TW201201442A - Electrode material and use thereof for production of electrochemical cells - Google Patents
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201201442 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於通式(I)之化合物
AaMbPcOd (I) 其中該等變數各自係如以下定義: Μ為至少一種選自Co、Ni、Mn、Fe及Cr之過渡金屬, A為Li或LixNa〗-x,其中x係介於0·2至1.0之範圍内, a係介於3.5至4.5之範圍内, b係介於0.8至1.2之範圍内, c係介於1.8至2.2之範圍内及 d係介於7.2至8.8之範圍内。 本發明進一步係關於包括至少一種本發明電極材料之電 極。本發明進一步係關於包括至少一種本發明電極之電化 學電池。本發明進一步係關於適用於製備電化學電池之化 合物。 【先前技術】 具有與最大操作電壓耦合之高儲存容量之電化學電池越 來越具重要性。所期容量一般無法藉由基於含水系統工作 之電化學電池實現。 在链離子電池中,不是藉由呈或多或少水合形式之質子 而是藉由於非水性溶劑或非水性溶劑系統中之鋰離子來確 保電荷轉移。依據電極材料假設特殊作用。 自文獻中悉知之許多電極材料為鋰與一或多種過渡金屬 之混合氧化物;參見,例如us 2003/0087154。在電池之 156303.doc 201201442 充電狀態中,該等材料趨於分解並與電解質系統發生反 應,以致在許多情況下,最大充電電壓受到限制。此限制 對於電池之可實現能量密度具有不利效應。特別對於行動 應用而言’電池之高能量密度一般係有利的。 其他悉知之電極材料為具有橄欖石結構之通式LiMetp〇4 (Met=Fe、Μη ' Ni、Co)之鋰金屬磷酸鹽;參見,例如Ep 〇 904 607。然而,該等鋰金屬磷酸鹽具有低能量密度。 因此,已發現最初所定義之化合物,在本發明内容中, 其亦稱為本發明化合物或通式(I)之本發明化合物。 【發明内容】 在通式(I)之本發明化合物中
AaMbPc〇d (I) 該等變數各自係如以下定義: Μ 為至少一種選自Co、Ni、Μη、Fe及Cr之過渡金屬, 較佳為C 〇。 Α 係選自Li及LixNa〗_x,其中χ係介於〇 2至1 〇之範圍 内,較佳為0.2至0.99。 a 係介於3.5至4.5之範圍内,較佳為3·6至41及更佳為 4, b 係介於〇.8至i.2之範圍内,較佳為0.9至l.i及更佳為 1.0, c 係介於丨·8至2.2之範圍内,較佳為1.9至2.1及更佳為 2·0,及 d 係介於7.2至8.8之範圍内’較佳為7.6至8.2及更佳為 156303.doc 201201442 8.0。 在本發明之一較佳實施例中,d係c之4倍大。 在本發明之一實施例中,變數&至£1各係選擇如下: a=4,b=l,c=2及 d=8。 Μ可在不超過20莫耳%之範圍内,較佳在不超過⑺莫耳 %之範圍内經Ζη置換。在本發明之一實施例中,Μ係選自 C〇yZni.y ’其中y係介於〇_75至丨〇(例如,至〇99)之範圍 内。 在本發明之一實施例中,P係在不超過1〇莫耳%之範圍 内經B、Si或As(較佳經Si或B)置換。 在本發明之一實施例中,M之形式氧化態為+2。 在其中P係由Si置換之該等情況下,河之平均氧化態可 大於+2。 本發明化合物一般無法以撖欖石結構結晶 通式(I)之本發明化合物可以不同晶體多形體存在。特定 晶格之結構可藉由本身已知之方法(例如狀線繞射或電子 繞射)測定。 在本發明之-實施例中,通式⑴之本發明化合物係呈非 晶形粉末形式。在本發明之另-實施财,通式⑴之本發 明化合物係呈晶形粉末形式。 在本發明之—實施例中,依據電子顯微圖之評定所測, 通式⑴之本發明化合物係呈平均直徑(數量平均值)介於10 nm至200 μηΐ2範圍内 式0 較佳為20 nm至30 μπι之顆粒形 156303.doc
S -6 - 201201442 本發明化合物具有高能量密度且胜4 m 也復且特別適用於發明複合物 之製備及本發明電極之製備。 在本發明之-實施例中,通式⑴之本發明化合物係_ 導電碳質材料(B)之複合物%式存於本發明電極中。例 如,可例如利用導電碳質材料(B)塗覆來處理本發明電極 中之通式(I)之化合物。該等複合物同樣構成本發明之主旨 之部分。 9 導電碳質材料可選自,例如’石墨、碳黑、碳奈米管、 石墨烯或前述材料中至少兩者之混合物。在本發明内容 中’導電碳質材料亦可稱為導電碳質材料(B)或簡稱為^ (B) 〇 在本發明之一實施例中,導電碳質材料(B)為碳黑。例 如,妷黑可選自燈黑、爐黑、焰黑 '熱裂解碳黑、乙炔黑 及工業碳黑。碳黑可包含雜質,例如烴(尤其係芳族烴)、 或含氧化合物或含氧基團(例如此外,含硫-或鐵 雜質可能存於碳黑中。 在一種變體巾,導電碳質材料(Β)為經部分氧化之碳 在本發明之一實施例中,導電碳質材料(Β)包括碳奈米 管。本身悉知碳奈米管(簡稱為CNT)(例如單壁碳奈米管 (SW CNT)及較佳多壁碳奈米管(mw CNT))。其製法及一 二 I*生質例如由 A. Jess等人描述於 chemie Ingenieur Technik 2006, 78, 94至 100 中。 在本發明之一實施例中,碳奈米管具有介於〇 4至5〇 I56303.doc 201201442 nm(較佳1至25 nm)範圍内之直徑。 在本發明之一實施例中,碳奈米管具有介於1〇 〇〇1至1 mm(較佳1〇〇 nm至500 nm)範圍内之長度。 碳奈米管可藉由本身悉知之方法製得。例如,可使揮發 性碳化合物(例如甲烷或一氧化碳、乙炔或乙烯)或揮發性 碳化合物之混合物(例如合成氣體)在一或多種還原劑(例如 氫氣及/或另一種氣體(例如氮氣))之存在下分解。另一種 適且之氣體混合物為一氧化碳與乙烯之混合物。例如,用 於分解之適宜溫度係介於4〇〇至1〇〇(rc(較佳5〇〇至8〇〇。〇之 範圍内。例如,用於分解之適宜壓力條件係介於標準壓力 至100巴(較佳至10巴)之範圍内。 1列如 J衍疋S之在分解觸媒之存在或不存在下藉由利 用弧光燈分解含碳化合物來獲得單_或多壁碳奈米管。 在一實施例中,揮發性含碳化合物或含碳化合物之分解 係在分解觸媒(例如Fe、co或較佳Ni)之存在下進行。 在本發明内谷中,應明瞭石墨烯意指具有與單一石墨層 類似之結構之幾乎理想或理想之二維六方碳結晶。 在本發明之—實施例中,通式⑴化合物與碳⑻之重量 比係"於200.1至5:1(較佳1〇〇:1至1〇:1)之範圍内。 本發月之另態樣為包括至少一種通式(I)化合物、至少 -種導電碳質材料(B)及至少—種黏結劑(〇之電極。 X上描述了通式⑴化合物及導電碳質材料(B)。 適宜之黏結劑較佳係選自有機(共)聚合物。例如,適宜 (八)聚。物(即均聚物或共聚物)可選自可經陰離子、觸 I56303.doc 201201442 媒或自由基(共)聚合作用,特 丁二烯、聚苯乙稀及選自乙聚乙稀、聚丙稀腈、聚 選自乙烯、丙烯、苯乙烯、(曱基)丙 烯腈及1,3-丁二烯之至少兩種 (址)聚人物年體之共聚物獲得之 :上/物。聚丙稀亦為適宜的。此外,聚異戍二烯及聚 丙烯酸醋為適宜的。尤佳為聚丙稀腈。 在本發明内容中,應明瞭聚㈣腈不但意指聚丙稀腈均 W ㈣腈與13·τ二埽或苯乙烯之共聚物。 較佳為聚丙烯腈均聚物。 在本發月内谷中’應明瞭聚乙烯不但意指均聚乙烯,而 且意指乙稀之共聚物,盆M K . • 1 ,、取物其包含至少50莫耳%共聚合乙稀及 不超過50莫耳%之至少—種其他共聚單體,例如^稀煙(諸 如丙稀、丁浠(1_丁稀)、1_己稀、卜辛婦、i•癸稀十二 烯、1-戊稀)’亦及異丁稀、乙稀基芳族化合物(例如苯乙 烯)’亦及(甲基)丙稀酸、乙酸乙嫦酯、丙酸乙稀醋、(甲 土)丙烯燒基酯(尤其係丙烯酸甲酯、曱基丙烯 酸甲醋、丙稀酸乙酷、曱基丙烯酸乙醋、丙烯酸正丁醋、 丙稀酸2·乙基己㉜、f基丙烯酸正丁@|、f基丙埽酸2•乙 基己酿)’亦及馬來酸、馬來酸酐及衣康酸肝。聚乙稀可 為 HDPE 或 LDPE。 在本發明内容中,應明瞭聚丙烯不但意指均聚丙烯,而 且意指丙烯之共聚物,其包含至少5〇莫耳%之共聚合丙烯 及不超過50莫耳❶/。之至少一種其他共聚單體,例如乙烯及 α-烯烴(諸如丁烯、丨_己烯、丨_辛烯、丨_癸烯、卜十二烯及 1-戊烯)。聚丙烯較佳為等規或基本上等規聚丙烯。 J56303.doc 201201442 在本發明内容中,應明瞭聚苯乙烯不但意指笨乙烯之均 聚物,而且意指與丙烯腈、1,3-丁二烯、(曱基)丙烯酸、 (曱基)丙烯酸之Ci-Cio-烷基酯、二乙烯苯(尤其係1,3-二乙 稀苯)、1,2-二苯基乙烯及心曱基苯乙烯之共聚物。 另一較佳之黏結劑為聚丁二烯。 其他適宜之黏結劑係選自聚環氧乙烷(PEO)、纖維素、 羧甲基纖維素、聚醯亞胺及聚乙烯醇。 在本發明之一實施例中,黏結劑係選自具有介於50 〇〇〇 至1 000 〇〇〇 g/mol(較佳至5〇〇 〇〇〇 g/m0l)範圍内之平均分 子量Mw之該等(共)聚合物。 黏結劑(C)可為交聯或非交聯(共)聚合物。 在本發明之一尤佳實施例中,黏結劑(c)係選自鹵化(共) 聚合物,特別係選自氟化(共)聚合物。應明瞭南化或氟化 (共)聚合物意指包含至少一種每分子具有至少一個鹵原子 或至少一個氟原子(更佳地,每分子具有至少兩個函原子 或至少兩個氟原子)之(共)聚合(共)單體之該等(共)聚合 物。 實例為聚氣乙烯、聚偏二氣乙烯、聚四氟乙烯、聚偏二 氟乙烯(PVdF)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏二氟乙烯_ 六氟丙烯共聚物(PVdF-HFP)、偏二氟乙烯-四氟乙烯共聚 物、全氟炫基乙稀基喊共聚物、乙稀-四氟乙烯共聚物、 偏一氟乙烯-二氟氣乙烯共聚物及乙烯_氟氣乙烯共聚物。 適宜之黏結劑(C)尤其為聚乙烯醇及齒化(共)聚合物,例 如聚氣乙烯或聚偏二氣乙烯,尤其係氟化(共)聚合物(諸如 156303.doc
S -10- 201201442 聚氟乙烯及尤其係聚偏二氟乙烯及聚四氟乙稀)。 在本發明電極之一實施例中,例如,導電碳質材料(B) 係選自石墨、碳黑、碳奈米管、石墨烯或前述材料中至少 兩者之混合物。 在本發明之一實施例中,本發明電極材料包含: (A) 介於60至98重量%,較佳7〇至96重量%範圍内之通 式(I)化合物, (B) 介於1至20重量%,較佳2至15重量%範圍内之黏結 劑, (c)介於丨至25重量%,較佳2至2〇重量%範圍内之導電 峡質材料。 可在寬限度範圍内選擇本發明電極之幾何形狀。較佳係 將本發明電極組態成薄層,例如具有介於1〇 μηι(較佳20至130μπι)範圍内之厚度之層。 在本發明之-實施例中,本發明電極進—步包括羯(例 如金屬則尤其係紹㈣或可未經處理或㈣化之聚合物薄 膜(例如聚酯薄膜)。 本發明進-步提供-種本發明電極材料或本發明電極於 電化學電池中之践。本發明進一步提供一種採用本發明 電極材料或本發明電極製備電化學電池之方法。本發明進 一步提供包括至少-種本發明電極材料或至少_種本發明 電極之電化學電池。 根據定義’本發明電化學電池中之本發明電極係充者陰 極。本發明電化學電池包括反電極,其係定義為本發二 156303.doc 201201442 容中之陽極,且其可例如為碳陽極(尤其係石墨陽極)、裡 陽極、矽陽極或鈦酸鋰陽極。 本發明電化學電池可例如為電池組或蓄電池。 除了陽極及本發明電極之外,本發明電化學電池可包括 其他成分,例如導電鹽、非水性溶劑、分離器、例如由金 屬或合金製得之輸出導體亦及電纜連接及外殼。 在本發明之一實施例中,發明電池包含至少一種於室溫 下可為液態或固態之非水性溶劑,其較佳係選自聚合物、 環狀或非環狀醚、環狀及非環狀縮醛及環狀或非環狀有機 碳酸醋》 適宜聚合物之實例尤其為聚烷二醇,較佳為聚_C〗_C4-烷 二醇且尤其係聚乙二醇。此等聚乙二醇可包括不超過2〇莫 耳%之呈共聚合形式之一或多種Ci_C4_烷二醇。該等聚烷 二醇較佳為經甲基或乙基雙封端之聚烷二醇。 適宜聚烷二醇(且尤其適宜聚乙二醇)之分子量Mw可為至 少 400 g/mol ° 適宜聚烧二醇(且尤其適宜聚乙二醇)之分子量Mw可高達 5 000 000 g/mol,較佳高達2 〇〇〇 〇〇〇 g/rn〇i。 例如’適宜非環狀醚之實例為二異丙醚、二正丁醚、 1,2-二曱氧基乙烷、1,2-二乙氧基乙烷,較佳為12-二甲氧 基乙炫I。 適宜環狀趟之實例為四氫咬β南及1,4-二°惡烧。 例如’適宜非環狀縮醛之實例為二甲氧基曱烷、二乙氧 基曱烷、1,1-二甲氧基乙烷及1}1 •二乙氧基乙烷。 156303.doc -12- 201201442 適宜環狀縮醛之實例為1,3-二噁烷(且尤其係丨,3_二氧戊 環)。 適宜非環狀有機碳酸酯之實例為碳酸二甲酯、碳酸乙酯 甲酉旨及碳酸二乙醋。 適宜環狀有機碳酸酯之實例為通式(11)及(m)之化合物
其中R、R2及R3可相同或不同且係選自氫及Cl_c4烷基(例 如甲基、乙基、正丙基、異丙基、正丁基、異丁基、第二 丁基及第三丁基)’其中R2與R3較佳係不同時為第三丁 基。 在尤佳之實施例中,R1為甲基及R2與R3各為氫,或R1、 R2及R3各為氫。 另一種較佳環狀有機碳酸酯為碳酸伸乙烯酯(式(IV))。 Λ \=j 溶劑較佳係以所謂之無水狀態使用,即:具有可例如藉 由Karl Fischer滴定測得介於1 ppm至0.1重量%範圍内之水 156303.doc -13- 201201442 含量。 本發明電化學電池進一步包含一或多種導電鹽。適宜之 導電鹽尤其為鋰鹽。適宜鋰鹽之實例為LipF6、LiBF4、
LiCl〇4、LiAsF6、LiCF3S03、LiC(CnF2n+lS〇2)3、諸如
LiN(CnF2n+1S〇2)2之醯胺鐘(其中n為介於1至2〇範圍内之整 數)、LiN(S02F)2、Li2SiF6、LiSbF6、LiAlCl4,及通式 (CnF2n+iS〇2)mXLi之鹽,其係如以下定義: 當X係選自氧及硫時,m= i, 當X係選自氛及碟時,,及 當X係選自碳及矽時,m=3。 較佳之導電鹽係選自Lic(CF3S〇2)3、LiN(CF3S〇2)2、 L!PF6、L!BF4、LiC104,尤佳係選自 LipF6 及 UN (CF3S02)2 〇 在本發明之一實施例中,本發明電化學電池包含一或多 個電極藉由其機械分離之分離器。適宜之分離器為聚合物 薄膜(尤其係多孔聚合物薄膜),其對金屬鋰不具反應性。 用於分離器之特別適宜之材料為聚烯烴,尤其係呈薄膜形 式之多孔聚乙烯及呈薄膜形式之多孔聚丙烯。 由聚烯烴製得(尤其係由聚乙烯或聚丙烯製得)之分離器 可具有介於35至45。/。範圍内之孔隙率。例如,適宜之孔隙 直徑係介於30至5〇〇 nm範圍内。 在本發明之另一實施例中,分離器可選自經無機顆粒充 填之PET不織布。該等分離器可具有介於4()至训範圍内 之孔隙率。例如,適宜之孔隙直徑係介於8〇至75〇 nm範圍 156303.doc -14· 201201442 内。 本發明電化學電池進—步包括可具有任何所期形狀(例 如立方形或圓柱盤狀)之外殼。在一種變體中,所使用之 外设為稱為囊之金屬箔。 —本發明電化學電池可提供高電壓且值得一提的係高能量 後度及良好穩定性。 例如,本發明電化學電池可以串聯或並聯形式彼此組 5。串聯為較佳。 本發明進—步提供本發明電化學電池於單元中(尤其係 於=動單元中)之用途。行動單元之實例為機動車輛,例 如汽車、自行車、飛行器或諸如船隻或船艦之水上交通工 具。行動單元之其他實例為人工移動之彼等,例如電腦 (尤其係膝上型電腦)、電話或例如建築領域中之電動工具 (尤其係鑽機、電池供電鑽或電池供電釘機)。 〃 於單元中使用本發明電化學電池有在再充電之前之運行 時間較長之優點。若希望達到與具有較低能量密度之電化 學電池相同的運行時間,則電化學電池必須承受較大的重 量0 本發明進—步提供-種製備電極之方法,其包括: 以一或多個步驟使以下材料彼此混合·· (A)至少一種通式⑴之化合物
AaMbPc〇d (I) 其中該等變數各自係如以下定義: 為至/種選自co、Ni、Mn、Fe及Cr之過渡金屬, 156303.doc -15- 201201442 A 為Li或LixNa丨_x,其中x係介於0.2至1.0之範圍内, a 係介於3.5至4.5之範圍内, b 係介於0·8至1.2之範圍内, c 係介於1.8至2.2之範圍内及 d 係介於7·2至8.8之範圍内, (Β)至少一種導電碳質材料及 (C) 至少一種黏結劑, 然後’視需要將其等施用於 (D) 至少一金屬箔或聚合物薄膜。 以上已定義通式(I)化合物、導電碳質材料或碳(Β)及黏 結劑(C)。 此混合可以一或多個步驟實施。 在根據本發明方法之一種變體中,例如,通式⑴化合 物、碳(Β)及黏結劑(C)係在研磨機(尤其係球磨機)中以一 個步驟混合。隨後’可將可由此獲得之混合物以薄層形式 施覆至載體(例如金屬箔或聚合物薄膜(D))。於併入電化學 電池中之前或之時,可移除該載體。在其他變體中,保留 該載體。 在根據本發明方法之另一變體中,例如,通式⑴化合 物、故(B)及黏結劑(c)係在研磨機(尤其係球磨機)中以複 數個步驟混合。例如’可先將通式⑴化合物及碳(B)彼此 混合。接著與黏結劑(c)混合。隨後’將可由此獲得之混 合物以薄層形式施覆至載體(例如金屬箔或聚合物薄膜 (D))。於併入電化學電池中之前或之時,可移除該載體。 156303.doc 201201442 在其他變體中,並未移除該載體β 在根據本發明方法之一變體中,通式⑴化合物、碳(Β) 及黏結劑(C)係在水或有機溶劑(例如Ν-甲基吡咯啶酮或丙 綱)中混合。將可由此獲得之懸浮液以薄層形式施覆至載 體(例如金屬箔或聚合物薄膜(D)) ’然後藉由熱處理移除該 溶劑°於併入電化學電池中之前或之時,可移除該載體。 在其他變體中,並未移除該載體。 例如’本發明内容中之薄層可具有介於2 μιη至250 μιη範 圍内之厚度。 爲了改良機械穩定性,電極可經熱處理或較佳經機械處 理(例如壓製或壓延)。 在本發明之一實施例中,碳質導電層係藉由獲得包含至 少一種通式(I)化合物及至少一種碳質可熱分解化合物之混 合物’繼而使該混合物經歷熱分解而獲得。 在本發明之一實施例中,碳質導電層係藉由在合成通式 (I)化合物期間,存有至少一種碳質可熱分解化合物,該化 合物分解於該通式(I)化合物上形成碳質導電層而獲得》 根據本發明之方法極適用於製備本發明電極材料及可由 其獲得之電極。 本發明進一步提供包含至少一種通式(I)之化合物及至少 一種導電碳質材料(亦稱為碳(Β))之複合物:
AaMbPcOd (I) 其中該等變數各自係如以下定義: Μ 為至少一種選自c〇、Ni、Μη、Fe及Cr之過渡金屬, 156303.doc -17· 201201442 A為^或1^、,其中χ係介於〇之範圍内, a 係介於3.5至4.5之範圍内, b 係介於0.8至1.2之範圍内, c 係介於U至2.2之範圍内, d 係介於7.2至8.8之範圍内。 在發明複合物中,通式⑴化合物已(例如)經碳(B)塗佈處 理》 在本發明之一實施例中,發明複合物中之通式⑴化合物 及碳(B)係以介於98:1至12:5(較佳48:1至7:2)範圍内之重量 比存在。 發明複合物特別適用於製備本發明電極材料。以上描述 其製法且其同樣構成本發明主旨之一部分。 本發明進一步提供一種製備通式⑴之本發明化合物之方 法(亦稱為根據本發明之合成法)。根據本發明之合成法可 以使金屬Μ及Li之至少一種磷酸鹽、碳酸鹽或氧化物、及 視需要之其他化合物(例如構酸氫錄(尤其係(NH4)H2p〇44 (NH4)2HP〇4))彼此加熱達到700°C以上之溫度,例如於介於 800至l〇〇〇°C之間(較佳至95(TC)之溫度下之方式進行。此 加熱可於不存有溶劑下,例如在掛禍、安瓶、搜拌槽、高 壓釜或旋轉爐中實施。 在根據本發明合成法之另一實施例中,在實際加熱之 前,使金屬Μ及Li之至少一種破酸鹽、碳酸鹽或氧化物、 及視需要之其他化合物(例如磷酸氫銨(尤其係(ΝΗ4)Η2Ρ04 或(NH4)2HP〇4))在溶劑或溶劑混合物中彼此混合且加熱達 156303.doc •18- 201201442 之彼等,例如乙二醇 (DMSO) 到"於15〇至35()(:範_之溫度1著衫存有 熱達到幫以上之溫度,例如於介於_至刚代之間(較 佳至950 C)之溫度。有用之溶劑較佳為具有至μ代沸點 乙二醇、三乙二醇或二曱亞砜 夕irf?楚,/ft丨夕 一 在根據本發明合成法之一具體變體中,在實際加熱之 前’使金屬Μ及Li之至少—種磷酸鹽、碳酸鹽或氧化物、 及視需要之其他化合物(例㈣酸氫錢(尤其係'⑽眞叫 或(NH4)2HP〇4))在溶劑或溶劑混合物中且額外在二…三1 或聚羧酸(例如己二酸或尤其檸檬酸)存在下彼此混合。- 根據本發明之合成法可在保護性氣體下或在空氣下進 行。 根據本發明之合成法可在標準壓力下進行。在本發明之 另一實施例中,根據本發明之合成法可在介於“至^巴 範圍内之壓力下進行。在本發明之另一實施例中,根據本 發明之合成法可在減壓下(例如,在介於i毫巴至5〇〇毫巴 範圍内之壓力下)進行。 根據本發明合成法中之加熱可在總計丨至丨〇〇小時(較佳1 小時至24小時)之期間内進行。 於加熱之後,再次冷卻混合物。較佳係在1〇分鐘内例如 自7〇〇至1000°C快速冷卻至50至7〇t。冷卻速度越快,本 發明化合物越純。 【實施方式】 由工作實例例示本發明„ -Ϊ9- 156303.doc 201201442 使用材料: 導電碳質材料: 碳(B.1):碳黑,BET表面積為62 m2/g,以「Super P Li」購自Timcal 黏結劑(C.l):聚偏二氟乙烯(丸狀),以Solef® PVDF 1013購自 Solvay 〇 I.本發明化合物之製法 1.1本發明化合物(1.1)之製法 以CoC03、Li2C03及(NH4)2HP04作為反應物開始製得 Li4Co(P〇4)2。於瑪蹈研体中以1:2:2之莫耳比相互研製該等 反應物。將由此獲得之粉末引入氧化鋁坩堝中且在4〇〇。〇 下於空氣中加熱2小時(加熱速率150 K/h)。將所得材料在 瑪瑙研缽中研製且使用粉末來製備壓製盤(丨g材料/盤)。 將該等盤引入氧化鋁坩堝中且在9〇〇 t:下於空氣中加熱12 小時(加熱速率150 K/h)。隨後,自900°C之爐中移出該氧 化鋁坩堝且在使其數分鐘内冷卻至室溫。粉碎該等盤。如 此獲得之粉末為深藍色。藉由粉末之X射線繞射圖(Cu_Kai 輻射)’可識別本發明化合物(Ι·1)為Li4Co(P〇4)2。 1.2本發明化合物(1_2)之製法 以c〇o及LiAO7作為反應物開始製得Li4C〇(p〇4)2。於瑪 瑙研缽中以1:1之莫耳比相互研製該等反應物。使用由此 獲得之粉末來製備藉由熔融密封於抽真空石英玻璃安瓿 (15 cm3)中之壓製棒狀物並將其引入單區爐中。將該石英 玻璃安瓿於850°C下加熱72小時,然後自該爐中移出,繼 156303.doc -20· 201201442 而在數分鐘内冷卻至室温。粉碎該壓製棒狀物。如此獲得 之粉末為深藍色。藉由粉末之X射線繞射圖(Cu-Kal輻 射),可識別本發明化合物(1.2)為Li4Co(P04)2。 1.3經LiCoP04污染之本發明化合物(1.2)之製法
Li4Co(P04)2之一種替代性製法係由CoO及Li4P2〇7作為反 應物開始。使該等反應物懸浮於乙二醇與檸檬酸(40:60 份’按重量計)之混合物中。隨後將由此獲得之懸浮液加 熱達250 °C直到形成棕色、焦糖狀殘餘物。於瑪蹈研蛛中 研製此殘餘物,然後於一側打開之石英玻璃安瓿中在 3 50°C下於空氣中加熱24小時且然後在85(TC下加熱72小 時。然後自爐中移出該安瓿且在數分鐘内冷卻至室溫。存 於該安瓿中之粉末為深藍色。藉由粉末之X射線繞射圖 (Cu-Kal輻射),識別Li4Co(P04)2為主要相及LiCoP04為次 要相(約5%)。 1.4本發明化合物(1.3)之製法 由 CoC03、ZnO、Li2C03及(NH4)2HP〇4 為反應物開始 製備Li4Co〇.8Zn〇.2(P〇4)2。於瑪堪研蛛中以〇.8·〇 2.2.2之莫 耳比相互研製該等反應物。將由此獲得之粉末引入氧化鋁 掛渴中且在400°C下於空氣中加熱2小時(加熱速率1 5〇 K/h)。將所得材料在瑪瑙研缽中研製且使用由此獲得之粉 末來製備壓製盤(1 g材料/盤)。將該等壓製盤引入氧化銘 掛禍中且在90(TC下於空氣中加熱12小時(加熱速率15〇 κ/h)。隨後’將該氧化銘掛堝自90(rc之爐中移出且使該 等壓製盤在數分鐘内冷卻至室溫。粉碎該等壓製盤。如此 156303.doc 201201442 獲得之粉末為深藍色。藉由粉末之X射線繞射圖(Cu-Kal輻 射广可識別本發明化合物^…為以^❶“乙^〆?。*、。 1.5本發明化合物(1.4)之製法 由 CoC03、Li2C03、Na2C03及(NH4)2HP〇4作為反應物開 始製備1^3."3〇.4(:〇(?04)2。於瑪瑙研缽中以1:1.8:0.2:2之 莫耳比相互研製該等反應物》將由此獲得之粉末引入氧化 鋁坩堝中且在40(TC下於空氣中加熱2小時(加熱速率150 K/h) »將由此形成之材料在瑪瑙研缽中研製且使用所得粉 末來製備壓製盤(1 g材料/盤)。將該等壓製盤引入氧化鋁 坩堝中且在900°C下於空氣中加熱12小時(加熱速率150 K/h) »隨後’自900°C之爐中移出該坩堝且使該等盤在數 分鐘内冷卻至室溫。粉碎該等盤。如此獲得之粉末為深藍 色。藉由粉末之X射線繞射圖(Cu-Kal賴射),可識別本發 明化合物(Ι·4)為 Li3.6Na〇.4Co(P04)2。 1.6本發明化合物(1.5)之製法 由 C〇C03、Li2C03、Na2C03及(NH4)2HP04作為反應物開 始氣備LiNa3Co(PO4)2。於瑪蹈研蛛中以I:0 5·l 5·2之莫耳 比相互研製該等反應物。將由此獲得之粉末引入氧化鋁坩 堝中且在400°C下於空氣中加熱2小時(加熱速率丨5〇 K/h)。 將由此形成之材料在瑪瑙研缽中研製且使用所得粉末來製 備壓製盤(1 g材料/盤)。將該等壓製盤引入氧化鋁坩堝中 且在60〇t下於空氣中加熱12小時(加熱速率15〇 K/h)。隨 後,自鐵之爐中移出該时禍且使該等盤在數分鐘内冷 卻至室溫。粉碎該等盤。存有之粉末為亮藍色。藉由粉末 156303.doc -22· 201201442 之X射線繞射圖(Cu-Kcxl輻射),可識別本發明化合物(j 5) 為 LiNa3Co(P04)2。 II.採用實例Ι·1中之Li4C〇(P〇4)2之實例製造本發明之電化 學電池 Π.1發明陰極(電極)之製法 後文中所述之電極製法均係在以氬氣作為保護性氣體及 排除水及氧氣之惰性氣體手套箱中進行。 在瑪瑙研缽中使48 mg之實例〗〗之Li4C〇(p〇4)2之粉末與 6 mg(B.l)及6 mg(C.l)混合,且利用研杵碾碎1〇分鐘。此 舉得到混合物。爲製備電極’將該混合物壓製於鋁網格 (標稱孔徑:0.11 _,線徑:0」mm)上(壓力=5 〇。然 後於95 Cf,將由此獲得之電極儲存於真空乾燥箱中歷 時24小時《此舉得到本發明電極。 II.2本發明電化學電池之製法 在本發明電化學電池之組件中,根據圖1中之示意圖, 將其自底部向上裝配在一起。在圖i中,陽極侧位於頂 部’陰極側位於底部。 標記含義: 1,1'模頭 2, 2’螺帽 3’ 3雄、封環—在各情況下有兩個,此處並沒有出示在各 況下稍小之第二密封環 4盤簧 5鎳輸出導體 156303.doc -23- 201201442 6外殼 將已壓製於鋁網格上並乾燥之陰極材料施覆至陰極倩 之模頭1,。隨後將兩個玻璃纖維分離器側上 、子沒υ.5 mm)置於 該鋁網格上。將電解質施覆至該等分離 、 且再係由溶於 碳酸乙二酯及碳酸二甲酯(質量比為丨 、 上 之1 M LiPF6組 成。所使用之陽極為已置於浸潰分離器 丄心兀素鋰之箔 (厚度0.5 mm)。所使用之輸出導體為直接施用至鋰之鎳 板》隨後,將該組件螺栓在一起。藉由鋼板彈簧,及藉由 陽極模頭之螺旋連接所產生之壓力,確保電接觸。 此得到本發明之電化學電池Ez. 1。 II-3本發明電化學電池EZ.1之特徵 電化學特徵化係藉由獲自Bio_L〇gic SAS,aaix,卜anee 之VMP3穩壓器進行。使本發明之電化學電池ezi在環境 控制箱中平衡至25。〇。 所採用之電化學表徵法為一種稱為ριττ(恒電位間歇滴 疋技術)之方法。在該方法中,電壓並非係以固定時間間 隔增加,反而,每個電位步進之時間係藉由極限電流 疋義。若電流降至低於“ m ,則使電位增加ΔΕ。在選擇充 分小的極限電流之情況中,對照循環伏安法,該測量原理 可相對準確地測得具有緩慢動力之電極製程之氧化還原電 位。藉由最大值,考量每個電位步進流過之電荷的量dq顯 示發生氧化及還原過程之電位。 研究各情況下兩個本發明電池EZ. 1之第一次充電及放電 操作。相對於鋰所施加之電位係在3. 〇 V與5 2 V之間變 156303.doc
S -24· 201201442 化。將I極限設定至5.25 μΑ。 對於EZ.i ’在充電循環及放電循環兩者中,在介於45 V與5.0 V之間之區域内觀察電化學操作。 【圖式簡單說明】 圖1用於測試本發明電極之經拆卸之電化學電池之示音 圖。 【主要元件符號說明】 1,Γ 模頭 2, 2' 螺母 3, 3, 密封環 4 盤簧 5 鎳輸出導體 6 外殼 156303.doc -25-
Claims (1)
- 201201442 七、申請專利範圍: 1· 一種通式(I)之化合物 AaMbPc〇d (I) 其中該等變數各自係如以下定義: Μ 為至少一種選自Co、Ni、Μη、Fe及Cr之過渡金 屬, A 為Li或LixNai_x,其中x係介於0.2至1.0之範圍内, a 係介於3.5至4.5之範圍内, b 係介於0·8至1.2之範圍内, c 係介於1.8至2.2之範圍内及 d 係介於7.2至8.8之範圍内。 2. 如請求項丨之化合物,其中a在不超過10莫耳%之範圍内 經K、Be、Mg或Ca置換。 3. 如請求項1或2之化合物,其中該等變數各自係選擇如 下· a=4,b=l,c=2及 d==8。 4. 如請求項1或2之化合物,其中Μ在不超過20莫耳%之範 圍内經Ζη置換》 5·如請求項1或2之化合物,其中Μ係選自C〇yZni-y,其中y 係介於0.75至ΐ·〇之範圍内。 6.如明求項1或2之化合物,其中p在不超過1〇莫耳%之範圍 内經B、Si或As置換。 7· 一種電極’.其包括至少一種如請求項丨至6中任一項之化 至少一種導電碳質材料及至少一種黏結劑。 8·如凊求項7之電極,其中該導電碳質材料係選自石墨、 156303.doc 201201442 碳黑、碳奈米管、 物。 石墨稀或前述材料中至少 兩者之混合 9. 一種如請求項1至6中任-項之化合物或如請求項7或8之 電極於電化學電池中之用途。 種使用至少一種如請求項⑴中任一項之化合物或如 凊求項7或8之電極製備電化學電池之方法。 11·:種使用至少一種如請求項…中任一項之化合物或如 請求項7或8之電極製備電極之方法。 項之化合物或如請求項7或8之電極。 12. —種電化學電池,其包括至少一種如請求項1 13. -種將如請求項12之電化學電池作為行動單元之電源之 用途。 M.如請求項13之電化學電池之用途,其中該行動單元為汽 車、自行車、飛行器、電腦、電話或電動工具。 15. —種製備電極之方法,其包括 於一或多個步驟中使以下材料彼此混合: (A)至少一種通式(I)之化合物 AaMbPc〇d (I) 其中該等變數各自係如以下定義: Μ為至少一種選自Co、Ni、Μη、Fe及Cr之過渡金 屬, A為,其中x係介於〇·2至1.0之範圍内, a 係介於3.5至4.5之範圍内, b 係介於〇·8至1.2之範圍内, 156303.doc 201201442 C 係介於1.8至2.2之範圍内及 d 係介於7.2至8.8之範圍内, (B) 至少一種導電碳質材料及 (C) 至少一種黏結劑, 然後視需要將其等施用於 (D) 至少一金屬猪或聚合物薄膜。 16. —種複合物,其包含: (A) 至少一種通式(I)之化合物 AaMbPcOd (I) 其中該等變數各自係如以下定義: Μ 為至少一種選自Co、Ni、Mn、Fe及Cr之過渡金 屬, A 為Li或LixNaNx,其中X係介於0.2至1.0之範圍内, a 係介於3.5至4.5之範圍内, b 係介於0.8至1.2之範圍内, c 係介於1.8至2.2之範圍内及 d 係介於7.2至8.8之範圍内,及 (B) 至少一種導電碳質材料。 156303.doc
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