JP2016507456A - 金属含有化合物 - Google Patents
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Abstract
本発明は、1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有反応物質を有する反応混合物を形成するステップi)と、還元剤として1以上の次亜リン酸塩含有材料を使用するステップii)と、を有する金属含有化合物の製造のための新規なソリッドステート方法であって、次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として使用し;及びさらに当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される、ソリッドステート方法に関わる。このような方法により製造された材料は、例えばアルカリ金属イオンバッテリー用途における電極材料として有用である。混合物を形成するステップを有する、【選択図】 図1A
Description
本発明は、金属含有化合物を製造するための新規なソリッドステート方法、及びエネルギー貯蔵デバイスその他のための電極におけるこれらの使用に関わる。
リチウムイオン電池技術は、近年多くの注目を集めてきたし、今日使われているたいていの電子デバイス用の好ましいポータブル電池を提供する。このような電池は「二次」もしくは充電式電池であって、これは複数の充電/放電サイクルに耐えられることを意味する。典型的には、リチウムイオン電池は、電気化学的に活性な物質を含有する1以上のリチウム電気化学セルを使用して製造される。このようなセルは、アノード(負極)、カソード(正極)及び電解質材料を有する。リチウムイオン電池が充電中のとき、Li+イオンがカソードから脱離し(de−intercalate)、アノードへ挿入される。その間、電荷平衡電子は、カソードを出て、チャージャを含む外部回路を通過し、電池のアノードへ至る。放電の際、同じプロセスが、ただし反対方向に生じる。
カソード材料、例えばLiCoO2,LiMn2O4及びLiNiO2としての使用のため、様々な電気化学的に活性な物質が示唆されてきた(US5,135,732及びUS4,246,253を参照)。しかしながらこれらの材料は、例えばサイクルフェーディング(cycle fading)(繰り返される充電/放電サイクルにわたる電荷容量の枯渇)という問題を呈する。この問題は、これらの材料を商業的に魅力のないものにする。サイクルフェーディングを扱う試みは、好都合な材料となるリチウム金属リン酸塩及びリチウム金属フルオロリン酸塩をもたらした。このような材料は、最初にUS6,203,946、US6,387,568、及びGoodenough et al.による“Phospho−olivines as Positive−Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries”, Journal of Electrochemical Society,(1997)No.144,pp1188−1194に報告された。
多くの従事者がリン酸塩含有材料の、及び特に高性能(最適化)リン酸塩含有材料の、経済的で再現性のある合成方法を提供しようと試みた。X.Zhang et alにより“Fabrication and Electrochemical Characteristics of LiFePO4 Powders for Lithium−Ion Batteries”, KONA Powder and Particle Journal No.28(2010)pp50−73において、1つの特有のリチウム金属リン酸塩、即ちリン酸鉄リチウム(LiFePO4)の製造について記載する先行技術方法のレビューがなされている。このレビューが実証するように、1997年に最初にリチウム鉄リン酸塩が特定されて以来、全般にわたって優れた性能を有するLiFePO4材料を製造する最も都合の良い方法を見つけるために多くの努力が費やされた。例えば、出発物質のアクティベーションを増やすため、機械化学的なアクティベーションを使用するソリッドステート合成、活性カソード材料の粒子サイズを制御するためのマイクロ波加熱、及び例えばFe2O3もしくはFePO4の形態(即ち鉄の安価で容易入手可能な供給源)の鉄(III)を、前駆体材料として使用できるようにする炭素熱還元である。炭素熱還元プロセスは、炭素還元剤の供給源として通常はカーボンブラック、グラファイトもしくは熱分解有機化合物を利用する高温還元反応(典型的には550℃乃至850℃)である。炭素熱還元は、高度に吸熱反応であり、従って反応温度は、反応を起こすのに十分である違いない。加えて、還元剤としてソリッドカーボン(solid carbon)を使用しているので、全ての前駆体及び反応物質が、反応全体にわたって良好な接触状態に保たれる違いない。それでもやはり、上述のレビューで報告されたように、炭素熱還元は、Fe(III)の還元,Fe(II)の安定化,粒子モルホロジーの制御、及び残留炭素でLiFePO4を被覆することによる電気伝導率の増強に優れる。
炭素以外の粒子状還元剤、具体的には酸化ケイ素,酸化チタン及び元素金属、例えばFe,Co,Ni,Mn,Cu,V,Ti,Cr,Nb,Mo,Mg,Ca,Zn,Sr,Pb,Cd,Sn,Ba,Be,Al及びBは、EP1343720において開示される。
より最近では、US2012/0061612A1は、リン供給源(例えば、リン酸塩、次亜リン酸塩、亜リン酸塩及びメタリン酸塩から選択された少なくとも1つ)を使用するオリビン型(olivine−type)リチウム含有リン酸塩化合物(LiMPO4)の合成を開示する。記載された反応プロセスは、2段階焼成(firing)レジームを伴う。第1の焼成ステップは、400℃より高い温度で行われ、揮発性成分の除去のためである。好ましくは、この第1の焼成ステップは、1体積%以上の酸素を含有する雰囲気内で行われ、そしてこれをサポートするため、この先行技術における具体例の全ては、大気雰囲気下で行われる。但し、次亜リン酸塩を使用する具体例は、開示されていない。次亜リン酸塩が、空気もしくは1体積%酸素雰囲気内で使用されたとしても、このような条件下では、次亜リン酸塩はリン酸塩材料に酸化すること、及びこのようなリン酸塩は、本発明のプロセスにおいて効果がないことは、誰でもわかる。
最も興味深いカソード材料は、大きな充電容量を有し、優れたサイクル性能が可能であり、高度に安定であり、低毒性且つ高純度のものである。商業的に成功するため、カソード材料はまた、容易且つ手頃に製造されなければならない。要求に関するこの長いリストは、満足することは難しいが、上述のレビューに詳しいように、最も成功しそうな活物質は、地位さん粒子サイズ及び狭いサイズ分布、最適な結晶度、高比表面積及び均一なモルホロジーを有するものである。
次亜リン酸イオン(H2PO2 −)を含有する材料(例えば次亜リン酸ナトリウム(NaH2PO2)及び次亜リン酸アンモニウム(NH4H2PO2))は、非常に安く入手可能であり、且つ無電解メッキ浴のためのin−situ還元剤として広く使用される。これらは、メッキプロセスにおいて金属塩(例えばニッケル塩)を元素金属(例えばNi)に還元する。他の作用剤、例えば亜硫酸イオンを含有する材料、例えばハイドロサルファイトナトリウム(Na2S2O4)(次亜硫酸ナトリウム及び亜ジチオン酸ナトリウムとも称する),亜硫酸ナトリウム(Na2SO3),ホルムアルデヒド,ジメチルアミンボラン(DMAB),ヒドラジン,脂肪族アルコール,トリメチルボラン,及び水素化ホウ素もまた、強力な還元剤として知られている。
本発明は、金属含有化合物の製造ための及びアルカリ金属含有化合物を含むがそれに限定されない速く、信頼でき、費用効果がよい方法を提供することを目指す。有利には、本発明の方法は、商業的に実現可能なカソード活物質に必要とされる構造的特性及びアルカリイオン挿入特性を満足する金属含有化合物を提供することを目指す。この目的を達成するため、本発明は、
i)1以上の次亜リン酸塩含有材料と、
ii)1以上の金属含有前駆体化合物と
を有する反応混合物を形成するステップを有する、金属含有化合物の製造のためのソリッドステート方法を提供する。
i)1以上の次亜リン酸塩含有材料と、
ii)1以上の金属含有前駆体化合物と
を有する反応混合物を形成するステップを有する、金属含有化合物の製造のためのソリッドステート方法を提供する。
特に本発明は、
i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
を有する反応混合物を形成するステップを有する、金属含有化合物の製造のためのソリッドステート方法であって、
前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として使用し;及びさらに
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される、ソリッドステート方法を提供する。
i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
を有する反応混合物を形成するステップを有する、金属含有化合物の製造のためのソリッドステート方法であって、
前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として使用し;及びさらに
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される、ソリッドステート方法を提供する。
1以上の金属含有前駆体化合物及び1以上の金属含有化合物は、好ましくはアルカリ金属、遷移金属、非遷移金属、アルカリ土類金属及びメタロイドから選択された1以上の金属を有する。本発明の文脈において、用語「メタロイド」は、金属及び非金属の両方の特性を有する元素である。
理想的には、本発明は、金属含有化合物は1以上の金属を有し、その金属は、金属含有前駆体化合物における1以上の金属の平均酸化状態よりも低い平均酸化状態を有する、ソリッドステート方法を提供する。さらに理想的には、金属含有前駆体化合物における金属の1以上は、次亜リン酸塩含有材料の1以上により還元され、それにより金属含有化合物における1以上の金属の平均酸化状態は、金属含有前駆体化合物における1以上の金属の平均酸化状態よりも低い、金属含有化合物及び金属含有前駆体化合物の1以上は、1以上の遷移金属を有する。その後者の場合、金属含有前駆体化合物における1以上の金属の平均酸化状態よりも低い平均酸化状態を有する1以上の遷移金属を有する金属含有化合物を生成するためには、本発明の方法の際、金属含有前駆体化合物内の遷移金属の1以上は、次亜リン酸塩含有材料の1以上により還元される。
非常に好ましいソリッドステート方法において、本発明は、1以上のアルカリ金属を含有する化合物を生成する。このような化合物は、アルカリ金属(金属)含有化合物を包含し、且つ
i)アルカリ金属を有する1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意にはさらに遷移金属及び/もしくは非遷移金属及び/もしくはアルカリ土類金属及び/もしくはメタロイドから選択された1以上の金属を有する金属含有前駆体化合物、及びさらに任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と、
を有する反応混合物を形成することにより製造され得る。ここで、前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として使用し;及びさらに
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される。
i)アルカリ金属を有する1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意にはさらに遷移金属及び/もしくは非遷移金属及び/もしくはアルカリ土類金属及び/もしくはメタロイドから選択された1以上の金属を有する金属含有前駆体化合物、及びさらに任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と、
を有する反応混合物を形成することにより製造され得る。ここで、前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として使用し;及びさらに
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される。
遷移金属及び/もしくは非遷移金属及び/もしくはアルカリ土類金属及び/もしくはメタロイドから選択された1以上の金属を有する、さらに金属を含有する前駆体化合物はまた、特に、但し非排他的に、アルカリ金属含有前駆体化合物は、遷移金属及び/もしくは非遷移金属及び/もしくはアルカリ土類金属及び/もしくはメタロイドをまだ有しない場合に、使用されてよい。
以下に記載のように、アルカリ金属(金属)含有化合物は、あるいは
1以上の金属含有前駆体化合物、及びさらに任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上のアルカリ金属次亜リン酸塩含有材料と
を有する反応混合物を形成することにより生成されてよい。ここで、アルカリ金属次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する、及びアルカリ金属(金属)含有化合物内のアルカリ金属の供給源を提供する作用剤として使用し、及びさらに当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される。
1以上の金属含有前駆体化合物、及びさらに任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上のアルカリ金属次亜リン酸塩含有材料と
を有する反応混合物を形成することにより生成されてよい。ここで、アルカリ金属次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する、及びアルカリ金属(金属)含有化合物内のアルカリ金属の供給源を提供する作用剤として使用し、及びさらに当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される。
本発明の好ましいソリッドステート方法は、式:
AaMb(XcYd)eZf
の金属含有化合物を生成する。当該方法は、
i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
を有する混合物を形成するステップを有し、式中
Aは、リチウム、ナトリウム及びカリウムの1以上から選択されたアルカリ金属であり;
Mは、遷移金属、非遷移金属及びメタロイドから選択された1以上の金属を有し;
(XcYd)eは、少なくとも1の第1のアニオンであり;及び
Zは、少なくとも1の第2のアニオンであり;
ただし、a≧0;b>0;c>0;d≧0;e>0及びf≧0;
ただし、a,b,c,d,e及びfは、電気的中性を維持するように選択され;及び
前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上の少なくとも一部を還元する作用剤として使用し;及びさらに
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される。
AaMb(XcYd)eZf
の金属含有化合物を生成する。当該方法は、
i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
を有する混合物を形成するステップを有し、式中
Aは、リチウム、ナトリウム及びカリウムの1以上から選択されたアルカリ金属であり;
Mは、遷移金属、非遷移金属及びメタロイドから選択された1以上の金属を有し;
(XcYd)eは、少なくとも1の第1のアニオンであり;及び
Zは、少なくとも1の第2のアニオンであり;
ただし、a≧0;b>0;c>0;d≧0;e>0及びf≧0;
ただし、a,b,c,d,e及びfは、電気的中性を維持するように選択され;及び
前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上の少なくとも一部を還元する作用剤として使用し;及びさらに
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される。
望ましくは、本発明のソリッドステート方法は、例えば式 AaMb(XcYd)eZfの金属含有化合物を生成する。式中、Mは、1以上の遷移金属及び/もしくは非遷移金属及び/もしくはアルカリ土類金属及び/もしくはメタロイドを有し、これらMは、金属含有前駆体化合物における1以上の金属(遷移金属及び/もしくは非遷移金属及び/もしくはアルカリ土類金属及び/もしくはメタロイド)の平均酸化状態よりも低い平均酸化状態を有する。
本発明のソリッドステート方法により製造された最も好ましい金属含有化合物は、式:
AaMb(XcYd)eZf
のものであり、式中、
Aは、リチウム、ナトリウム及びカリウムの1以上から選択されたアルカリ金属であり;
Mは、1以上の遷移金属、及び任意には非遷移金属及びメタロイドから選択された1以上のさらなる金属を有し;
(XcYd)eは、少なくとも1の第1のアニオンであり;及び
Zは、少なくとも1の第2のアニオンであり;
ただし、a≧0;b>0;c>0;d≧0;e>0及びf≧0;
ただし、a,b,c,d,e及びfは、電気的中性を維持するように選択され;及び
当該方法は、
i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
を有する混合物を形成するステップを有し;
前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として使用し;及びさらに
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される。
AaMb(XcYd)eZf
のものであり、式中、
Aは、リチウム、ナトリウム及びカリウムの1以上から選択されたアルカリ金属であり;
Mは、1以上の遷移金属、及び任意には非遷移金属及びメタロイドから選択された1以上のさらなる金属を有し;
(XcYd)eは、少なくとも1の第1のアニオンであり;及び
Zは、少なくとも1の第2のアニオンであり;
ただし、a≧0;b>0;c>0;d≧0;e>0及びf≧0;
ただし、a,b,c,d,e及びfは、電気的中性を維持するように選択され;及び
当該方法は、
i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
を有する混合物を形成するステップを有し;
前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として使用し;及びさらに
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される。
還元剤としての1以上の次亜リン酸塩含有材料の添加(例えば、これらは、金属含有前駆体化合物の金属、特に遷移金属の酸価状態を低減させる)は、発明の成功にとって重要であり、及び特定の1以上の金属含有前駆体化合物に依存し、且つ望ましい最終生成物、次亜リン酸塩含有材料は、加えて最終生成物内のリンの供給源として及び/又はアルカリ金属の供給源として振る舞ってよい。例えば、ターゲット金属含有化合物がナトリウム及びリンを含有するとき、これら元素の両方は、潜在的に次亜リン酸ナトリウムから得られてよい(後者を還元剤として使用する場合)。1以上の次亜リン酸塩含有材料が、還元剤として、及び/又は金属含有化合物内のリンの供給源として及び/もしくはアルカリ金属の供給源としても潜在的に振る舞うという事実は、本発明の多くの利点のうちの1つと見なされる。
特に好ましい方法において、アルカリ金属(金属)含有化合物が製造される。このような化合物は、式 AaMb(XcYd)eZfを有し得る。式中、
Aは1以上のアルカリ金属であり、
Mは、1以上の遷移金属及び/もしくは1以上の遷移金属及び/もしくは1以上のアルカリ土類金属及び/もしくは1以上のメタロイドを有し、及び
X,Y,及びZは、以下に定義されたとおりである。このようなアルカリ金属(金属)含有化合物において、a>0,b>0,d≧0,e>0及びf≧0である。
Aは1以上のアルカリ金属であり、
Mは、1以上の遷移金属及び/もしくは1以上の遷移金属及び/もしくは1以上のアルカリ土類金属及び/もしくは1以上のメタロイドを有し、及び
X,Y,及びZは、以下に定義されたとおりである。このようなアルカリ金属(金属)含有化合物において、a>0,b>0,d≧0,e>0及びf≧0である。
本発明のソリッドステート方法により製造された反応生成物において:
Aは、好ましくはナトリウム、リチウム及びカリウムから選択された1以上のアルカリ金属を有し;
Mは、遷移金属(例えばチタン,バナジウム,ニオブ,タンタル,ハフニウム,クロム,モリブデン,タングステン,マンガン,鉄,オスミウム,コバルト,ニッケル,パラジウム,白金,銅,銀,金,亜鉛,カドミウム,アルミニウム,スカンジウム,イットリウム,ジルコニウム,テクネチウム,レニウム,ルテニウム,ロジウム,イリジウム,水銀,ガリウム,インジウム,スズ,鉛,ビスマス及びセレン),非遷移金属及びアルカリ土類金属(例えばマグネシウム,カルシウム,ベリリウム,ストロンチウム及びバリウム),及びメタロイド(例えばホウ素,ケイ素,ゲルマニウム,ヒ素,アンチモン及びテルル)から選択された1以上の金属を有し;
Xは、チタン,バナジウム,クロム,ヒ素,モリブデン,タングステン,ニオブ,マンガン,アルミニウム,セレン,ホウ素,酸素,carbon,ケイ素,phosphorus,窒素,硫黄,フッ素,塩素,臭素及びヨウ素から選択された1以上の元素を有し;
Yは、1以上のハロゲン化物,硫黄含有基,酸素含有基及びそれらの混合物を有し;
Zは、1以上のハロゲン化物,水酸化物含有基及びそれらの混合物から選択される。
Aは、好ましくはナトリウム、リチウム及びカリウムから選択された1以上のアルカリ金属を有し;
Mは、遷移金属(例えばチタン,バナジウム,ニオブ,タンタル,ハフニウム,クロム,モリブデン,タングステン,マンガン,鉄,オスミウム,コバルト,ニッケル,パラジウム,白金,銅,銀,金,亜鉛,カドミウム,アルミニウム,スカンジウム,イットリウム,ジルコニウム,テクネチウム,レニウム,ルテニウム,ロジウム,イリジウム,水銀,ガリウム,インジウム,スズ,鉛,ビスマス及びセレン),非遷移金属及びアルカリ土類金属(例えばマグネシウム,カルシウム,ベリリウム,ストロンチウム及びバリウム),及びメタロイド(例えばホウ素,ケイ素,ゲルマニウム,ヒ素,アンチモン及びテルル)から選択された1以上の金属を有し;
Xは、チタン,バナジウム,クロム,ヒ素,モリブデン,タングステン,ニオブ,マンガン,アルミニウム,セレン,ホウ素,酸素,carbon,ケイ素,phosphorus,窒素,硫黄,フッ素,塩素,臭素及びヨウ素から選択された1以上の元素を有し;
Yは、1以上のハロゲン化物,硫黄含有基,酸素含有基及びそれらの混合物を有し;
Zは、1以上のハロゲン化物,水酸化物含有基及びそれらの混合物から選択される。
いずれの次亜リン酸塩含有材料が本発明において使用され得るが、好ましくは、これらは、次亜リン酸リチウム(LiH2PO2),次亜リン酸ナトリウム(NaH2PO2),次亜リン酸アンモニウム(NH4H2PO2)及び次亜リン酸(H3PO2)から選択された材料のいずれか1つもしくは混合物である。最も好ましい材料は、次亜リン酸ナトリウム(NaH2PO2)及び/又は次亜リン酸アンモニウム(NH4H2PO2)を有する。
式 AaMb(XcOd)eZfの望ましい化合物は、
Aはリチウム及び/又はナトリウムであり、且つ
第1のアニオン(XcYd)eは、好ましくはリン酸基,縮合ポリリン酸基,硫酸基,酸化物基,チオ硫酸基,亜硫酸基,塩素酸基,臭素酸基,オキシハロゲン化物基,ハロゲン化物基,ケイ酸基,砒酸基,セレン酸基,モリブデン酸基,バナジン酸基及びいずれのオキシアニオン基から選択された1以上の基を有する、
化合物を包含する(ただしこれらに限定されない)。Xがリンを有する化合物、例えば(XcYd)eがPO4及び/又はP2O7部分である化合物は、特に好ましい。同様に、Xがイオンを有する化合物、例えばSO4部分を含有する化合物は、同様に有利である。
Aはリチウム及び/又はナトリウムであり、且つ
第1のアニオン(XcYd)eは、好ましくはリン酸基,縮合ポリリン酸基,硫酸基,酸化物基,チオ硫酸基,亜硫酸基,塩素酸基,臭素酸基,オキシハロゲン化物基,ハロゲン化物基,ケイ酸基,砒酸基,セレン酸基,モリブデン酸基,バナジン酸基及びいずれのオキシアニオン基から選択された1以上の基を有する、
化合物を包含する(ただしこれらに限定されない)。Xがリンを有する化合物、例えば(XcYd)eがPO4及び/又はP2O7部分である化合物は、特に好ましい。同様に、Xがイオンを有する化合物、例えばSO4部分を含有する化合物は、同様に有利である。
他の好ましい材料は:
LiFePO4,
LiFePO4/Fe2P,
LiMnPO4,
LiCoPO4,
LiNiPO4,
NaFePO4,
NaMnPO4,
NaCoPO4,
NaNiPO4,
LiMn0.5Fe0.2Mg0.3PO4,
Li3V2(PO4)3,
Na4Fe3(PO4)2P2O7,
Na3V2(PO4)3,
LiMn0.5Fe0.5PO4,
Na7V4(P2O7)4PO4,
Na7V3(P2O7)4,
Na2Fe(SO4)2,
NaVPO4F,
LiVPO4F,
Na3V(PO4)2,
Li3V(PO4)2,
NaVOPO4,
LiVOPO4,
LiV2O5,
NaV2O5,
NaVO2,
VPO4,
MoP2O7,
MoOPO4,
Fe3(PO4)2,
Na8−2xFe4+x(P2O7)4,
Na8−2xMn4+x(P2O7)4,
Na2MnP2O7,
Na2FeP2O7,
Na2CoP2O7,
Na4Mn3(PO4)2P2O7,
Na4Co3(PO4)2P2O7,
Na4Ni3(PO4)2P2O7,
NaFeSO4F,
LiFeSO4F,
NaMnSO4F,
LiMnSO4F,
Na2FePO4F,
Na2MnPO4F,
Na2CoPO4F,
Na2NiPO4F,
Na2Fe2(SO4)3,
Li2Fe2(SO4)3,及び
Li2Fe(SO4)2
を包含する。
LiFePO4,
LiFePO4/Fe2P,
LiMnPO4,
LiCoPO4,
LiNiPO4,
NaFePO4,
NaMnPO4,
NaCoPO4,
NaNiPO4,
LiMn0.5Fe0.2Mg0.3PO4,
Li3V2(PO4)3,
Na4Fe3(PO4)2P2O7,
Na3V2(PO4)3,
LiMn0.5Fe0.5PO4,
Na7V4(P2O7)4PO4,
Na7V3(P2O7)4,
Na2Fe(SO4)2,
NaVPO4F,
LiVPO4F,
Na3V(PO4)2,
Li3V(PO4)2,
NaVOPO4,
LiVOPO4,
LiV2O5,
NaV2O5,
NaVO2,
VPO4,
MoP2O7,
MoOPO4,
Fe3(PO4)2,
Na8−2xFe4+x(P2O7)4,
Na8−2xMn4+x(P2O7)4,
Na2MnP2O7,
Na2FeP2O7,
Na2CoP2O7,
Na4Mn3(PO4)2P2O7,
Na4Co3(PO4)2P2O7,
Na4Ni3(PO4)2P2O7,
NaFeSO4F,
LiFeSO4F,
NaMnSO4F,
LiMnSO4F,
Na2FePO4F,
Na2MnPO4F,
Na2CoPO4F,
Na2NiPO4F,
Na2Fe2(SO4)3,
Li2Fe2(SO4)3,及び
Li2Fe(SO4)2
を包含する。
有利には、本発明は、1以上の次亜リン酸塩含有材料(例えば次亜リン酸ナトリウム(NaH2PO2)及び/又は次亜リン酸アンモニウム(NH4H2PO2))を、1以上の金属含有前駆体化合物を還元する作用剤として、及び任意にはリンの供給源としても使用するステップを有する、金属リン酸塩含有材料(MPO4)の製造のためのソリッドステート方法を提供する。当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される、ソリッドステート方法を提供する。
特に,本発明は、一般式: AMPO4のアルカリ金属(金属)リン酸塩を有する化合物の製造のためのソリッドステート方法を提供する。式中、
Aは、1以上のアルカリ金属を有し;
Mは、マンガン,鉄,コバルト,銅,亜鉛,ニッケル,マグネシウム及びカルシウムの1以上から選択された金属を有する。当該方法は、
i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
の混合物を形成するステップを有し;
前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として、及び任意にはリンの供給源及び/又はアルカリ金属の供給源としても使用し;さらに
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される。
Aは、1以上のアルカリ金属を有し;
Mは、マンガン,鉄,コバルト,銅,亜鉛,ニッケル,マグネシウム及びカルシウムの1以上から選択された金属を有する。当該方法は、
i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
の混合物を形成するステップを有し;
前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として、及び任意にはリンの供給源及び/又はアルカリ金属の供給源としても使用し;さらに
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される。
好ましいAMPO4含有化合部は、NaMPO4及びLiMPO4を包含し;LiFePO4含有化合物は、特に好ましい。本発明のソリッドステート方法において、
i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有化合物と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
を有する混合物を形成するステップにより、これらの混合物は製造され得る。前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として使用する。混合物の成分i)は、LiH2PO4,Li2HPO4,LiOH,LiOH.H2O,Fe3O4,Fe2O3,Li2CO3,FePO4.xH2O,FePO4,Fe3(PO4)2,FeSO4.xH2O,Fe(NO3)3,Fe(CH3CO2)2,C6H8O7.xFe3+.yNH3(クエン酸鉄(III)アンモニウム),C6H5FeO7(クエン酸鉄(III))及びFe(C5H7O2)3(2,4−ペンタンジオン酸(petanedionate)鉄(III))から選択された1以上の化合物を有してよい。及びさらに当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される。
i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有化合物と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
を有する混合物を形成するステップにより、これらの混合物は製造され得る。前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として使用する。混合物の成分i)は、LiH2PO4,Li2HPO4,LiOH,LiOH.H2O,Fe3O4,Fe2O3,Li2CO3,FePO4.xH2O,FePO4,Fe3(PO4)2,FeSO4.xH2O,Fe(NO3)3,Fe(CH3CO2)2,C6H8O7.xFe3+.yNH3(クエン酸鉄(III)アンモニウム),C6H5FeO7(クエン酸鉄(III))及びFe(C5H7O2)3(2,4−ペンタンジオン酸(petanedionate)鉄(III))から選択された1以上の化合物を有してよい。及びさらに当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される。
NaMPO4は、同様の反応プロセスにより製造され得る。当該プロセスにおいて、金属含有前駆体化合物は、NaH2PO4,Na2HPO4,NaOH,Fe3O4,Fe2O3,Na2CO3,FePO4.xH2O,FePO4,Fe3(PO4)2,FeSO4.xH2O,Fe(NO3)3,Fe(CH3CO2)2,C6H8O7.xFe3+.yNH3(アンモニウムクエン酸鉄(III)),C6H5FeO7(クエン酸鉄(III))及びFe(C5H7O2)3(2,4−ペンタンジオン酸鉄(III))から選択された1以上の化合物を有してよい。
いずれかの場合における反応混合物はまた、いずれか他の好適な試薬及び/又はリンの供給源、例えばH3PO4,(NH4)2HPO4,(NH4)H2PO4を包含してよい。
本発明のソリッドステート方法を実施するための便利なやり方は、
1.i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
を有する混合物を形成するステップと;
2.非酸化性雰囲気下で混合物を加熱するステップと;
3.反応生成物、好ましくは式:
AaMb(XcYd)eZf
(式中、
Aは、リチウム、ナトリウム及びカリウムの1以上から選択されたアルカリ金属であり;
Mは、遷移金属、非遷移金属、アルカリ土類金属及びメタロイドから選択された1以上の金属を有し;
(XcYd)eは、少なくとも1の第1のアニオンであり;及び
Zは、少なくとも1の第2のアニオンであり;及び
ただし、a≧0;b>0;c>0;d≧0;e>0及びf≧0)の金属含有化合物を回収するステップと
によるものである。
1.i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
を有する混合物を形成するステップと;
2.非酸化性雰囲気下で混合物を加熱するステップと;
3.反応生成物、好ましくは式:
AaMb(XcYd)eZf
(式中、
Aは、リチウム、ナトリウム及びカリウムの1以上から選択されたアルカリ金属であり;
Mは、遷移金属、非遷移金属、アルカリ土類金属及びメタロイドから選択された1以上の金属を有し;
(XcYd)eは、少なくとも1の第1のアニオンであり;及び
Zは、少なくとも1の第2のアニオンであり;及び
ただし、a≧0;b>0;c>0;d≧0;e>0及びf≧0)の金属含有化合物を回収するステップと
によるものである。
理想的には、出発物質は粒子状形態で緊密に混合される。これは、様々な方法(例えば乳棒と乳鉢、又はボールミルを使用して、材料を別々に微細に磨り潰すこと、及び次いでそれらを一緒に混合すること)を使用して達成され得る。すり潰し且つ混合するステップは、均一に混合され、微細に磨り潰された粉末を製造するのに十分な期間である。溶媒(例えばアセトン)又は容易に除去される別の材料(例えば低沸点液体)を、すり潰し/混合プロセスをアシストするのに使用し得、これは加熱ステップの前に好ましくは除去される。他の公知の技法(例えば高エネルギーボールミル及びマイクロ波アクティベーション)もまた、出発物質を製造するのを助けるため、例えばその反応性を増すため使用され得る。
本発明の重要な特徴は、それが「ソリッドステート(solid−state)」反応(即ち反応物質の全てが固体状態であり、且ついずれの反応媒体、例えば溶媒を実質的に含まない反応)であることである。上述のように溶媒もしくは他の低沸点液体を、反応物質の混合をアシストするのに使用する場合、加熱ステップの前にそれは実質的に除去される。先行技術の知識に基づき、アルカリ性溶液反応で、特に無電解ニッケル及び銅浴における可溶性化学還元剤として使用される場合、次亜リン酸塩含有材料が有用な還元剤であることは公知である。しかしながら、次亜リン酸塩含有材料の使用は、中位の酸価状態(即ち、金属状態ではない)への金属の還元についてまだ知られておらず、これらが金属(特に銅及びニッケル以外の遷移金属)について効果的な還元剤であることはいまだ未知である。その上さらに、次亜リン酸塩含有材料が、ソリッドステート反応において効果的な還元剤であること、お及びそのような反応において、これらはリン酸塩含有及び/もしくはアルカリ金属含有生成物のリン酸塩及び/もしくはアルカリ金属成分の一部もしくは全てを提供し得ることは非常に驚くべきことである。
出発物質どうしの反応は、通常はプロセスの加熱ステップの際に生じる。これは、典型的には、単一の温度で、もしくは温度範囲にわたり、例えば少なくとも150℃まで、好ましくは少なくとも200℃まで反応混合物を加熱するステップを有する。150℃乃至1200℃の単一の温度又は反応温度範囲が好ましく、150℃乃至800℃が特に好ましい。
都合よく、反応は、大気圧下で実施され、それは非酸化性雰囲気(例えば窒素、アルゴンもしくは別の不活性気体)又は真空下で行われなくてはならず、ターゲット材料及び使用される前駆体に依存時、反応は、封止された反応容器内でも実施され得る。これらの反応の全て、個のような条件は、本発明の範囲内であり、「非酸化性雰囲気」及び/又は「酸化性雰囲気がない状態」(absence of an oxidizing atmosphere)の定義に全て包含されるべきである。
ユリには、反応温度は、0.5乃至12時間の間に維持される。但し、正確な時間は、出発物質の反応性に依存するはずである。0.5乃至8時間が、本発明の方法を利用する多くの反応にとって十分であることが分かった。
上に考察し合陽に、本発明の方法において、1以上の次亜リン酸塩含有材料は、1以上の金属含有前駆体化合物内の金属(遷移金属及び/または非遷移金属及び/又はアルカリ土類金属及び/又はメタロイド)の平均酸価状態の還元のための作用剤であり、及びリンの供給源及び/又はアルカリ金属の供給源を追加的に提供してよい。
本発明の方法により製造された式 AaMb(XcYd)eZfの金属含有材料は、多くの異なる用途における使用に、例えば電極における活物質として、特にエネルギー貯蔵デバイス,充電式電池,電気化学デバイス及びエレクトロクロミックデバイスにおいて使用されるカソードとして好適である。これは、特にアルカリ金属(金属)含有材料に関する場合である。有利には、本発明により製造された材料を使用して作成された電極は、対電極と1以上の電解質材料とを組み合わせて使用される。電解質材料は、いずれの慣用の又は周知の材料であってよく、(複数の)水性電解質又は(複数の)非水性電解質のいずれかを有してよい。
多くの金属含有化合物、特にアルカリ金属含有化合物に固有の問題は、その低い電気伝導率である。この問題に取り組むため、例えばグラインディング(grinding)の間、導電材料(例えば炭素含有材料、例えばグラファイト,カーボンブラック,スクロース及びアセチレンブラック)を出発物質に対して、又は最終金属含有生成物への被覆として添加することが公知である。他の公知の導電材料は、金属パウダー及び非常に導電性の無機材料を包含する。
従って、本質的に非導電性の材料、例えば本発明のソリッドステート方法を使用するアルカリ金属含有化合物を作成する場合、反応混合物及び/又は出発物質の1以上及び/又は最終生成物に対し、1以上の導電材料を添加/緊密に分散することが望ましい。
出発物質が好ましいと、本発明の方法により製造されたAaMb(XcYd)eZf化合物は、導電性化合物(前記導電性化合物は、金属含有前駆体化合物と1以上の次亜リン酸塩含有材料とを包含する複合材料との間の反応の際、好ましくはその場で製造される)を包含する複合材料の形態であってよいと思われる。その場で形成された導電性化合物は、好ましくはリン含有化合物であり、好適な導電材料は、遷移金属リン化物−及び/又は非遷移金属リン化物−及び/又はメタロイドリン化物を含有する材料、例えば金属成分Mが鉄を有する場合、鉄リン化物含有材料、例えばFe2Pを少なくとも部分的に有してよい。
従って第2の態様において、本発明は、上に定義された式 AaMb(XcYd)eZfの金属含有化合物と1以上の導電性材料とを有する組成物を提供する。上記のソリッドステート方法の間、特に次亜リン酸塩含有材料の1以上を、金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として使用する場合、前記1以上の導電性材料の少なくとも一部は、その場で(in situ)形成される。望ましくは、本発明は、LiFePO4と1以上のリン化物含有化合物を有する少なくとも1の導電材料とを有する組成物を提供する。好適なリン化物含有化合物は、2成分の(binary)リン化物を包含してよい(ただしこれらに限定されない)。
さらに第3の態様において、本発明は、例えば上に定義された式AaMb(XcYd)eZfの金属含有化合物有する組成物を製造するための方法を提供する。当該方法は、
i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
を有する反応混合物を形成するステップを有し;
前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として使用し;及びさらに
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される。
i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
を有する反応混合物を形成するステップを有し;
前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として使用し;及びさらに
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される。
第4の態様において、本発明は、上に記載のように本発明により製造された式AaMb(XcYd)eZfの活物質を利用する電極を提供し、リン含有導電材料、特に1以上の次亜リン酸塩含有材料を有する上記の反応プロセスの間、少なくとも部分的に作成されたリン含有導電材料との組み合わせたこのような活物質を有する組成物を利用する電極を特に提供する。
別の態様において、本発明は、金属含有化合物の製造のためのソリッドステート方法を提供する。当該方法は、
i)1以上の金属含有前駆体化合物と、
ii)ハイドロサルファイト含有材料,亜硫酸塩含有材料,ホルムアルデヒド,ジメチルアミンボラン(DMAB),ヒドラジン及び水素化ホウ素含有材料から選択された1以上の材料と
の混合物を形成するステップを有する。
i)1以上の金属含有前駆体化合物と、
ii)ハイドロサルファイト含有材料,亜硫酸塩含有材料,ホルムアルデヒド,ジメチルアミンボラン(DMAB),ヒドラジン及び水素化ホウ素含有材料から選択された1以上の材料と
の混合物を形成するステップを有する。
ハイドロサルファイト含有材料は、例えばハイドロサルファイトナトリウム(Na2S2O4)(次亜硫酸ナトリウム及び亜ジチオン酸ナトリウムとも称する)又はリチウムハイドロサルファイト(Li2S2O4)を有してよく、且つ亜硫酸塩含有材料は、例えば,亜硫酸ナトリウム(Na2SO3)又は亜硫酸リチウム(Li2SO3)を有してよい。後者の亜硫酸塩含有化合物は、還元剤として使用されるが、しかしながらこれらは、例えば反応生成物がアルカリ金属及び/又は硫酸塩含有材料である場合、有利には反応生成物の硫黄及び/又は金属成分の供給源をも提供し得る。従って、本発明は、還元剤として及び追加的に硫黄の供給源及び/又はアルカリ金属の供給源として、1以上のハイドロサルファイト含有材料及び/又は亜硫酸塩含有材料を使用するステップを有する、硫酸塩含有材料の製造のためのソリッドステート方法を提供する。反応は、酸化雰囲気がない状態で実施される。
その上さらなる態様において、本発明は、以下のもの1以上として使用のため上述のような電極を有するエネルギー貯蔵デバイスを提供する:ナトリウムイオン及び/又はリチウムイオン及び/又はカリウムイオンセル;ナトリウム金属及び/又はリチウム金属及び/又はカリウム金属イオンセル;非水性電解質ナトリウムイオン及び/又はリチウムイオン及び/又はカリウムイオンセル;及び水性電解質ナトリウムイオン及び/又はリチウムイオン及び/又はカリウムイオンセル。特に、エネルギー貯蔵デバイスは電池であり得る。
以下の図面を参照して、本発明が説明される。
本発明の実施例1により製造されたLiFePO4活物質に関する電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表す。
LiFePO4活物質本発明の実施例1により製造されたLiFePO4活物質に関する微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。
本発明の実施例1により製造されたLiFePO4活物質に関するXRDプロファイルである。
本発明の実施例2により製造されたLiFePO4活物質に関する電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表す。
本発明の実施例2により製造されたLiFePO4活物質に関する微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。
本発明の実施例2により製造されたLiFePO4活物質に関するXRDプロファイルである。不純物は、*Li3PO4,#FeP,‘Li4P2O7,及び^Fe2Pとラベルされる。
本発明の実施例3により製造されたLiFePO4活物質に関する電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表す。
本発明の実施例3により製造されたLiFePO4活物質に関する微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。
本発明の実施例3により製造されたLiFePO4活物質に関するXRDプロファイルである。不純物は、*Li4P2O7,#Fe2O3とラベルされる。
本発明の実施例4により製造されたLiFePO4活物質に関する電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表す。
本発明の実施例4により製造されたLiFePO4活物質に関する微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。
本発明の実施例4により製造されたLiFePO4活物質に関するXRDプロファイルである。不純物は、*Li3PO4,#NaFePO4とラベルされる。
比較実施例5により製造されたLiFePO4活物質に関する電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表す。
比較実施例5により製造されたLiFePO4活物質に関する微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。
比較実施例5により製造されたLiFePO4活物質に関するXRDプロファイルである。
本発明の実施例6により製造されたLi1−XNaXFePO4活物質に関する電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表す。
本発明の実施例6により製造されたLi1−XNaXFePO4活物質に関する微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。
本発明の実施例6により製造されたLi1−XNaXFePO4活物質に関するXRDプロファイルである。不純物は、*NaFePO4とラベルされる。
(比較)実施例7により製造されたLiFePO4活物質に関する電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表す。
(比較)実施例7により製造されたLiFePO4活物質に関する微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。
(比較)実施例7により製造されたLiFePO4活物質に関するXRDプロファイルである。
(比較)実施例8により製造されたLiFePO4活物質に関する電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表す。
(比較)実施例8により製造されたLiFePO4活物質に関する微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。
(比較)実施例8により製造されたLiFePO4活物質に関するXRDプロファイルである。
本発明の実施例9により製造されたNaFePO4活物質に関する電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表す。
本発明の実施例9により製造されたNaFePO4活物質に関する微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。
本発明の実施例9により製造されたNaFePO4活物質に関するXRDプロファイルである。不純物は、*Fe3O4,#Na4P2O7とラベルされる。
本発明の実施例10により製造されたLi3V2(PO4)3活物質に関する電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表す。
本発明の実施例10により製造されたLi3V2(PO4)3活物質に関する微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。
本発明の実施例10により製造されたLi3V2(PO4)3活物質に関するXRDプロファイルである。(アスタリスク*は、LiVP2O7不純物による)
本発明の実施例11により製造されたにNa7V4(PO4)(P2O7)4活物質に関する電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表す。
本発明の実施例11により製造されたにNa7V4(PO4)(P2O7)4活物質に関する微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。
本発明の実施例11により製造されたにNa7V4(PO4)(P2O7)4活物質に関するXRDプロファイルである。不純物は、*NaVP2O7とラベルされる。
本発明の実施例12により製造されたNa4Fe3(PO4)2P2O7活物質に関する電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表す。
本発明の実施例12により製造されたNa4Fe3(PO4)2P2O7活物質に関する微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。
本発明の実施例12により製造されたNa4Fe3(PO4)2P2O7活物質に関するXRDプロファイルである。
本発明の実施例13により製造されたNa6.24Fe4.88(P2O7)4活物質に関する電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表す。
本発明の実施例13により製造されたNa6.24Fe4.88(P2O7)4活物質に関する微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。
本発明の実施例13により製造されたNa6.24Fe4.88(P2O7)4活物質に関するXRDプロファイルである。不純物は、*NaVP2O7とラベルされる。
詳細な説明
一般的メソッド:
1) 正確な化学量論比率で出発物質を一緒に緊密に混合し、ペレットにプレスする。
2) 得られる混合物を、反応生成物が形成するまで、炉内、非酸化性雰囲気下、炉温度300℃乃至800℃で加熱する。
3) 生成物を粉末にすり潰す前に、生成物を冷却させる。
一般的メソッド:
1) 正確な化学量論比率で出発物質を一緒に緊密に混合し、ペレットにプレスする。
2) 得られる混合物を、反応生成物が形成するまで、炉内、非酸化性雰囲気下、炉温度300℃乃至800℃で加熱する。
3) 生成物を粉末にすり潰す前に、生成物を冷却させる。
実施例1乃至13で使用された出発物質及び反応条件を以下の表1に要約する。
XRDを使用する生成物分析:
所望のターゲット材料が調製されたことを確認するため、生成物の相純度を確立するため、及び存在する不純物のタイプを決定するため、SiemensD5000パウダー回折計を使用して、X線回折技術により分析を行った。この情報から単位セル格子パラメータを求めることが可能である。
所望のターゲット材料が調製されたことを確認するため、生成物の相純度を確立するため、及び存在する不純物のタイプを決定するため、SiemensD5000パウダー回折計を使用して、X線回折技術により分析を行った。この情報から単位セル格子パラメータを求めることが可能である。
前駆体電極材料を分析するのに使用された一般XRD操作条件は以下の通りである:
スリットサイズ: 1mm,1mm,0.1mm
レンジ: 2θ=5°乃至60°
X線波長=1.5418Å (CuKα)
スピード: 0.5乃至2秒/ステップ
インクリメント: 0.015°乃至0.05°
スリットサイズ: 1mm,1mm,0.1mm
レンジ: 2θ=5°乃至60°
X線波長=1.5418Å (CuKα)
スピード: 0.5乃至2秒/ステップ
インクリメント: 0.015°乃至0.05°
電気化学的結果:
以下の手順を使用して作成され得る金属リチウムハーフセルにおいて、ターゲット材料を試験した。
リチウム金属試験電気化学セルを作成する汎用手順:
活物質、導電性カーボン、バインダ及び溶媒のスラリーを溶媒キャストすることにより、正極を調製する。使用する導電性カーボンはSuperP(Timcal)である。PVdFコポリマー(例えばKynar Flex 2801, Elf Atochem Inc.)をバインダとして使用し、アセトンを溶媒として使用する。次いでスラリーをガラス上にキャストし、溶媒が蒸発するにつれて自立式電極フィルムを形成する。ついで電極を80℃でさらに乾燥する。電極フィルムは、重量パーセントで表される以下の成分を含有する:80%活物質,8%SuperPカーボン,及び12%Kynar2801バインダ。任意には、正極に接触させるため、アルミニウム集電体を使用してよい。銅集電体上の金属リチウムを、負極として使用してよい。電解質は以下の物の1個を有する:
(i)重量比1:1での炭酸エチレン(EC)及び炭酸ジメチル(DMC)中のLiPF6の1M溶液;
(ii)重量比1:1での炭酸エチレン(EC)及び炭酸ジエチル(DEC)中のLiPF6の1M溶液;もしくは
(iii)炭酸プロピレン(PC)中のLiPF6の1M溶液。
電解質で濡らしたガラス繊維セパレータ(Whatman, GF/A)もしくは多孔質ポリプロピレンセパレータ(例えばCelgard2400)を、正極と負極との間に介在させる。
以下の手順を使用して作成され得る金属リチウムハーフセルにおいて、ターゲット材料を試験した。
リチウム金属試験電気化学セルを作成する汎用手順:
活物質、導電性カーボン、バインダ及び溶媒のスラリーを溶媒キャストすることにより、正極を調製する。使用する導電性カーボンはSuperP(Timcal)である。PVdFコポリマー(例えばKynar Flex 2801, Elf Atochem Inc.)をバインダとして使用し、アセトンを溶媒として使用する。次いでスラリーをガラス上にキャストし、溶媒が蒸発するにつれて自立式電極フィルムを形成する。ついで電極を80℃でさらに乾燥する。電極フィルムは、重量パーセントで表される以下の成分を含有する:80%活物質,8%SuperPカーボン,及び12%Kynar2801バインダ。任意には、正極に接触させるため、アルミニウム集電体を使用してよい。銅集電体上の金属リチウムを、負極として使用してよい。電解質は以下の物の1個を有する:
(i)重量比1:1での炭酸エチレン(EC)及び炭酸ジメチル(DMC)中のLiPF6の1M溶液;
(ii)重量比1:1での炭酸エチレン(EC)及び炭酸ジエチル(DEC)中のLiPF6の1M溶液;もしくは
(iii)炭酸プロピレン(PC)中のLiPF6の1M溶液。
電解質で濡らしたガラス繊維セパレータ(Whatman, GF/A)もしくは多孔質ポリプロピレンセパレータ(例えばCelgard2400)を、正極と負極との間に介在させる。
セル試験:
定電流サイクリング技術を使用し、セルは以下のように試験される。
定電流サイクリング技術を使用し、セルは以下のように試験される。
プリセット電圧制限間の所定電圧密度においてセルをサイクルさせる。Maccor Inc.(Tulsa, OK, USA)の市販の電池サイクラーを使用する。充電の際、活物質からナトリウム(リチウム)イオンが抽出される。放電の際、リチウム(ナトリウム)イオンは活物質内へ再挿入される。
実施例1
図1A及び図1B(Cell#205010)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、LiFePO4カソード活物質(X0499,還元剤,次亜リン酸アンモニウム,NH4H2PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。反応混合物は、炭素をも導電性添加剤として含んでいた。図1Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図1Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.0乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
図1A及び図1B(Cell#205010)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、LiFePO4カソード活物質(X0499,還元剤,次亜リン酸アンモニウム,NH4H2PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。反応混合物は、炭素をも導電性添加剤として含んでいた。図1Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図1Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.0乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
製造したままの(as−made)セルの開路電圧(OCV)は、Liに対して3.113Vであった。図1Aに関して、第1のリチウム抽出プロセスの際、材料比容量142mAh/gと同等の電荷が、カソード活物質に関して得られた。続く再挿入プロセスは、材料比容量131mAh/gに対応し、リチウムイオン挿入反応の一般可逆性を意味する。
充電放電電圧プロファイルの対称性は、システムの優れた可逆性を意味する。図1Bに表される微分容量プロファイルの対称性により、このことがさらに例示される。
実施例2
図2A及び図2B(Cell#205011)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、LiFePO4カソード活物質(X0400,還元剤,次亜リン酸アンモニウム,NH4H2PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。図2Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図2Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.0乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
図2A及び図2B(Cell#205011)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、LiFePO4カソード活物質(X0400,還元剤,次亜リン酸アンモニウム,NH4H2PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。図2Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図2Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.0乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
製造したままのセルの開路電圧(OCV)は、Liに対して3.029Vであった。図2Aに関して、第1のリチウム抽出プロセスの際、材料比容量107mAh/gと同等の電荷が、カソード活物質に関して得られた。続く再挿入プロセスは、材料比容量83mAh/gに対応し、リチウムイオン挿入反応の一般可逆性を意味する。
充電放電電圧プロファイルの対称性は、システムの優れた可逆性を意味する。図2Bに表される微分容量プロファイルの対称性により、このことがさらに例示される。
実施例3
図3A及び図3B(Cell#207046)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、LiFePO4カソード活物質(X0638,還元剤,次亜リン酸,H3PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。図3Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図3Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.5乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
図3A及び図3B(Cell#207046)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、LiFePO4カソード活物質(X0638,還元剤,次亜リン酸,H3PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。図3Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図3Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.5乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
製造したままのセルの開路電圧(OCV)は、Liに対して3.287Vであった。図3Aに関して、第1のリチウム抽出プロセスの際、材料比容量98mAh/gと同等の電荷が、カソード活物質に関して得られた。続く再挿入プロセスは、材料比容量84mAh/gに対応し、リチウムイオン挿入反応の一般可逆性を意味する。
充電放電電圧プロファイルの対称性は、システムの優れた可逆性を意味する。図3Bに表される微分容量プロファイルの対称性により、このことがさらに例示される。
実施例4
図4A及び図4B(Cell#210057)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、LiFePO4カソード活物質(X0877,還元剤,次亜リン酸ナトリウム,NaH2PO2を使用して作成され、副生物Na2Oとする)に関する第1の定電流データを表す。図4Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図4Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.5乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
図4A及び図4B(Cell#210057)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、LiFePO4カソード活物質(X0877,還元剤,次亜リン酸ナトリウム,NaH2PO2を使用して作成され、副生物Na2Oとする)に関する第1の定電流データを表す。図4Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図4Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.5乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
製造したままのセルの開路電圧(OCV)は、Liに対して3.038Vであった。図4Aに関して、第1のリチウム抽出プロセスの際、材料比容量123mAh/gと同等の電荷が、カソード活物質に関して得られた。続く再挿入プロセスは、材料比容量104mAh/gに対応し、リチウムイオン挿入反応の一般可逆性を意味する。
充電放電電圧プロファイルの対称性は、システムの優れた可逆性を意味する。図4Bに表される微分容量プロファイルの対称性により、このことがさらに例示される。
実施例5
図5A及び図5B(Cell#210059)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、LiFePO4カソード活物質(X0879,還元剤,次亜リン酸ナトリウム,NaH2PO2を使用して作成され、副生物Na2Oとする)に関する第1の定電流データを表す。図5Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図5Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.5乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
図5A及び図5B(Cell#210059)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、LiFePO4カソード活物質(X0879,還元剤,次亜リン酸ナトリウム,NaH2PO2を使用して作成され、副生物Na2Oとする)に関する第1の定電流データを表す。図5Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図5Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.5乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
製造したままのセルの開路電圧(OCV)は、Liに対して3.145Vであった。図5Aに関して、第1のリチウム抽出プロセスの際、材料比容量102mAh/gと同等の電荷が、カソード活物質に関して得られた。続く再挿入プロセスは、材料比容量85mAh/gに対応し、リチウムイオン挿入反応の一般可逆性を意味する。
充電放電電圧プロファイルの対称性は、システムの優れた可逆性を意味する。図5Bに表される微分容量プロファイルの対称性により、このことがさらに例示される。
実施例6
図6A及び図6B(Cell#210058)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、Li1−XNaXFePO4カソード活物質(X0878,還元剤,次亜リン酸ナトリウム,NaH2PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。図6Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図6Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.5乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
図6A及び図6B(Cell#210058)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、Li1−XNaXFePO4カソード活物質(X0878,還元剤,次亜リン酸ナトリウム,NaH2PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。図6Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図6Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.5乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
製造したままのセルの開路電圧(OCV)は、Liに対して3.012Vであった。図6Aに関して、第1のリチウム抽出プロセスの際、材料比容量117mAh/gと同等の電荷が、カソード活物質に関して得られた。続く再挿入プロセスは、材料比容量100mAh/gに対応し、リチウムイオン挿入反応の一般可逆性を意味する。
充電放電電圧プロファイルの対称性は、システムの優れた可逆性を意味する。図6Bに表される微分容量プロファイルの対称性により、このことがさらに例示される。
(比較)実施例7
図7A及び図7B(Cell#207072)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、LiFePO4カソード活物質(X0878,シュウ酸鉄,Fe(C2O4).2H2O還元剤を必要としないFe2+前駆体を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。図7Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図7Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.5乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
図7A及び図7B(Cell#207072)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、LiFePO4カソード活物質(X0878,シュウ酸鉄,Fe(C2O4).2H2O還元剤を必要としないFe2+前駆体を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。図7Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図7Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.5乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
製造したままのセルの開路電圧(OCV)は、Liに対して3.177Vであった。図7Aに関して、第1のリチウム抽出プロセスの際、材料比容量63mAh/gと同等の電荷が、カソード活物質に関して得られた。これは、比較的低い材料使用率(material utilization)である。充電放電電圧プロファイルの対称性は、比較的不十分な可逆性を意味する。図7Bは、不明瞭でノイズの多いこの材料に関する微分容量プロファイルを表し、活物質の不十分な電気化学可逆性を意味する。
(比較)実施例8
図8A及び図8B(Cell#207071)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、LiFePO4カソード活物質(X0649,還元座及び導電性向上剤としてSuper P Carbon(Timcal)を使用する炭素熱還元によりFe2O3から製造した)に関する第1の定電流データを表す。図8Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図8Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.5乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
図8A及び図8B(Cell#207071)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、LiFePO4カソード活物質(X0649,還元座及び導電性向上剤としてSuper P Carbon(Timcal)を使用する炭素熱還元によりFe2O3から製造した)に関する第1の定電流データを表す。図8Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図8Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.5乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
製造したままのセルの開路電圧(OCV)は、Liに対して3.177Vであった。図8Aに関して、第1のリチウム抽出プロセスの際、材料比容量135mAh/gと同等の電荷が、カソード活物質に関して得られた。続く再挿入プロセスは、材料比容量111mAh/gに対応し、良好な可逆性を意味する。
充電放電電圧プロファイルの対称性は、システムの可逆性をさらに意味する。図8Bに表される微分容量プロファイルの対称性により、このことがさらに例示される。
実施例9
図9A及び図9B(Cell#207073)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、NaFePO4カソード活物質(X0346B,還元剤,次亜リン酸ナトリウム,NaH2PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。図9Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図9Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.0乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
図9A及び図9B(Cell#207073)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、NaFePO4カソード活物質(X0346B,還元剤,次亜リン酸ナトリウム,NaH2PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。図9Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図9Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.0乃至4.2V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
製造したままのセルの開路電圧(OCV)は、Liに対して2.804Vであった。図9Aに関して、セルの初期の充電の際、活物質からナトリウムイオンが抽出されると思われる。ナトリウムイオン抽出プロセスの際、材料比容量24mAh/gと同等の電荷が、カソード活物質に関して得られた。初期の充電プロセスの際NaFePO4材料から抽出されたナトリウムが、電解質の中に入ること、次いでリチウム金属アノード上に置換(displacement)「メッキされる」こと(即ち、より多くのリチウムを電解質内に放出する)が、熱力学的考察から期待される。従って、続くセルの放電の際、リチウムとナトリウムのミックスは、材料内に再挿入されると思われる。再挿入プロセスは、23mAh/gに対応し、イオン挿入反応の可逆性を意味する。
充電放電電圧プロファイルの対称性は、システムの可逆性を意味する。図9Bに表される微分容量プロファイルの対称性により、このことがさらに例示される。
実施例10
図10A及び図10B(Cell#204079)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、Li3V2(PO4)3カソード活物質(X0491,還元剤,次亜リン酸アンモニウム,NH4H2PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。図10Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図10Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.8乃至4.3V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
図10A及び図10B(Cell#204079)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、Li3V2(PO4)3カソード活物質(X0491,還元剤,次亜リン酸アンモニウム,NH4H2PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。図10Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図10Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.8乃至4.3V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
製造したままのセルの開路電圧(OCV)は、Liに対して3.054Vであった。図10Aに関して、第1のリチウム抽出プロセスの際、材料比容量103mAh/gと同等の電荷が、カソード活物質に関して得られた。続く再挿入プロセスは、83mAh/gに対応し、リチウムイオン挿入反応の一般可逆性を意味する。
充電放電電圧プロファイルの対称性は、システムの可逆性を意味する。図10Bに表される微分容量プロファイルの対称性により、このことがさらに例示される。
実施例11
図11A及び図11B(Cell#204040)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、Na7V4(P2O7)4PO4カソード活物質(X0458,還元剤,次亜リン酸アンモニウム,NH4H2PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。図11Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図11Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限3.0乃至4.4V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
図11A及び図11B(Cell#204040)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、Na7V4(P2O7)4PO4カソード活物質(X0458,還元剤,次亜リン酸アンモニウム,NH4H2PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。図11Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図11Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限3.0乃至4.4V、流密度0.04mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
製造したままのセルの開路電圧(OCV)は、Liに対して2.941Vであった。セルの初期の充電の際、活物質Na7V4(P2O7)4PO4からナトリウムイオンが抽出されると思われる。ナトリウム抽出プロセスの際、材料比容量74mAh/gと同等の電荷が、カソード活物質に関して得られた。初期の充電プロセスの際材料から抽出されたナトリウムが、電解質の中に入ること、及び次いでリチウム金属アノード上に置換(displacement)「メッキされる」こと(即ち、より多くのリチウムを電解質内に放出する)が、熱力学的考察から期待される。従って、続くセルの放電の際、リチウムとナトリウムのミックスは、材料内に再挿入されると思われる。再挿入プロセスは、63mAh/gに対応し、イオン挿入反応の可逆性を意味する。充電放電電圧プロファイルの対称性は、システムの可逆性を意味する。図11Bに表される微分容量プロファイルの対称性により、このことがさらに例示される。
実施例12
図12A及び図12B(Cell#212015)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、Na4Fe3(PO4)2P2O7カソード活物質(X0996,還元剤,次亜リン酸ナトリウム,NaH2PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。
図12A及び図12B(Cell#212015)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、Na4Fe3(PO4)2P2O7カソード活物質(X0996,還元剤,次亜リン酸ナトリウム,NaH2PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。
図12Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図12Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.5乃至3.8V、流密度0.02mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
製造したままのセルの開路電圧(OCV)は、Liに対して2.843Vであった。図12Aに関して、セルの初期の充電の際、活物質Na4Fe3(PO4)2P2O7からナトリウムイオンが抽出されると思われる。ナトリウム抽出プロセスの際、材料比容量63mAh/gと同等の電荷が、カソード活物質に関して得られた。初期の充電プロセスの際材料から抽出されたナトリウムが、電解質の中に入ること、及び次いでリチウム金属アノード上に置換(displacement)「メッキされる」こと(即ち、より多くのリチウムを電解質内に放出する)が、熱力学的考察から期待される。従って、続くセルの放電の際、リチウムとナトリウムのミックスは、材料内に再挿入されると思われる。再挿入プロセスは、52mAh/gに対応し、イオン挿入反応の可逆性を意味する。充電放電電圧プロファイルの対称性は、システムの可逆性を意味する。図12Bに表される微分容量プロファイルの対称性により、このことがさらに例示される。
実施例13
図13A及び図13B(Cell#212008)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、Na6.24Fe4.88(P2O7)4カソード活物質(X0990,還元剤,次亜リン酸ナトリウム,NaH2PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。
図13A及び図13B(Cell#212008)は、金属リチウムハーフセルにおいて測定された、Na6.24Fe4.88(P2O7)4カソード活物質(X0990,還元剤,次亜リン酸ナトリウム,NaH2PO2を使用して作成された)に関する第1の定電流データを表す。
図13Aは、電圧プロファイル(電極電圧と累積比容量との対比)を表し、図13Bは、微分容量プロファイル(微分容量と電極電圧との対比)を表す。図面に示された定電流データは、電圧制限2.5乃至4.4V、流密度0.02mA/cm2においてリチウム金属対電極を使用して、集められた。使用された非水性電解質は、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)との1;1混合物中LiPF6の1M溶液であった。電気化学試験は、制御された温度25℃で実施された。
製造したままのセルの開路電圧(OCV)は、Liに対して2.922Vであった。図13Aに関して、セルの初期の充電の際、活物質Na6.24Fe4.88(P2O7)4からナトリウムイオンが抽出されると思われる。ナトリウム抽出プロセスの際、材料比容量83mAh/gと同等の電荷が、カソード活物質に関して得られた。初期の充電プロセスの際材料から抽出されたナトリウムが、電解質の中に入ること、及び次いでリチウム金属アノード上に置換(displacement)「メッキされる」こと(即ち、より多くのリチウムを電解質内に放出する)が、熱力学的考察から期待される。従って、続くセルの放電の際、リチウムとナトリウムのミックスは、材料内に再挿入されると思われる。再挿入プロセスは、83mAh/gに対応し、イオン挿入反応の可逆性を意味する。充電放電電圧プロファイルの対称性は、システムの可逆性を意味する。図13Bに表される微分容量プロファイルの対称性により、このことがさらに例示される。
Claims (33)
- i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
を有する混合物を形成するステップを有する、金属含有化合物の製造のためのソリッドステート方法であって、
前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として使用し;及びさらに
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される、ソリッドステート方法。 - 1以上の金属含有前駆体化合物は、遷移金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、非遷移金属及びメタロイドから選択された1以上の金属を有する、請求項1に記載のソリッドステート方法。
- 金属含有前駆体化合物における金属の1以上は、次亜リン酸塩含有材料の1以上により還元され、それにより金属含有化合物における1以上の金属の平均酸化状態は、金属含有前駆体化合物における1以上の金属の平均酸化状態よりも低い、請求項1又は2に記載のソリッドステート方法。
- 金属含有前駆体化合物の少なくとも1は、少なくとも1のアルカリ金属を有する、アルカリ金属(金属)含有化合物の製造のための請求項1乃至3のいずれか一項に記載のソリッドステート方法。
- i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
を有する混合物を形成するステップを有する、式:
AaMb(XcYd)eZf
を有する化合物の製造のためのソリッドステート方法であって、
式中
Aは、リチウム、ナトリウム及びカリウムの1以上から選択されたアルカリ金属であり;
Mは、遷移金属及び/または非遷移金属及び/又はアルカリ土類金属及び/又はメタロイドから選択される1以上の金属を有し;
(XcYd)eは、少なくとも1の第1のアニオンであり;及び
Zは、少なくとも1の第2のアニオンであり;
ただし、a≧0;b>0;c>0;d≧0;e>0及びf≧0;
ただし、a,b,c,d,e及びfは、電気的中性を維持するように選択され;及びさらに
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される、ソリッドステート方法。 - Mは、チタン,バナジウム,ニオブ,タンタル,ハフニウム,クロム,モリブデン,タングステン,マンガン,鉄,オスミウム,コバルト,ニッケル,パラジウム,白金,銅,銀,金,亜鉛,カドミウム,アルミニウム,スカンジウム,イットリウム,ジルコニウム,テクネチウム,レニウム,ルテニウム,ロジウム,イリジウム,水銀,ガリウム,インジウム,スズ,鉛,ビスマス,セレン,マグネシウム,カルシウム,ベリリウム,ストロンチウム及びバリウム,ホウ素,ケイ素,ゲルマニウム,ヒ素,アンチモン及びテルルの1以上から選択された金属である、請求項5に記載のソリッドステート方法。
- Xは、チタン,バナジウム,クロム,ヒ素,モリブデン,タングステン,ニオブ,マンガン,アルミニウム,セレン,ホウ素,酸素,炭素,ケイ素,リン,窒素,硫黄,フッ素,塩素,臭素及びヨウ素から選択された1以上の元素を有する、請求項5に記載のソリッドステート方法。
- Yは、1以上のハロゲン化物、硫黄含有基、酸素含有基及びそれらの混合物から選択される、請求項5に記載のソリッドステート方法。
- Zは、1以上のハロゲン化物、水酸化物含有基及びそれらの混合物から選択される、請求項5に記載のソリッドステート方法。
- Xはリンを有する、請求項5に記載のソリッドステート方法。
- (XcYd)eは、PO4及び/又はP2O7の1以上から選択された部分である、請求項10に記載のソリッドステート方法。
- Xは硫黄を有する、請求項5に記載のソリッドステート方法。
- (XcYd)eはSO4部分である、請求項12に記載のソリッドステート方法。
- LiFePO4,LiFePO4/Fe2P,LiMnPO4,LiCoPO4,LiNiPO4,NaFePO4,NaMnPO4,NaCoPO4,NaNiPO4,LiMn0.5Fe0.2Mg0.3PO4,Li3V2(PO4)3,Na4Fe3(PO4)2P2O7,Na3V2(PO4)3,LiMn0.5Fe0.5PO4,Na7V4(P2O7)4PO4,Na7V3(P2O7)4,Na2Fe(SO4)2,NaVPO4F,LiVPO4F,Na3V(PO4)2,Li3V(PO4)2,NaVOPO4,LiVOPO4,LiV2O5,NaV2O5,NaVO2,VPO4,MoP2O7,MoOPO4,Fe3(PO4)2,Na8−2xFe4+x(P2O7)4,Na8−2xMn4+x(P2O7)4,Na2MnP2O7,Na2FeP2O7,Na2CoP2O7,Na4Mn3(PO4)2P2O7,Na4Co3(PO4)2P2O7,Na4Ni3(PO4)2P2O7,NaFeSO4F,LiFeSO4F,NaMnSO4F,LiMnSO4F,Na2Fe2(SO4)3,Li2Fe2(SO4)3,Li2Fe(SO4)2,Na2FePO4F,Na2MnPO4F,Na2CoPO4F及びNa2NiPO4Fを有する金属含有化合物の製造のための、請求項1乃至13のいずれか一項に記載のソリッドステート方法。
- i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有化合物と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
の混合物を形成するステップを有する、金属含有化合物の製造のためのソリッドステート方法であって、
前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として、及び任意にはリンの供給源及び/又はアルカリ金属の供給源としても使用し;及びさらに
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される、ソリッドステート方法。 - 1以上の次亜リン酸塩含有材料を還元剤として及び任意にはリンの供給源及び/又はアルカリ金属の供給源としても使用するステップを有する、金属含有化合物の製造のためのソリッドステート方法であって、
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される、ソリッドステート方法。 - i)金属はマンガン,鉄,コバルト,ニッケル,銅,亜鉛,マグネシウム及びカルシウムから選択される、1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有化合物と、
ii)次亜リン酸イオンを有する1以上の材料を、還元剤として及び任意にはリンの供給源及び/又はアルカリ金属の供給源としても使用する、次亜リン酸イオンを有する1以上の材料と、
を有する反応混合物を形成するステップを有する、アルカリ金属リン酸塩含有化合物の製造のためのソリッドステート方法であって、
次亜リン酸イオンを有する材料の1以上は、還元剤として、及び任意にはリンの供給源及び/又はアルカリ金属の供給源としても使用し;及び
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される、ソリッドステート方法。 - アルカリ金属リン酸塩は一般式LiMPO4を有し、式中Mは、マンガン,鉄,コバルト,ニッケル,銅,亜鉛,マグネシウム及びカルシウムから選択された金属である、請求項17に記載のソリッドステート方法。
- i)LiH2PO4,Fe2O3,Li2CO3,Li2HPO4,LiOH,LiOH.H2O,Fe3O4,FePO4.xH2O,FePO4,Fe3(PO4)2,FeSO4.xH2O,Fe(NO3)3,Fe(CH3CO2)2,C6H8O7.xFe3+.yNH3(クエン酸鉄(III)アンモニウム),C6H5FeO7(クエン酸鉄(III))及びFe(C5H7O2)3(2,4−ペンタンジオナト鉄(III))から選択された1以上の金属含有前駆体化合物と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と、
の混合物を形成するステップを有するLiFePO4化合物の製造のための、請求項1乃至18のいずれか一項に記載のソリッドステート方法であって、
次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として使用する、ソリッドステート方法。 - i)NaH2PO4,Fe2O3,Na2CO3,Na2HPO4,NaOH,Fe3O4,FePO4.xH2O,FePO4,Fe3(PO4)2,FeSO4.xH2O,Fe(NO3)3,Fe(CH3CO2)2,C6H8O7.xFe3+.yNH3(クエン酸鉄(III)アンモニウム),C6H5FeO7(クエン酸鉄(III))及びFe(C5H7O2)3(2,4−ペンタンジオナト鉄(III))から選択された1以上の金属含有前駆体化合物と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と、
の混合物を形成するステップを有するNaFePO4化合物の製造のための、請求項1乃至17のいずれか一項に記載のソリッドステート方法であって、
次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として使用する、ソリッドステート方法。 - 以下のステップ:
a)i)1以上の金属含有前駆体化合物及び任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
を有する混合物を形成するステップと;
b)酸化雰囲気がない状態で前記混合物を加熱するステップと;
c)反応生成物を回収するステップと
を有する、請求項1乃至20のいずれか一項に記載のソリッドステート方法。 - 1以上の次亜リン酸塩含有材料は、次亜リン酸リチウム(LiH2PO2),次亜リン酸ナトリウム(NaH2PO2),次亜リン酸アンモニウム(NH4H2PO2)及び次亜リン酸(H3PO2)から選択された材料のいずれか1もしくは混合物を有する、請求項1乃至21のいずれか一項に記載のソリッドステート方法。
- 1以上の導電性材料の添加をさらに有する、請求項1乃至21のいずれか一項に記載のソリッドステート方法。
- a)請求項1乃至22のいずれか一項に記載の方法により製造された式AaMb(XcYd)eZfの化合物と、
b)1以上の導電性材料と
を有する組成物であって、
請求項1乃至23のいずれか一項に記載のソリッドステート方法の間、前記1以上の導電性材料の少なくとも一部は、その場で(in situ)形成される、組成物。 - その場で(in situ)形成された前記導電性材料の少なくとも1は、リンを有する、請求項24に記載の組成物。
- その場で(in situ)形成された前記導電性材料の少なくとも1は、遷移金属リン化物、非遷移金属リン化物、アルカリ土類金属リン化物及びメタロイドリン化物の1以上を有する、請求項25に記載の組成物。
- LiFePO4と、1以上のリン化物含有化合物を有する少なくとも1の導電性材料とを有する、請求項26に記載の組成物。
- LiFePO4とFe2Pとを有する請求項24乃至27のいずれか一項に記載の組成物であって、 1以上の金属含有化合物を還元する作用剤として1以上の次亜リン酸塩含有材料を使用するステップを有する方法の間、Fe2Pの少なくとも一部はその場で(in situ)で形成される、組成物。
- i)1以上の金属含有前駆体化合物、及び任意には1以上の非金属含有反応物質と、
ii)1以上の次亜リン酸塩含有材料と
を有する混合物を形成するステップを有する、式AaMb(XcYd)eZfの化合物と、1以上のリン含有導電性材料とを有する組成物を製造する方法であって、
前記次亜リン酸塩含有材料の1以上を、前記金属含有前駆体化合物の1以上を還元する作用剤として使用し;及び
当該方法は、酸化雰囲気がない状態で実施される、方法。 - 請求項24乃至28のいずれか一項に記載の組成物を有する電極。
- 請求項24乃至28のいずれか一項に記載の組成物を有する電極を含むエネルギー貯蔵デバイス。
- ナトリウムイオン及び/又はリチウムイオン及び/又はカリウムイオンセル;ナトリウム金属及び/又はリチウム金属及び/又はカリウム金属イオンセル;非水性電解質ナトリウムイオン及び/又はリチウムイオン及び/又はカリウムイオンセル;及び水性電解質ナトリウムイオン及び/又はリチウムイオン及び/又はカリウムイオンセルの1以上として使用のための、請求項31に記載のエネルギー貯蔵デバイス。
- 請求項24乃至28のいずれか一項に記載の組成物を含有する電極を有するバッテリー。
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