sorti du four.
Ce matériau actif comparatif est dénommé matériau B.
1.3 Synthèse du matériau actif NaLi1/3Mn2/3O2
1078,40 mg de Mn2O3, 103,00 mg de Li2O, et 809,50 mg de Na2O2sont ajoutés. La température est portée à 700°C à raison de 2°C par minute, puis l’ensemble est calciné à 700°C pendant 8 heures dans un four sous flux d’argon. Le mélange est ensuite refroidi jusqu’à 300°C à raison de 1°C par minute.
Ce matériau actif selon l’invention est dénommé matériau C.
1.4 Synthèse du matériau actif NaLi0,2Mn0,8O2
617,78 mg de Na2O, 59,56 mg de Li2O, 693,30 mg de MnO2et 629,40 mg de Mn2O3sont ajoutés. La température est portée à 600°C à raison de 3°C par minute, puis l’ensemble est calciné à 600°C pendant 8 heures dans un four sous flux d’argon. Le mélange est ensuite refroidi jusqu’à 300°C à raison de 1°C par minute.
Ce matériau actif selon l’invention est dénommé matériau D.
1.5 Synthèse du matériau actif NaLi0,1Mn0,9O2
70,29 mg de Li2CO3, 1488,60 mg de MnO2et 1008,21 mg de Na2CO3sont ajoutés. La température est portée à 900°C à raison de 3°C par minute, puis l’ensemble est calciné à 900°C pendant 12 heures sous flux d’argon dans un four. Le mélange est ensuite refroidi jusqu’à 300°C à raison de 1°C par minute.
Ce matériau actif selon l’invention est dénommé matériau E.1. Synthesis of active materials
1.1 Synthesis of the active material Na 2/3 Fe 0.5 Mn 0.5 O 2
777.30 mg of Fe 2 O 3 , 768.50 mg of Mn 2 O 3 and 687.90 mg of sodium carbonate are added. The temperature is brought to 900° C. at the rate of 3° C. per minute, then the assembly is calcined at 900° C. for 12 hours in an oven. The mixture is then taken out of the oven.
This material is synthesized according to the process described in the document “P2-type Nax[Fe 1/2 Mn 1/2 ]O 2 made from earth-abundant elements for rechargeable Na batteries”, N. Yabuuchi et al., Nature Materials, 11, 512-517 (2012).
This comparative active material is called material A.
1.2 Synthesis of the active material NaMnO 2
1436.10 mg of Mn 2 O 3 and 964.16 mg of sodium carbonate are added. The temperature is brought to 700° C. at the rate of 3° C. per minute, then the assembly is calcined at 700° C. for 10 hours in an oven. The mixture is then taken out of the oven.
This comparative active material is called material B.
1.3 Synthesis of the active material NaLi 1/3 Mn 2/3 O 2
1078.40 mg of Mn 2 O 3 , 103.00 mg of Li 2 O, and 809.50 mg of Na 2 O 2 are added. The temperature is brought to 700° C. at a rate of 2° C. per minute, then the assembly is calcined at 700° C. for 8 hours in an oven under an argon stream. The mixture is then cooled to 300° C. at the rate of 1° C. per minute.
This active material according to the invention is called material C.
1.4 Synthesis of the active material NaLi 0.2 Mn 0.8 O 2
617.78 mg of Na 2 O, 59.56 mg of Li 2 O, 693.30 mg of MnO 2 and 629.40 mg of Mn 2 O 3 are added. The temperature is brought to 600° C. at the rate of 3° C. per minute, then the assembly is calcined at 600° C. for 8 hours in an oven under an argon stream. The mixture is then cooled to 300° C. at the rate of 1° C. per minute.
This active material according to the invention is called material D.
1.5 Synthesis of the active material NaLi 0.1 Mn 0.9 O 2
70.29 mg of Li 2 CO 3 , 1488.60 mg of MnO 2 and 1008.21 mg of Na 2 CO 3 are added. The temperature is brought to 900° C. at the rate of 3° C. per minute, then the assembly is calcined at 900° C. for 12 hours under a flow of argon in an oven. The mixture is then cooled to 300° C. at the rate of 1° C. per minute.
This active material according to the invention is called material E.
2. Préparation des électrodes positives
A partir des matériaux A, B et C, trois électrodes positives ont été préparées, respectivement nommées EN-A, EN-B, et EN-C. Les électrodes positives EN-A et EN-B sont des électrodes comparatives. L’électrode positive EN-C est une électrode selon l’invention.
L’électrode positive EN-A est fabriquée en mélangeant 80% en poids du matériau actif A, qui a été directement transféré en boîte à gant depuis le four sans exposition a l’air, et 20% en poids du noir de carbone SuperP®, le mélange étant ensuite broyé pendant 15 minutes à l’aide un mixeur SPEX 8000M.
Les autres électrodes positives EN-B et EN-C sont fabriquées en mélangeant 80% en poids du matériau actif, respectivement B et C, et 20% en poids du noir de carbone SuperP®, les mélanges étant ensuite broyés de la même façon que pour l’électrode positive EN-A. De la même façon que pour le matériau actif A, les matériaux actifs B et C ont été directement transférés en boîte à gants depuis le four sans exposition à l’air.2. Preparation of positive electrodes
From materials A, B and C, three positive electrodes were prepared, respectively named EN-A, EN-B, and EN-C. Positive electrodes EN-A and EN-B are comparative electrodes. The positive electrode EN-C is an electrode according to the invention.
The positive electrode EN-A is made by mixing 80% by weight of the active material A, which has been transferred directly to the glove box from the oven without exposure to air, and 20% by weight of the carbon black SuperP® , the mixture then being ground for 15 minutes using an SPEX 8000M mixer.
The other positive electrodes EN-B and EN-C are made by mixing 80% by weight of the active material, B and C respectively, and 20% by weight of the SuperP® carbon black, the mixtures then being ground in the same way as for the positive electrode EN-A. In the same way as for active material A, active materials B and C were directly transferred into the glove box from the oven without exposure to air.
3. Assemblage des demi-cellules électrochimiques
Trois demi-cellules électrochimiques ont ensuite été préparées comprenant respectivement les électrodes positives EN-A à EN-C. Les demi-cellules sont nommées respectivement CE-A, CE-B et CE-C.
L’assemblage des demi-cellules électrochimiques est réalisé en boîte à gants à l’aide d’un dispositif constitué d’un raccord Swagelok® de 12 mm de diamètre. Chacune des demi-cellules comprend un séparateur, une électrode négative et un électrolyte.
3.1 Assemblage de la demi-cellule CE-A
Electrode positive
Une masse de 6 mg de l’électrode EN-A, sous la forme d’une poudre, est ensuite étalée sur un piston en aluminium placé dans la demi-cellule CE-A.
Séparateur
Trois couches de séparateur en microfibres de verre CAT No. 1823-070® sont utilisées afin d’éviter tout court-circuit entre l’électrode positive et l’électrode négative durant les cycles de charge et de décharge. Ces séparateurs sont découpés selon un diamètre de 12 mm et une épaisseur de 675 micromètres.
Electrode négative
Des pastilles de 10 mm de diamètre sont découpées dans une feuille de sodium métal. La pastille obtenue est alors collée par pression sur un collecteur de courant en acier inoxydable. Ce collecteur est ensuite déposé sur la membrane séparatrice dans la demi-cellule.
Electrolyte
L’électrolyte utilisé comprend une solution composée d’1M de NaPF6dissous dans du carbonate de propylène.
3.2 Assemblage des demi-cellules CE-B et CE-C
Electrodes positives
Une masse de 6 mg de chacune des électrodes EN-B et EN-C, respectivement, sous la forme d’une poudre, est ensuite étalée sur un piston en aluminium placé dans les demi-cellules CE-B et CE-C, respectivement.
Les séparateurs, électrodes négatives et électrolytes sont identiques à ceux utilisés dans la demi-cellule CE-A.3. Assembly of the electrochemical half-cells
Three electrochemical half-cells were then prepared comprising respectively the positive electrodes EN-A to EN-C. The half-cells are named CE-A, CE-B and CE-C respectively.
The assembly of the electrochemical half-cells is carried out in a glove box using a device consisting of a 12 mm diameter Swagelok® connector. Each of the half-cells includes a separator, a negative electrode and an electrolyte.
3.1 Assembling the CE-A half-cell
positive electrode
A mass of 6 mg of the EN-A electrode, in the form of a powder, is then spread over an aluminum piston placed in the CE-A half-cell.
Separator
Three layers of CAT No. 1823-070® glass microfiber separator are used to prevent any short circuit between the positive electrode and the negative electrode during charge and discharge cycles. These separators are cut to a diameter of 12 mm and a thickness of 675 micrometers.
negative electrode
Pellets 10 mm in diameter are cut from a sheet of sodium metal. The pellet obtained is then glued by pressure to a stainless steel current collector. This collector is then deposited on the separating membrane in the half-cell.
Electrolyte
The electrolyte used comprises a solution composed of 1M NaPF 6 dissolved in propylene carbonate.
3.2 Assembling the CE-B and CE-C half-cells
Positive electrodes
A mass of 6 mg each of electrodes EN-B and EN-C, respectively, in the form of a powder, is then spread on an aluminum plunger placed in the half-cells CE-B and CE-C, respectively .
The separators, negative electrodes and electrolytes are identical to those used in the CE-A half-cell.
II. Tests électrochimiques
1. Demi-cellule CE-A comparative
Un cyclage galvanostatique est réalisé à l’aide d’un cycleur BioLogic à un régime de cyclage de C/8. La capacité de la demi-cellule CE-A a été mesurée en fonction du nombre de cycles, à des tensions allant de 4,3 à 1,5 V, comme le montre la figure 1. L’évolution de la capacité est observée sur la courbe A. La fenêtre de potentiel de charge et de décharge de ce matériau est celle qui est décrite dans le document « P2-type Nax[Fe1/2Mn1/2]O2made from earth-abundant elements for rechargeable Na batteries», N. Yabuuchi et al., Nature Materials, 11, 512-517 (2012).
Ainsi, une dégradation de la capacité peut être observée avec les cycles de charge et de décharge. Une capacité d’environ 145 mAh.g-1est mesurée après 20 cycles et d’environ 106 mAh.g-1après 40 cycles.
2. Demi-cellule CE-B comparative
Un cyclage galvanostatique est réalisé à l’aide d’un cycleur BioLogic à un régime de cyclage de C/8. La capacité de la demi-cellule CE-B a été mesurée en fonction du nombre de cycles, à des tensions allant de 3,8 à 2,0 V comme le montre la figure 1. L’évolution de la capacité est observée sur la courbe B. La fenêtre de potentiel de charge et de décharge de ce matériau est celle qui est décrite dans le document « Electrochemical Properties of Monoclinic NaMnO2», X. Ma, H. Chen, G. Ceder, J. Electrochem. Soc., 158, A1307 (2011).
Ainsi, une dégradation très rapide de la capacité peut être observée avec les cycles de charge et de décharge. En effet, au bout de seulement 20 cycles de charge et de décharge, la capacité mesurée est déjà inférieure à celle de la demi-cellule CE-A, après le même nombre de cycles, soit environ 120 mAh.g-1après 20 cycles.
3. Demi-cellule CE-C selon l’invention
Un cyclage galvanostatique est réalisé à l’aide d’un cycleur BioLogic à un régime de cyclage de C/8. La capacité de la demi-cellule CE-C a été mesurée en fonction du nombre de cycles, à des tensions allant de 4,5 à 1,5 V, comme le montre la figure 1. L’évolution de la capacité est observée sur la courbe C.
Ainsi, une capacité d’environ 170 mAh.g-1est mesurée après 20 cycles, et d’environ 173 mAh.g-1après 40 cycles.
Comparativement aux capacités des demi-cellules CE-A et CE-B, la capacité de la demi-cellule CE-C selon l’invention est plus élevée et plus stable au fil des cycles de charge et de décharge.
Ainsi, la capacité de la demi-cellule comprenant le matériau actif selon l’invention est améliorée.II. Electrochemical tests
1. Comparative CE-A half-cell
Galvanostatic cycling is performed using a BioLogic cycler at a cycling rate of C/8. The capacitance of the CE-A half-cell was measured as a function of the number of cycles, at voltages ranging from 4.3 to 1.5 V, as shown in Figure 1. The evolution of the capacitance is observed on curve A. The charge and discharge potential window of this material is that which is described in the document “P2-type Nax[Fe 1/2 Mn 1/2 ]O 2 made from earth-abundant elements for rechargeable Na batteries”, N. Yabuuchi et al., Nature Materials, 11, 512-517 (2012).
Thus, capacity degradation can be observed with charging and discharging cycles. A capacity of around 145 mAh.g -1 is measured after 20 cycles and around 106 mAh.g -1 after 40 cycles.
2. Comparative CE-B half-cell
Galvanostatic cycling is performed using a BioLogic cycler at a cycling rate of C/8. The capacitance of the CE-B half-cell was measured as a function of the number of cycles, at voltages ranging from 3.8 to 2.0 V as shown in Figure 1. The evolution of the capacitance is observed on the curve B. The charge and discharge potential window of this material is that which is described in the document “Electrochemical Properties of Monoclinic NaMnO 2 ”, X. Ma, H. Chen, G. Ceder, J. Electrochem. Soc., 158, A1307 (2011).
Thus, a very rapid degradation of capacity can be observed with charging and discharging cycles. Indeed, after only 20 charge and discharge cycles, the measured capacity is already lower than that of the CE-A half-cell, after the same number of cycles, i.e. approximately 120 mAh.g -1 after 20 cycles .
3. CE-C half-cell according to the invention
Galvanostatic cycling is performed using a BioLogic cycler at a cycling rate of C/8. The capacitance of the CE-C half-cell was measured as a function of the number of cycles, at voltages ranging from 4.5 to 1.5 V, as shown in Figure 1. The evolution of the capacitance is observed on the C curve.
Thus, a capacity of around 170 mAh.g -1 is measured after 20 cycles, and around 173 mAh.g -1 after 40 cycles.
Compared to the capacities of the CE-A and CE-B half-cells, the capacity of the CE-C half-cell according to the invention is higher and more stable over the charging and discharging cycles.
Thus, the capacity of the half-cell comprising the active material according to the invention is improved.
Par ailleurs, le potentiel moyen de la demi-cellule CE-C a été mesurée en fonction du nombre de cycles, comme le montre la figure 2. L’évolution du potentiel moyen est observée sur la courbe C1.
Il est clairement constaté que le potentiel moyen de la demi-cellule CE-C ne se détériore avec la répétition des cycles de charge et de décharge, et est donc stable.Furthermore, the average potential of the half-cell CE-C was measured as a function of the number of cycles, as shown in FIG. 2. The evolution of the average potential is observed on the curve C1.
It is clearly seen that the average potential of the CE-C half-cell does not deteriorate with the repetition of the charging and discharging cycles, and is therefore stable.
Exemple 2Example 2
I. Synthèse des matériaux actifsI. Synthesis of active materials
Les matériaux actifs A, B et C sont synthétisés selon les procédés de synthèse décrits ci-avant dans l’exemple 1.The active materials A, B and C are synthesized according to the synthetic methods described above in example 1.
II. Evaluation de la sensibilité à l’humiditéII. Evaluation of sensitivity to humidity
1. Matériau A comparatif1. Comparative Material A
Le matériau A, après synthèse, est caractérisé à l’aide d’un diffractogramme, comme cela est indiqué sur la figure 3 (courbe A1).
Le matériau A a également été caractérisé à l’aide d’un diffractogramme, après avoir été lavé à l’eau, comme cela est indiqué sur la figure 3 (courbe A2). Le matériau A a été lavé à l’eau avec un ratio de 100 mg de poudre dans 10 mL d’eau, pendant 30 minutes, avant d’être séché à 80 °C sous vide pendant une nuit.
Il est observé que ce matériau A est très sensible à l’humidité. En effet, les deux diffractogrammes ne se superposent pas. On peut en effet constater des différences, matérialisées par le symbole # sur la figure 3, entre les deux diffractogrammes, dénotant ainsi des changements structuraux.Material A, after synthesis, is characterized using a diffractogram, as indicated in FIG. 3 (curve A1).
Material A was also characterized using a diffractogram, after having been washed with water, as indicated in FIG. 3 (curve A2). Material A was washed in water with a ratio of 100 mg of powder in 10 mL of water, for 30 minutes, before being dried at 80° C. under vacuum overnight.
It is observed that this material A is very sensitive to humidity. Indeed, the two diffractograms do not overlap. One can in fact observe differences, materialized by the symbol # in FIG. 3, between the two diffractograms, thus denoting structural changes.
2. Matériau B comparatif2. Comparative Material B
Le matériau B, après synthèse, est caractérisé à l’aide d’un diffractogramme, comme cela est indiqué sur la figure 4 (courbe B1).
Le matériau B a également été caractérisé à l’aide d’un diffractogramme, après avoir subi un lavage à l’eau selon le même protocole que celui décrit pour le matériau A, comme cela est indiqué sur la figure 4 (courbe B2).
Il est également observé que ce matériau B est très sensible à l’humidité, beaucoup plus sensible que le matériau A. En effet, les deux diffractogrammes ne se superposent absolument pas. On peut en effet constater de nombreuses différences entre les deux diffractogrammes, dénotant ainsi des changements structuraux.Material B, after synthesis, is characterized using a diffractogram, as indicated in FIG. 4 (curve B1).
Material B was also characterized using a diffractogram, after having undergone washing with water according to the same protocol as that described for material A, as indicated in FIG. 4 (curve B2).
It is also observed that this material B is very sensitive to humidity, much more sensitive than material A. Indeed, the two diffractograms absolutely do not overlap. Many differences can indeed be observed between the two diffractograms, thus indicating structural changes.
3. Matériau C selon l’invention3. Material C according to the invention
Le matériau C, après synthèse, est caractérisé à l’aide d’un diffractogramme, comme cela est indiqué sur la figure 5 (courbe C2).
Le matériau C a également été caractérisé à l’aide d’un diffractogramme, après avoir subi un lavage à l’eau selon le même protocole que celui décrit pour le matériau A, comme cela est indiqué sur la figure 5 (courbe C3).
Il est clairement observé que ce matériau n’est pas sensible à l’humidité. En effet, les deux diffractogrammes se superposent.Material C, after synthesis, is characterized using a diffractogram, as indicated in FIG. 5 (curve C2).
Material C was also characterized using a diffractogram, after having undergone washing with water according to the same protocol as that described for material A, as indicated in FIG. 5 (curve C3).
It is clearly observed that this material is not sensitive to humidity. Indeed, the two diffractograms are superimposed.
Ainsi, le matériau selon l’invention présente une stabilité améliorée à l’humidité, par rapport aux matériaux de l’art antérieur.Thus, the material according to the invention has improved stability to humidity, compared to the materials of the prior art.
Exemple 3Example 3
I. Préparation d’une demi-cellule électrochimique Li-ionI. Preparation of a Li-ion electrochemical half-cell
Le matériau C selon l’invention et l’électrode positive ont été fabriqués selon les procédés décrits ci-avant dans l’exemple 1.
L’assemblage de la demi-cellule est réalisé en boîte à gants à l’aide d’un dispositif constitué d’un raccord Swagelok® de 12 mm de diamètre. La demi-cellule comprend un séparateur, une électrode négative et un électrolyte.The material C according to the invention and the positive electrode were manufactured according to the methods described above in Example 1.
The assembly of the half-cell is carried out in a glove box using a device consisting of a 12 mm diameter Swagelok® coupling. The half-cell includes a separator, a negative electrode and an electrolyte.
Electrode positive
Une masse de 6 mg de l’électrode positive, sous la forme d’une poudre, est ensuite étalée sur un piston en aluminium placé dans la demi-cellule.positive electrode
A mass of 6 mg of the positive electrode, in the form of a powder, is then spread over an aluminum piston placed in the half-cell.
Séparateur
Deux couches de séparateur en microfibres de verre CAT No. 1823-070® sont utilisées afin d’éviter tout court-circuit entre l’électrode positive et l’électrode négative durant les cycles de charge et de décharge. Ces séparateurs sont découpés selon un diamètre de 12 mm et une épaisseur de 675 micromètres.Separator
Two layers of CAT No. 1823-070® glass microfiber separator are used to prevent any short circuit between the positive electrode and the negative electrode during charge and discharge cycles. These separators are cut to a diameter of 12 mm and a thickness of 675 micrometers.
Electrode négative
Des pastilles de 10 mm de diamètre sont découpées dans une feuille de lithium métal. La pastille obtenue est alors collée par pression sur un collecteur de courant en acier inoxydable. Ce collecteur est ensuite déposé sur la membrane séparatrice dans la demi-cellule.negative electrode
Pellets 10 mm in diameter are cut from a sheet of lithium metal. The pellet obtained is then glued by pressure to a stainless steel current collector. This collector is then deposited on the separating membrane in the half-cell.
Electrolyte
L’électrolyte utilisé comprend une solution composée d’1M de LiPF6dissous dans un mélange 50/50 en volume du carbonate d’éthylène et du carbonate de diméthyle.Electrolyte
The electrolyte used comprises a solution composed of 1M of LiPF 6 dissolved in a 50/50 mixture by volume of ethylene carbonate and dimethyl carbonate.
II. Test électrochimiqueII. Electrochemical test
Un procédé de cyclage comprenant l’application d’une pluralité de cycles de charge et de décharge à des tensions allant de 2 à 4,8 V, a été effectué, à un régime de cyclage de C/10.
La tension de la demi-cellule a été mesurée en fonction de la capacité, comme le montre la figure 6 (courbe C4).
Ainsi, il est observé que la capacité de la demi-cellule est stable avec la répétition des cycles de charge et de décharge.
La capacité de la demi-cellule ne se détériore pas avec la répétition des cycles de charge et de décharge.
Par conséquent, le matériau C selon l’invention peut être un matériau actif pour batterie Li-ion, avec un bon comportement électrochimique.A cycling process comprising the application of a plurality of charge and discharge cycles at voltages ranging from 2 to 4.8 V, was carried out, at a cycling rate of C/10.
Half-cell voltage was measured as a function of capacitance, as shown in Figure 6 (curve C4).
Thus, it is observed that the capacity of the half-cell is stable with the repetition of charging and discharging cycles.
The capacity of the half-cell does not deteriorate with repeated charging and discharging cycles.
Consequently, the material C according to the invention can be an active material for a Li-ion battery, with good electrochemical behavior.
Claims (12)
NaxLiyMn1-yO2(I),
dans laquelle:
- x est unest un nombre allant de 0,8 à 1 ;
- y est un nombre strictement strictement supérieur à 0 et inférieur ou égal à 1/3.Positive electrode active material of formula (I) below:
Na x Li y Mn 1-y O 2 (I),
in which:
- x is a number ranging from 0.8 to 1;
- y is a number strictly greater than 0 and less than or equal to 1/3.
(a) Mélanger au moins un sel de métal de transition ou de métaux de transition avec au moins un précurseur de lithium et au moins un précurseur de sodium ;
(b) Chauffer le mélangeobtenu à l’issue de l’étape (a) jusqu’à une température allant de 500 à 900°C ;
(c) Récupérer ledit matériau.Process for manufacturing the active material as defined in any one of the preceding claims, comprising the following steps:
(a) mixing at least one transition metal or transition metal salt with at least one lithium precursor and at least one sodium precursor;
(b) Heating the mixture obtained at the end of step (a) to a temperature ranging from 500 to 900° C.;
(c) Recover said material.
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