TW522598B - Nickel hydroxide electrode material and method for making the same - Google Patents
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Description
522598
相關申請案之參考 本發明為下列共待審美國專利申請案之部份連 二·〇9„477,其標題為”顯示經改良導電性與經設計活化 月b之虱乳化鎳正極材料",由Fierr〇等人於丨"8年8月Η曰提 5出巾言青;及S.N._35,460,其標題為"複合正極材料及其製造 方法”,由Fetcenko等人於I"8年8月1?日提出申請。 發明背景 L 發明範圍 本發明係關於活性多層正極材料。更特定言之,本發明 ίο係關於多層氫氧化鎳粒子及其製造方法。 x II·先前技藝之描述 目妯仍需要具有增強粒子内性質(譬如循環壽命、導電性 及經改良高溫性能而不會降低電容)之氫氧化鎳粉末,其 發明迄今尚未被下文所討論之參考資料提出或獲得。八 15 氫氧化鎳係在數種類型之電池組系統中作為活性正極材 料使用,且多年來已為市購可得。兩種類型之電池組系統 包括而毒性Ni-Cd (鎳編)類型和較理想之Ni_MH (鎳金屬氯化 物)類型。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
Ni-MH電池係利用一種能夠可逆電化學儲氫之負極。. 2〇 MH笔池採用以氲氧化錄材料製成之正極。負極盘正極係 在驗性電解質中被隔開。當橫越Ni-MH電池施加電壓時, 負極之Ni-MH材料係藉氫之電化學吸收與氫氧離子之電化 學放電而被充電。此負極反應係為可逆的,如反應式1所 示0 -3 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(2〗0 X 297公釐) 五 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 、發明說明( ⑴·· M + H2 O + e- <------> M-H + 〇H- 電^放電時’所儲存之氫被釋出而形成水分子並釋出一個 在氫氧化鎳正極上發生之反應係示於反應式2中。 (2) : Ni(OH)2 + OH·〈…->NiOOH + H2 〇 + e- 例=;6作曰為電池組正極材料之用途係普遍已知。參閱 1 m 頒予0vshinsky等人之美國專利5,523,182, ,、不4為用於鹼性可再充電式電化學電池之 正極材料”,其揭示内容係併於本文供參考。I飞乳化 氫化/勿電池組典型上為受限之正極材料或偏加之 ,。这意謂比活性正極材料更多之活性負極材料存 ::電池中。使電池組負性偏加…,係為預防在過度 充U間對活性負極材料之損害。使未經偏加之錄金 =池=充電,會產生可氧化並腐㈣極金屬之競 應。所k成之腐蝕並非可逆的,因此過度充電會永久 地抽ΐ活性負極材料。由於電池係偏加負極材料,故電池 之電容係藉由所存在活性正極材料之電容測定。此活性正 極材料係對電池組增添可觀量之重量。藉由改良活性正極 材料之電容,每個電池需要較少正極材料,於是減少整 電池組之重量。 正 目丽有數種正極形式存在,包括經燒結、發泡及糊封 電極類型。製造正極之方法係為此項技藝中—般已知的 參閱例如頒予Ovshinsky等人之美國專利5,344,728,其揭示 谷係併於本文供參考,其中係報告超過“Ο毫安培小時 事 鎳 個 之 内 立 頁 -4- ‘紙張尺度適用中關家標準(CNS)A4規格⑵Q χ挪公髮) 五、發明說明(3 衝擊。彳“Ί使用之特定方法可能對電極性能有顯著 時,習用f燒結電極通常具有約480-500毫安培小 泠 .公分之能量密度。經燒結正極係經由將鉾於^ 塗敷於鑛鎳鋼基底,接著在高溫下燒“;:將 -η";:: ^ 溶液中,接著經丄金屬===之酸性 、桌於改>貝後’使該材料接受電化學形成作用。 而朝Ϊ = 之負載量,目前趨勢已遠離經燒結正極 或 此 其 而朝向I糊封電極。經糊封電極 不 15 20 可利用石墨作為微導體,及錄電極1 形氯氧::::隙度、導電性_維或錄發泡載體… 成,言,氫氧化鎳係利用沉澱法襲 ㈣鎳鹽溶液錢氧化物鹽溶液混合在
===殿r性氯氧化鎳材料較佳係具有J 5 3= 1Γ 閱頒予㈣喻等人之美國專利 ,,822’其揭示内容係併於本文供參考。 心 為製造高密度,實質上球形粒子 控制之處理條件下相對較徐緩地生長。使 -5- x 297公釐) 本紙張尺度適用中國i^^-(CNS)A4規格^ 522598 五、發明說明(4 ) 10 15 20 鎳鹽與銨離子結合。該鎳鹽會與氨形成錯離子,其中係添 加苛性驗。然後藉鎳銨錯合物之分解而逐漸沉殿出氫氧化 鎳。其反應速率難以控制,因此已將一些方法引用至製造 私序之個別關鍵反應步驟中,藉以彌補該困難。例如,在 :3/12/%頒予Shin之美國專利Μ98,3,其標題為,,製備用於鹼 生可再充電式電池組之高密度氫氧化鎳之方法,,,其揭示内 =係併於本文供參考,揭示一種使用個別或隔離之胺反應 态,由硫酸鎳溶液製備氫氧化鎳之方法。硫酸鎳係在隔離 之胺反應器中與氫氧化銨混合,以形成鎳銨錯合物。將此 錄,錯合物自反應器中移出,並送至第二個混合容器或反 應為,於此處使其與氫氧化鈉溶液合併,以獲得氫氧化鎳 。此種方法係沉重地依賴極高純度之原料來源。 對虱氧化鎳材料之改良事項,於近年來已受到顯著注意 ,如可自下列專利所見及者。 “ Η 19卯年1月I9日頒予(^订^肪等人之美國專利5,801,225,其標 :/、有夕重複5氫氧化鎳活性材料之鎳電池組電極”, 揭示一種氫氧化鎳材料,其具有不同氧化還原電位之不連 々層’藉由迫使該材料逐步放電以避免使活性材料區域絕 緣而改良活性材料之利用性。 I"6年6月4曰頒予0vshinsky等人之美國專利5 523 182,並 用於鹼性可再充電式電化學電池之增強氫氧化鎳正 二ί斗肖不—種在正極材料四周形成之氫氧化钻層或氫 乳化减包封層。該專述對富含狀外部塗層之希求。 頒予Shin等人之美國專利5_ 269揭示一種雙層线化鎳 -6 - 公釐) 本紙張尺度翻鮮(CNSM4規格⑵f 五、發明說明(5 ) 15 材料’其具有-種具高銘濃度之薄外殼。喷塗程序提供且 有超過10重量%銘之薄層材料,且其係小於總f量之π 。於Shin中使用之製程條^即之㈣莫耳/升刪^七0 莫耳/升之氫氧化銨及5_8莫耳/升之Na〇H,並不適人 商業化製程,且會產生過量廢料,同時使得足夠敲緊^ 之達成實際上為不可能。雖然可能普遍已知要具有高= 性材料之薄外層’但此項技藝在陳述或提出對此等揭示 供改良之配方上’尚未有進一步進展。因此,㈣除了藉 由調整外層以達到薄而高料度之外,確實幾乎未提出^ 何利益’也未使此項技藝有所進展’如關於增進材料性能 =面’譬如循環壽命或電容’其在上述已歸屬於本發明讓 文人之美國專利5,523,182中早有陳述。再者,_對於使用 超過-層兩元素外層,並未提出任何利益。此外,swn製 程並不適於使Ca沉積在外層中,此係由於伴隨細η預製 胺反應㈣統之過早沉殿問題所致。因此,獅並未 關於Ca之生效揭示内容。 美國專利5,611,823,其標題為"製造電池組電極之方法", 揭示一種經由以錄塗覆金屬氫氧化物或金屬氧化物粉末之 非導電性至低導電性粒子所製成之電化學活性材料,以增 強粒子之導電性,使用起始敏化溶液進行。 曰 ^如可於上述揭示内容中所見及者,已將薄外層添加至 虱虱化鎳粒子上,以改良粒子對粒子之交互作用。但是, P使在此活性正極材料之高度擁擠領域中,現代 材料已無法遞送為可再充電式電池組進一步發展所需之必 20 A7五、發明說明(6 ) B7 15 20 要的粒子内高儲存容 _ 循環壽命材料。s❸皿^、兩速率、低成本、長 ^ 發明摘述 5供為t求解決上文所提及之缺失及其他方面,本發明传提 經改良之活性: 種材料四周之材料;及經配置於第一 料呈有之質H 極材料,該第二種活性正極材 貝里為、、心粒子質量之10 %或以上。 在有關於此之一較佳方面中,-"卜層部份延伸至第二種材料最内有 解質與第—種活性材料之間提供離伟心在電 第㈣财’活性正極粒子為具有 # /性虱虱化鎳材料與配置於第一種材料四周 ==_之氫氧化鎳粒子,其二 乳錦材料具有之質量為粒子質量之至少10%。 在本發明之另-個較佳具體實施例中,第 二種材料具有不同但類似之組成,其中組成 至Ί 子%且更佳為1至18原子%。 〜、至25原 在有關於此之第三個較佳具體實施 有增強導電性之如上述正極微粒子,其中第 -種活性材料或兩者具有包埋之金屬導電材料。 $弟 在有關於此之第四個較佳具體實施例中,Α 上述之多組成正極微粒子,苴中第_ : /、種如 命大於第-種或内部材料之外部材第^種材料為具有循環壽 事 i 訂 線 -8 - 本紙張尺度適用t 驛標準(CNS)A4規袼⑵G χ撕公爱 1 五、發明說明(7 ) 之方面’係提供製造多組成氫氧化錄材料 段滞留時間,料暴露於沉嶋歷經-%粒子質量之=在晶種上提供-層質量為至少丨。 池 體 5組發I粒子結合以形成粉末’供使用於電化學電 二包W 。4更完全瞭解本發明,ί見在參考下文較佳呈 貫施例之詳細說明及所伴隨之附圖。亏下文較 附圖簡述 Κ)圖圖1 及為根據本發明之經包封氫氧化鎳電極材料之橫截面 圖2為製造根據本發明粒子方法之程序圖。 較佳具體實施例之詳述 成地參考W1’s中描緣於110處者為活性多組 15於第-種;子’其ΐ有第—種活性正極材料112 ;及配置 性正極材料周之第二種活性正極材料114,該第二種活 "+ /、有之質量為總粒子質量之至少10 %。如下文 夕 予储存4 S給活性多組成粒子。 20 末,供^本^ ^之多組成活性正極粒子可被堆積形成粉 金屬尋化所有類型之正極電池組電極中,但在用於鎳 即雇二而4 /也組之經糊封型正極電池組電極中可見到立 合;,該二需:Ϊ正。可將此粉末與其他電池組電極添加劑 口 Μ 4、ϋ背丨中有許多係為習用且為此項技藝中一妒ρ 知包括铦與風氧化結粉末、黏合劑、金屬與金屬氧化物 氏張尺錢财— A7 B7 五 、發明說明(8 15 20 況 粉末、氫氧化鈣粉末等。 之:=組成粒子刚較佳為實質上球形,具有約“Ο微米 佳係呈古小’且更佳為具有約8_12微米之大小。此粒子較 方t U克/立方公分之視密度,與約I切克/立 Ρ 敲Ή) °以此等活性粒子種類製成之糊劑且有 ,於是便能夠由其製造高電容、均勾 之=電:=種類之使用亦會改良活性㈣ ϋ述’粒子具有第一種電化學活性正極材料與配置於 四周之第二種電化學活性正極材料。第一種=材:而第二種活性材料為相對於第一種材料之外部粒指第-種與第二種_ 對定位。 、疋 < ,而未必為粒子四周之相 為料:佳為電,學活性核芯材料。若第-種材料 材心亦纟、1此核忍為總粒子質量之至多90%。第一種 為活性外部核芯材料,當第—種材料圍繞另 成一層時’例如另-種活性核芯材料、- 7核心(如在下文中更詳細討論者)等,即可能是此種 3 頁 線 種 情 第二種材料係配置於第一插 靜/ 材#四周,且可以—層完全 : 才料。第二種材料較佳為粒子之最外層材料, 思即外皮,其可包封戋實質 θ ’、 者。於任一产πΦ货 匕封该粒子與第一種材料兩 、 月/中,苐一種材料較佳係鄰接第一種材料, h張尺細中國 iii^7CNS)A4 五、發明說明(9 ) 不同活性材料之複合粒子。第二 為在顯微鏡之不連續層。不連續層 。因此’内部材料與外部材料不會實“开層:::-些層 5,即使活性材料間之邊界可能為組成:二=炫體 散亦然。 取足漸-人變化濃度或擴 第二種活性材料具有足以改變聚 ,增強利用性及提供可觀量;電質, Η圭為總粒子質量 活性材料之質量較 至少40〇/々 % ’更佳為至少30%’且最佳為 =量;較編 質量:等於總粒子質量之噴更多之 、 種材料為外部核芯,則第一猶好祖曰 15 =為:子質量之60%至90%。在有關於此之二佳: 體A例中,第-種或内部材料 45%至導且第二種或外部材料… 之40%至55% 1如 L有貝置為總粒子質量 活性外❹^ 子為—種具有導電金屬核芯、 及活性包封材料之複合粒子,則導電核 二粒總粒子f量之5% ’活性外部核芯材料可構 之:餘心Si及活性包封材料可構成總粒子質量 本發明f立子0开3有此之另一個較佳具體實施例中,以 質量粉末具有平均f量為45%至㈣總粒子 1二ΐ量=内部材料,且具有平均質量為龜㈣ 里一種或外部材料。使各活性材料具有大質 20 522598 A7 Β7 五、發明說明(1〇 ) 10 15 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 ί 社 印 製 20 量,會增強粒子内電化學儲存容量。 第-種與第二種活性材料較佳為適用於鎳金屬氫化物電 池組正極之鎳氫氧化物。第i種材料較佳係具有-種呈可 觀量之電化學儲存容量之組成,例如具有至少,更 佳為至少88%Ni ’ |最佳為至少9()%沖之氫氧化錄材料。 第一種與第二種活性材料較佳係具有特徵為基本式沖χ之 金屬組成,其中X為三種或更多種選自包括A1、Ba、b;、xca 、Cr、C〇、Cu、F、Fe、In、κ、u、u、吨 m Sy、Sn、Sr、Ti及〜之改質劑。此等元素可各以原子%或 車乂 >之置,更佳係以9原子%或較少之量,且最佳係以7原 子%或較少之量,存在於固熔體中。χ較佳為三種或更多 種選自包括Co、Zn、Mg、Ca、Mn、Cu、Fe&A1之改質劑, 及 a 為 85 至 98 且 a+x=l〇〇。 較佳經多70素改質之氫氧化鎳材料具有内部與外部活性 材料組成,選自下列基本組成: μ 彳 • (NiCo)(OH)2 • (NiCoZn)(OH)2 • (NiCoZnMgCa)(OH)2 • (NiCoZnMnMgCa)(OH)2 • (NiCoZnMgCaCuMn)(OH)2 〇 鈣與鎂合併鈷與辞係為最佳改質劑。咸信。與^^當各以 2原子%或較少之濃度,更佳係以⑸至〕原子%且^佳以 ο.25至I.75之濃度存在於固熔體中時,係伴隨0〇與211協同地 作用’以增強各種粒子内電化學性質之作用。 項 線 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 五、發明說明(11 ) 亦可在本發明活性複合粒子中 討論於美國專利5,348,822及妓審用之組成物,包括 _35,477與_華之中者H㈣專利中請案序號 考。具有不同組成且可應用於:===參 5,其實例包括上文於背景及其他部份中所心,材料 國專利案號5,523,182 ; 5,348,822 ; 5·344,728 田 L者’匕括吴 示内容係併於本文供參考。 ,,6,019,955,其揭 根據本發明較佳具體實施 第二種材料之最外層部份延卜具有許多從 在電解質與第一種或内部活性曰^之通道’用以 通道可為任何形狀,包括圓形、橢_、供離t輸送。該 通道較佳係具有35埃式如4* ^ 不對稱等。此等 係婉由’多^、㈣Λ t平均孔隙半徑。因此,通道 二材料之外表面延心 15 子輸送之大小。通道可藉=1與種=之提供離 成且以下述方法製成之外部活性材料來形成。1車乂佳組 較佳具體實施例之一個重… 顯著不同卻猶微類似之組成 二目鄰活性材料具有 材料組成有小但不可忽視ί之使内部材料組成與外部 學性質增強而不會降低聚:物。,可使内部材料之電化 料可以外部組成調:質外部材 最大程度,而内部材料可貝如间循%哥命達到 性質如高溫性能達到最大程度以使第二種 到高溫性能可粗估為第一種與第:;二=發: 20 五、發明說明(12) 料主導。由於外部材料為具有大質量 高溫性能可由粒子二二性材料’故内部材料之 性質_ 定之第-種電化學 性見一:=二:二發明所獲致之關鍵 :,或:為敘述目的起與本表 =之發明人已發現和时知識矛盾的是,循
ΐ二外,層"組成與結構所主導,而高溫性能則為兩J ί=;化平均。因此,關鍵性見解並非可形成兩層ΐ 多層活性㈣,q提供達最佳化㈣之設計原理。 微類t述於::性材料組成上之差異較佳係顯著不同卻稍 显/。。且成間之差異可經由計算材料間金屬組成之差 /、如何’或於本文中所稱之組成差是多少來決定,並以原 子%度量。雖然不想被理論所束缚,但 得增強作用所提出之一種理由,係歸因於避免丄邊= 效應。不利邊界效應可包括抑制活性材料間之離子擴散或 第一種材料具有之金屬組成,其特徵為 Nla(BbCcDdEe,...Mm) ’其中&為85至98原子%,^^至爪各為〇 至15原子%’& + 5 +。+ (^+... + 111=1〇〇原子%; 第二種材料具有之金屬組成,其特徵為 522598 A7 B7 五、發明說明(13 ) 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 说^队,(^,〇01%,,〜]^,),其中&丨為85至98原子%,1),至111,各 為〇 至 15 原子 % ’ a’ + b’ + c+d1 + e’ +…+ m’=l〇〇 原子 % ·其中B、C、D、E…Μ為選自包括Ai、Bi、Ca、c〇、〇、cu 、Fe、In、La、稀土 金属、Mg、Mn、RU、Sb、Sn、Ti、Zn、Ba 、Si及Sr之改質劑;且其中 1 原子 % $ |a-a’|+ |b-b’|+ |c-cf|+ |d-d,|+ |e-e,|+".+|m-m,| g 25 原子 %。 一 ’、 係數a至m’表示所存在相應元素之原子%。係數1^至以及 b’至m’各為0至15原子%,且較佳為〇至9原子%。改質劑b 、C、D、E專…較佳係選自包括c〇、Zn、Mg、Ca、Mn、Cu、 Fe及Al。更佳情況是,改質劑B、c、D&E係分別為〜、办 、Mg及Ca ;以及 3^b^9 ; 3^b'^9 ; 7 ; cf^ 7 ; 0.25^ 2 ; 0.25^(1^2 ; 0.25 $ e $ 2 ; 0.25 $ e’ $ 2,其中 a+b+c+d=100 原子% 且 a’+b’+c’+c^lOO 原子 %。 具有組成差為1至25,較佳為1至18,更佳為丨至16且最 佳為2至13之活性材料之粒子,將具有經改良之粒子間電 化车活性’然而在組成上又足夠類似以提供增強之粒子内 電化學活性。 較佳内部材料之實例包括具有下列金屬組成之鎳氫氧化物· Ni9 1 Co4 5 Zn4 5、Ni9 ! Co7 Zn〇 5 Mg〇 5 Ca!、 Ni93 5 Co5Zn〇 5Mg〇 5Ca〇 5 ^ Ni9 j Co3 Zni Mgj Ca2 Cu2 ^ -15- Μ氏張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 x 297公釐) 請 先 閱 讀 背 面, 之 注 意 事 項 再
頁 I 訂 522598 Α7
五、發明說明(14 )
Ni95Co3Zn〇 5Mg〇 5Caj ' Ni90 Ca2Cu! 5 〇 >
Ni8 6 Co7 Zn6 Mg0 5 Ca0 5 及Ni9 3 Co5 Zn〇 5 Mg0 5 Cai。 較佳外部或包封材料之實例包括具有下列金屬組成之錄 氫氧化物· Ni9 丨 Co4 5 Zn4 5、Ni9 丨 Co7 Zn〇 5 Mg〇 5 Ca!、 5 3 · 5 C〇5 Zno · 5 Mg〇 5 Ca〇 5、Ni9 i Co3 Zn! Mg! Ca2 Cu2、
Ni95Co3Zn〇 5Mg〇 5Ca! ' Ni9 〇 5 Co3 Zri] Mgj Ca2. 〇 Cuj 5 〇 -ΝΪ8 6 C07 Zn6 Mg〇 5 Ca〇 5、Ni8 9 8 Cc^ 〇 Zn〇」Mg0」、
Ni8 4 8 Cc^ 5 Zn〇 ] Mg〇」及 Ni9 3 Co5 Zn〇 5 Mg〇 5 Cai。 再次參考圖i,核芯為一種具有特徵為Ni95c〇3Mga ^ 10金屬組成之活性材料,且外部活性材料具有特徵為 N19丨C〇4.5Zn4 5之金屬組成。核芯材料與外部材料係類似但 顯著不同,且具有之組成差特徵為在核芯材料與外部材料 之間差值之絕對值總和,以每個金屬元素為基準係等於 11,如以下實例丨中所示者。此外,粒子具有循環壽命大 15於内部材料之外部活性包封材料。 實例1. 第一種或内部材料 _Ni95C〇3Mg().5Zn().5Cau 第二種或外部材料 -Ni9 ! Co4 5 Zn4.5 , 其中組成差為丨95-91|+ |3-4.5|+ |0·5·4·5|+ 丨0.5-0丨+ 丨1.〇-〇卜 11。 20 其他根據本發明材料之實例包括: 實例2. 第一種或内部材料_Ni91Co4.5Zn4 5 第二種或外部材料-Ni95C03Mgo.5Zno.5Cau 其中組成差為丨91-95|+ |4.5-3|+ |4·5-0·5|+ |0-0·5|+ 丨0-1.〇卜 Η。 (請先閱讀背面之注意事項再填頁) 訂---------線! 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -16 - 522598 A7 B7 五、發明說明(15 ) 實例3. 苐種或内部材料-Ni9 1 C〇4.5 Zn4.5 第一種或外部材料-Ni9 1 Co7 Mg〇 . 5 Zn〇 5 Ca!. 〇 其中組成差為 |91-91|+ 丨4.5-7丨+ |4·5-0·5|+ |0-0·5丨+ |0-1.0|= 8。 5 實例4. 第一種或内部材料-Ni95C〇5 第二種或外部材料-Ni95Co3Mg0.5Zn05Ca10 其中組成差為丨95-95|+ 丨5-3|+ |0-0.5|+ 丨0-0.5|+ |0-1·0|= 4。 實例5. 1〇 第一種或内部材料_Ni95c〇3Zn2 第=種或外部材料·Μ88.5Ο)7.0Ζη3.5Ν^.5€α0.5 其中組成差為丨95_88.5|+ |3-7|+ |2-3.5丨+ |0·0·5|+ |0-0.5丨=13。 實例6. 第一種或内部材料-Ni9 15 第二種或外部材料-NiwCc^MgojZnojCau 其中組成差為 |91-93|+ |4.5-5丨+ |4·5-0·5|+ |0-0·5|+ |0-1.0卜 8。 實例7. 第一種或内部材料-Ni95C03Mgo.5Zno.5Cau 第二種或外部材料-Ni9 3 C〇5 Mg(). 5 ZnQ. 5 CaK Q 20 其中組成差為 192-931+ |3-5丨 + |0·5-0·5|+ |0·5-0·5|+ 丨1.0-1.0卜3。 本發明之另一方面係為提供一種具有增加導電性之複合 活性正極粒子。增加導電性係藉由具有至少部份被包埋在 正極活性材料中之導電材料之粒子所提供,如在美國專利 申請案S.N.09/135,460中所述者,其揭示内容係併於本文供參 (請先閱讀背面之注意事項再填_本頁) 1 訂---------線丨· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
522598 A7 B7 五、發明說明(16 2二:其中所揭示’該導電材料較佳 今 屬合金。所包埋之固體導電材料 導電金屬或金 性。該導電金屬或金屬合金可為較佳且V二:子内導電 片、片狀物、塊狀物、纖維、薄米大小之碎 體實施射ϋ 位置。在有關於此之一項| 體貝把例中,導電材料係被包埋 (員具 佳具體實施例中,金屬導電材 =:在:較 可被包埋在第二種活性材料内部:之=:= 種與第-種活性材料兩者之中。此導 可被包埋在第-種與第二種材 =材枓亦I頁 在活性材料間之邊界中。應充分』=中里 ι包埋導電材料係不同於導電性粉末添加劑, : :::::外部周圍,以減少粒子間電阻率,而亀2 15 20 本發明之活性複合粒子可經由任何適當方 佳係經由使用隨快速獅連續且同時供應反應物之益= 澱反應來形成。根據下文詳述方法所製成之氫氧化鎳二 ’係提供具有適合作為活性正極材料使用之形狀、粒'夫 小、敲緊密度及結晶度之粒子。 ’、九 對實施本發明而言,單一反應器系統係為較佳,因單一 反應器系統係提供經改良之程序控制,避免過早沉澱,且 對未知之溶解物質、不溶性導電粒子及多種改質劑,允許 較大系統耐受度。因此,本發明之第二方面認知到,要形 成多組成、經多重改質之活性粒子,沉澱程序對氫氧化錄 ____- 18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 522598 五、發明說明(17) 最終產物之最後適合性係為決定性的。代替使用預製胺起 始反應之#見一反應器系統,單一沉殿反應係提供此種程 序。 、此方法包括以下步驟,提供一種活性核芯或晶種材料, 並使該晶種暴露於沉澱反應歷經一段滯留時間,該時間適 合用來產生具有質量大於粒子質量之10 %,較佳係大於2〇 %且更佳係大於30 %之包封層。該晶種在沉澱反應中之滯 留時間為至少3〇分鐘。 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 活性晶種之形成係經由在單一反應器(1〇)中合併MeN〇3、 MeSCM3)、NH4〇H⑶及Na0H⑺之溶液,保持反應器於2〇綱 °C(更佳為4〇-80°C且最佳為5〇_7〇。〇之恒溫下,以4〇(M〇〇〇ipm( 更佳為500-900 rpm且最佳為7〇〇_8〇〇 φηι)之速率攪拌⑼該混合 物,控制攪拌中混合物之ρΗ(11)在9_13間之數值(更佳係^ =12且最佳係在10·5_12·0)下,及控制液相與氣相氨兩者之 濃度。該Me或金屬溶液可包含Ni與即將被摻入最後氳氧化 鎳整體粒子中之各種改質劑(如上述)。改質劑可在任何可 能時候伴隨起始之MeS〇4溶液供應,或可供應於MeN〇3溶液 中。
MeS〇4溶液可經由將mo重量%,更佳為Μ5%且最佳為7_ I2 %硫酸鎳與其他含有所要改質劑之硫酸鹽溶液混合來調 配。整體而言,被添加至反應器之金屬硫酸鹽 10M,更佳為1謂且最佳為2_5M。被添加至反:為器0: NH4〇H溶液為2_3〇M,更佳為5·20Μ且最佳為溶液。 被添加至反應器之NaOH溶液為5-50重量%,更佳為8-4〇重 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 χ 297公爱) 522598 A7 B7 五、發明說明(18 15 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 20 ^且最佳為⑽重量%。對於所有必要之溶解和稀釋, 車父佳係自始至終均使用去離子水或蒗 如上述,混合物在反應器+之_^、心地㈣㈣ 。婦之控制可藉任何適當方法達成,但較佳係經由驗之 ,加來控制,按需要而定。以驗如咖或Na〇H之添加係為 ^圭。最佳係使用测重量%KOi^Na〇H。混合物在反應 =中之溫度應保持在上述溫度下。為確保在被引人反應器 中之混合物各成份狀最適宜接觸,應提供恒定混合或擾 動。混合可藉任何適當方法提供,譬如授掉、授動、渦動 或超音波,但應達到如上文所列示之混合速率。 —為使#5或其他低溶解度改質劑有效地摻入本發明經改質 氫氧化鎳粒子之本體中,鈣較佳係不為金屬硫酸鹽溶液 (MeS〇4)之一部份,反而,鈣應使用個別或第二種金屬溶 液調配,且以個別進料流引進。該進料流較佳為caci2或其 他促溶溶液,譬如硝酸鈣、醋酸鈣等…,其中以可獨立地 被引進反應器中。對於欲被供入固熔體中之其他不溶性材 料,亦可使用個別溶液。被引入反應器中之Ca鹽溶液可為 〇’5 2〇重畺% ’更佳為2-15重量%且最佳為11-18重量%。因 此,在本發明之一項較佳具體實施例中,此方法係提供一 種新穎連續沉澱程序,其能夠產生不含硝酸鹽之活性正極 材料。各成份之添加和所形成漿液(含有沉澱之氫氧化錦 材料)之移除係小心地控制在互補速率下,因此漿液含有最 大里之沉澱物和最少量之未反應成份。晶種粒子係提供第 一種活性材料之氫氧化鎳核芯,第二種活性材料可於其上 -20- (請先閱讀背面之注意事項再填頁) 訂 線丨 f -I n ϋ _ 本紙張尺㈣财國(210 X 297 ) 522598 A7 B7 五、發明說明(19 ) 生長。 上述用於連續程序之操作條件 高產率。此簇床,、牛已、引人注目之99.98 % 门產羊此転序在數個方面係為新穎的 念應用於氫氧化㈣ ^ 1 ^ 2 m Hyundai a 4 /aV 51 ^ ^,] 5^498^> :出t個涉及預製胺錯合物形成之串聯反應器之必要 I·生。此一反應态處理方式已被認 度球形氫氧化鎳粒子。作是,太要的以達成向在、 ^ . 彳一疋本發明人認為兩個反應器實 :之;!廡^項缺點,其係出現在f試要平衡兩種非常不 ’意即預製胺錯合與氫氧化鎳沉澱。兩個 反應為處理方式之缺點包括·· ·==應器中過早沉殿,而造成不良敲緊密度 /、未、控制之粒子大小。 15 20 t •=良產率’因為在第一個反應器中必須使用極高過 量氨。 •高流出物排放,因為稀硫酸鹽溶液所需。 •複雜性’由在平衡兩種反應速率方面之自動控制觀 點來看。 •過早設備故障,在第三種反應器巾之賴所致,此 係歸因於斷裂鎳氨錯合物所需之高PH(>12)。 在有關於此之本發明之前,二反應器處理方式對氣氧化 鎳生產被認為是必要的,以確保鎳-銨錯合物係在沉澱之前 形成,以減緩沉澱反應並使高密度粒子得以形成。高粉末 密度之目的不能被誇大地用於電池組中,因為活性材料負 I - 21 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(2〗〇 X 297公釐 J^598
载對整個正極與整體電池組系統之能量密度而言係為決定 眭的。為使高密度球形氫氧化鎳沉澱而未小心地形成鎳_銨 錯合物之所有已知嘗試,皆不能達成商業上可用之高密度 材料,其已不可避免地導致兩個反應器製造程序之世界性 5 使用。 本案發明人亦已發現CSTR處理方式大為簡化加工處理。 本叙明人領悟到,鎳-銨錯合物可同時被生成和分解,短壽 鎳-銨錯合物並非如他人一般所想地是個問題。因此,在前 述反應物濃度,以及溫度、混合、pH及成份濃度之反應器 10條件下,鎳'銨錯合物之形成及隨後立即沉澱為氫氧化鎳之 作用可同時發生。本發明人已進一步領悟到,單一反應器 CSTR程序可伴隨許多優點使用,包括: •高濃縮反應物溶液之使用,有效地降低流出物流之 量。 15 •較低pH之使用,藉此延長設備與程序控制之耐用年 限和可靠性。 •免除,,平衡,,兩個反應器之需要’由此增進加工處理 之簡易性。 一旦漿液自反應器抽除,將其過濾以自液體中分離出沉 20澱物。然後使液體回收再用,而沉澱物則經處理以製、告乂 發明之經改質氫氧化鎳。 & 因此能夠製造具有三種或更多種改質劑在核芯中與三 或更多種改質劑·在外皮中之複合氫氧化鎳材料,而 沉澱和程序失敗。 …k干 ____-22- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格_(21〇 X 297公爱) (請先閱讀背ST之注意事項再本頁) --------^---------線 再?士
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 522598 五、發明說明(21 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 《在^發明之方法中,對某些令人意外之加工處理參數必 f非㊉慎重。例如,氨之液體飽和度對其在反應器中之蒸 氣,頭σ卩空間飽和度是關鍵性的。本案發明人已發現在反 應:中之氨濃度會顯著地影嚮所生成粉末關於結晶度和敲 =在度之取後性質。由於氫氧化銨係連續地計量加入反應 二但係以過量存在,故必須經由反應器頭部空間移除 y伤氨本發明人已發現必須小心謹慎地避免在液體上方 形,”外皮”;意即預防反應器中暴露於空氣之液面因疏忽 而厌化。以空氣流率表示之進出空氣流和濕度也都要小心 地加以控制。對於卿公斤/天之反應容器而言,本發明人 已測%約50或較大立方叹/分鐘之空氣流量係為適當的, 伴Ik低於約65%之相對濕度。經適當地管理,具有適當密 度一…阳耘度之本發明粒子可以大量生產方式一致地獲得 、方面如果忽視製程參數,譬如氨之頭部空間飽和 度或濃度,有可能會產生不良品質之氫氧化鎳粒子或晶種。 為在日日種四周添加第二種活性材料,故 條件類似上述操作條件之黛—Α、…帆^^按又所用 朱午之弟一夂 >儿版反應,且經由將晶種 、現MeS〇4洛液、鹼及氫氧化銨餵入反應中歷經一段 時間,此時間足以形成呈有 ^ 取/、虿大里弟一種活性材料之氳氧化 二;、立子,如上述。根據本發明,MeS〇4溶液及/或任何第 二種金屬溶液(若使用時)係經調配以提供一種組成物,苴 係不同於活性晶種之組成。晶種在沉殿反 較佳為3〇分鐘口戈輕、次,日可竑夕⑼^日守間 4採猎多種方法加以控制,譬如批 -人處理或連續進料及傾析。 請 先 閱- 讀 背 面·· 之 注 意 事 項 再
頁I 訂 線 23- χ 29~Γ公 iy 五、發明說明(22 ) 正如可由上述揭示内容變得顯而易見的,提供具有多声 活性材料如三或更多層之粒子,亦可能是有利的。多層: 形成可藉由第一次沉澱反應形成活性材料之第一層,I活 性材料之各附加層可藉後續沉澱反應添加。 經包埋之金屬導電材料可在粒子中形成,其方^係類似 上述,並經由使具有導電金屬材料被包埋於其中之活性晶 種與金屬離子溶液、苛性鹼溶液及氳氧化銨物質結合。晶 種首先可經由如上述之第一次沉澱反應,且經由另外添加 具有金屬離子溶液、苛性鹼及氫氧化銨之導電金屬材料而 10形成。然後使晶種接受至少一次額外沉澱反應(如上述) ,以形成具有加強導電性之多組成活性正極粒子。 雖然本發明已在附圖與前述說明中詳細地說明,但其被 認為是說明而非限制性質,應明瞭的是,只有較佳具體實 施例已經被完整地顯示並描述,因此所有出自本發明精神 15 内之變化與修正都欲受到保護。 圖式之代號說明
3 MeS04 20 5 NH4 OH
7 NaOH 9 攪拌 10 反應器 11 pH 計 -24- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 χ 297公釐)
Claims (1)
- 六 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 申請專利範圍 ^ 專利申請案第90117275號 ROC Patent Appln· No.90117275 修正之申請專利範圍中文本—附件一 Amended Claims in Chinese - Enel.I (民國91年12月18日送呈) (Submitted on December 18, 2002) L 一種正極粒子,其包含: 第一種活性正極材料;及 配置於第一種材料四周之第二種活彳生正極材料,該 第二種活性正極材料為該粒子質量之至少1〇%。 2·根據申請專利範圍第丨項之正極粒子,其中該第二種 /舌性正極材料為該粒子質量之2〇%至55%。 3·根據申請專利範圍第丨項之正極粒子,其中該第二種 材料具有許多從第二種材料之最外層部份延伸至最内 層部份之通道,用以在電解質與第一種活性材料之間 提供離子輸送。 4·根據申請專利範圍第3項之正極粒子,其中通道具有 35埃或較大之平均孔隙大小。 5·根據申請專利範圍第1項之正極粒子,其中第一種材 料與第二種材料具有1至25原子%之組成差。 6·根據申請專利範圍第丨項之正極粒子,其中第一種材 料或第一種材料為一種具有經包埋金屬導電材料之複 合物。 7·根據申請專利範圍第丨項之正極粒子,其中第一種材 料與第二種材料具有1至18原子%之組成差。 8·根據申請專利範圍第1項之正極粒子,其中第二種活 性材料包含濃度為9原子%或較少之c〇。 -25 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格⑽公复)9〇31 C8 D8 六、申請專利範圍 •根據申請專利範圍第1項之正極粒子,其中第二種活 性材料為包含Co、Zn、Ca及Mg之氫氧化鎳粒子。 1〇·根據申請專利範圍第1項之正極粒子,其中第一種活 性材料為包含Co、Zn、Ca及Mg之氫氧化鎳粒子。 lh根據申請專利範圍第1項之正極粒子,其中第一種活 性材料具有選自包括(NiCo)(〇H)2,(NiCoZn)(OH)2, (NiCoZnMgCa)(〇H)2,(NiC〇ZnMnMgCa)(OH)2 及 (NiC〇ZnMgCaCiiMn)(OH)2 之基本組成。 12·根據申請專利範圍第丨項之正極粒子,其中第二種活 性材料具有選自包括(Nic〇)(〇H)2,(Nic〇Zn^〇H)2, (NiCoZnMgCa)(〇H)2,(NiCoZnMnMgCa)(OH)2 及 (NiC〇ZnMgCaCiiMn)(OH)2 之基本組成。 13.根據申請專利範圍第丨項之正極粒子,其中第二種材 料具有大於第一種材料之循環壽命。 14· 一種氫氧化鎳粒子,其包含: 第一種活性氫氧化鎳材料; 配置於第一種材料四周之第二種活性氫氧化鎳材 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 料’其中該第二種活性氫氧化鎳材料具有之質量等於 粒子質量之至少10%。 15·根據申請專利範圍第14項之粒子,其中第一種材料與 第二種材料具有一種組成差,其特徵為: - 第一種材料具有特徵為Nia(BbCcDdEe .Mm)之金屬 組成,其中a為85至98原子%,b至m各為〇至15 原子 % ’ a+b+c+d+e+ —hm=100 原子 % ; -26 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇 X 297公爱) 522598 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 第二種材料具有特徵為物Nia,(Bb,Cc,Dd,Ee,...Mmf)i 金屬組成,其中a’為85至98原子%,b’至m’各為0至 15 原子%,a’+b’+c’+d’+e’H-----1~111’=100原子%; 其中B、C、D、E、"·Μ為選自包括Al、Bi、Ca、 Co、Cr、Cu、Fe、In、La、稀 土金屬、Mg、Μη、 Ru、Sb、Sn、Ti、Zn、Ba、Si 及 Sr 之改質劑;且 其中 1 原子 m’|S25 原子%。 16. 根據申請專利範圍第14項之粒子,其中第二種材料為 具有大於第一種材料之循環壽命之外部材料。 17. 根據申請專利範圍第14項之粒子,其中至少一種該活 性材料為具有經包埋導電材料之複合物。 18. 根據申請專利範圍第14項之粒子,其中第二種材料具 有許多從第二種材料之最外層部份延伸至最内層部份 之通道,用以在電解質與第一種材料之間提供離子輸 送。 19. 根據申請專利範圍第15項之粒子,其中B、C、D及E 係分別為Co、Zn、Mg及Ca ;且 3^b^9 ; 3^b!^9 ; c^7 ; cf^7 ; d^2 ; df^2 ; ‘ e^2 ; e,S2, 其中 a+b+c+d+e=100 原子 %。 20. 根據申請專利範圍第15項之粒子,其中1原子 -27 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 522598 8 8 8 A B c D 六、申請專利範圍 21. —種用於正極電池組電極之粉末,其特徵在於包含許 多如申請專利範圍第1項之粒子。 22. 根據申請專利範圍第21項之粉末,其中該許多粒子為 氫氧化鎳粒子。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 8 2 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x297公釐)
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