WO1999052825A1 - Lithium battery operating between 1.8 volts and 4.3 volts - Google Patents

Lithium battery operating between 1.8 volts and 4.3 volts Download PDF

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Didier Bloch
Carole Bourbon
Frédéric Le Cras
Franck Rouppert
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Definitions

  • the present invention relates to a lithium accumulator operating between 1.8 volts and 4.3 volts.
  • the invention relates to a rechargeable lithium battery or electrochemical generator operating between 1.8 volts and 4.3 volts and comprising a negative electrode in particular a composite negative electrode, an electrolyte, and a positive electrode comprising as active material a manganese oxide of lithiated or superlithiated spinel structure.
  • the technical field of the invention can generally be considered as that of rechargeable lithium accumulators (in English “Secondary Lithium Cell” or “Secondary Lithium Battery”)
  • Carbon electrode (th: 120 ⁇ m)
  • Metallic lithium (th: 120 ⁇ m)
  • Lithium metal (th: 120 ⁇ m)
  • Active material Cobalt, manganese oxide, vanadium oxide, nickel electrode or positive manganese oxide
  • This die has, due to the presence of a negative lithium metal electrode, a limitation of its lifespan (500 cycles at present).
  • the upper limit of the working voltage is limited to 3.4 Volts (upper operating terminal of the electrolyte). This limitation forces, if one wishes to have the greatest possible exchangeable capacity, to use only the active materials of positive electrode releasing their reversible capacity below 3.4 volts, and does not allow the use of positive electrode active materials based on manganese oxides "releasing" a significant part of their capacity above this value.
  • Lithium-Ion system with carbon-based anode (SONY, SANYO, PANASONIC, SAFT, 7)
  • This source is the negative electrode in the case of the dies using a negative lithium metal electrode.
  • the source of lithium must therefore be contained in the positive electrode. It is in this case the active material of positive electrode which plays this role of lithium source. We see that it is necessary to incorporate into the structure of this active material of positive electrode during its synthesis the largest amount of lithium possible in order to have a sufficient reserve of lithium to have interesting electrochemical performances.
  • An accumulator is characterized by its operating voltage, which is determined by the potential difference between the negative electrode and the positive electrode.
  • the absolute potential (not measurable) of the negative electrode in metallic lithium is constant, because it is a pure metal.
  • the voltage of an accumulator with a negative lithium metal electrode is therefore entirely determined by the potential of the positive electrode, which depends on the crystallographic structure of the active material of positive electrode, and which changes as a function of the quantity of lithium contained. In this one. During a discharge of the accumulator, the lithium is inserted into the crystal structure of this active material whose potential drops regularly. The battery voltage drops. It is the opposite during a charge.
  • the active materials all show a different evolution of their potential (vs Li / Li +) according to the quantity of lithium which they contain: each active material thus has a characteristic “electrochemical signature”.
  • the potential (vs Li / Li + ) of the manganese oxides of composition similar to Lio 3 no 2 used by TADIRAN Batteries Ltd for accumulators produced according to the technology described in patent US-A-5,506,068 include the lithium between 3.4 Volts (the composition of the active material of positive electrode is then close to Li 0, 3, MnO 2) and 2 volts (the composition of the active material of positive electrode is then close to LiMn0 2 ). This is the “Lithium-metal, 3 Volts, liquid electrolyte” process
  • manganese oxides with a spinel structure usually have two "plateaus" of operating potential.
  • the compound with a spinel structure of formula LiMn 2 0 4 most of the lithium is extracted from this structure between approximately 3.2 volts and 4.4 volts (vs Li / Li + ) (the composition of the active material d positive electrode at the end of the charge up to 4.4 Volts is then close to Mn 2 0 4 ), while it is possible to insert lithium between approximately 3.2 Volts and 1.8 Volts in the structure LiMn 2 0 ⁇ (the composition of the active material of positive electrode at the end of the discharge up to 1.8 Volts of the accumulator is then close to Li 2 Mn 2 0 4 ).
  • This electrolyte in addition to the fact that it significantly improves the electrochemical behavior of the accumulator, has another characteristic: In the event of an abnormal rise (greater than 3.5 Volts) in the voltage or the temperature of the accumulator, the electrolyte polymerizes and ceases to be ionic conductor.
  • the negative metallic lithium electrode is alternately consumed (discharged) then reconstituted (charged) during a discharge / charge cycle.
  • the thickness of lithium consumed during each discharge is usually between 10 and 20 micrometers of lithium (The exchange of a capacity of 1 mAh per unit of negative electrode surface area corresponds to the (theoretical) consumption of one "slice" of the negative metallic lithium electrode with a thickness equal to 4.88 micrometers. Usually, the capacity exchanged per unit of negative electrode area is between 2 and 4 mAh / cm 2 ). In theory, therefore, it would only be necessary to use a negative metallic lithium electrode with a thickness close to 20 micrometers.
  • a negative electrode with a thickness greater than 20 micrometers is in fact used.
  • the negative electrode used by TADIRAN Batteries Ltd is a metal sheet of about 120 micrometers.
  • the negative electrode is no longer able to act as a lithium reservoir necessary for the electrochemical reaction, which makes the use of a positive electrode compound containing by construction of lithium compulsory.
  • the compounds based on manganese oxide which have so far exhibited the best electrochemical characteristics in the context of the “Lithium-ION, 4 Volts” sector described above are products of spinel structure. of composition close to LiMn 2 0 4 . They allow electrochemical cycling between 3.2 and 4.4 Volts (vs Li / Li + ). We see that in this case, part of the lithium contained in LiMn 2 0 " ⁇ is irreversibly consumed during the first charge by the negative electrode.
  • Li-ION, 4 Volts Volts Lithium Ion Cell or 4-Volts Li-ION oven
  • These systems now reach energy densities of around 110 to 120 Wh / kg, corresponding to a range of 170 to 200 km for an electric vehicle, and have a lifespan of around 800 cycles.
  • the disadvantages of this type of accumulator are the high cost of the oxides of cobalt and nickel, and their energy density which nevertheless remains relatively low (compared to the dies with negative electrode of metallic lithium).
  • the object of the present invention is to provide a lithium accumulator (rechargeable electrochemical generator) operating between 1.8 and 4.3 volts which does not 12
  • the object of the present invention is to provide a rechargeable electrochemical accumulator or generator operating between 1.8 and 4.3 volts, and in particular having improved performance expressed in terms of cycle life and in terms of density. energy, compared to those obtained so far with the available lithium batteries.
  • manganese oxide of spinel structure is also meant all the compounds formed of a mixture of spinel structure with another manganese oxide compound in all proportions.
  • lithiation or lithiated product, is meant any intermediate step between the initial product and the overlithiation corresponding to the overlithiated product defined above.
  • An accumulator comprising as active material of positive electrode and prior to any charge or discharge, the lithiated or superlithiated manganese oxide specific above has never been mentioned or suggested in the prior art.
  • Such an accumulator provided with such a specific positive electrode active material makes it possible to achieve surprisingly improved performance in terms of energy density and cycle life.
  • the process used in the invention for preparing lithiated or superlithiated manganese oxide differs fundamentally from the processes of the prior art for the preparation of “lithiated or over-lithium” transition metal oxides and in particular oxides of Mn, in that it uses as reaction intermediate lithium alkoxides which are, according to an essential characteristic of this process, obtained by dissolving metallic lithium in the corresponding alcohol, the latter being an alcohol derived from a linear alkane or branched having at least 3 carbon atoms or an alcohol derived from an unsaturated aliphatic hydrocarbon. 15
  • the kinetics of the lithiation of manganese oxide is faster, or even instantaneous, and the yield is close to 1 thanks to the more reducing nature of the heavy alkoxides (derived from alcohols derived from linear or branched alkanes having at least three carbon atoms, or alcohols 17
  • the preparation process used is in a different field which is that of so-called “soft” chemistry carried out in solution and at low temperature.
  • the preparation process used unlike the processes of the prior art also has rapid kinetics and comprises only a few intermediate steps since the essential step of the process is the controlled reduction of manganese oxide.
  • the preparation process used is sufficiently “gentle” and precise not to deviate from the desired stoichiometry.
  • the reaction indeed stops at a Li: manganese stoichiometry perfectly defined by the choice of alcohol, even in the presence of a large excess of alkoxide, and which is a function of the composition and of the crystallographic structure of the initial manganese oxide.
  • Li Manganese ratio greater than or equal to 0.5, preferably from 0.5 to 2.
  • the preparation process used also has the advantage of being significantly less expensive than the other two first processes of the prior art described above. It could therefore be estimated, based on the costs evaluated by comparing the prices of one mole of lithiation reagent (mole of lithium), that the preparation process used had a cost divided by about 18 compared to the process of preparation using lithium iodide and a reaction time divided by 20, and a cost divided by 3 compared to the process using n-butyl lithium and a reaction time divided by at least 100.
  • the preparation process used has the advantage of being able to be carried out at low temperature; by low or low temperature, it is generally understood that the various stages are either carried out at ambient temperature - generally close to 20 ° C. - as is the case with the preparation of the lithium alkoxide solution, the addition of manganese oxide powder with lithium alkoxide solution or alternatively rinsing the powder obtained, either at a low or low temperature, as is the case with controlled reduction, which is generally carried out at a temperature of 50 or 70 to 260 ° C which corresponds substantially to the boiling temperature of the alcohol used (brought to reflux), or drying generally carried out at a temperature of 80 to 150 ° C. Of course, these temperature ranges can be lowered to room temperature or more 19
  • the performance is at least equivalent to that of the batteries currently on the market, at a cost reduced by at least 15%.
  • the part of the active compound of positive electrode based on cobalt or nickel oxide in the total cost of the accumulator can be evaluated at 20%.
  • the lithiated or superlithiated manganese oxide of spinel structure capable of being obtained by the process for the preparation of a lithiated or superlithiated manganese oxide of spinel structure as described above is preferably obtained of an initial compound chosen from manganese oxides of spinel structure and located in the field of the phase diagram Li, Mn, 0 delimited by the compositions Mn0 2 , Li 2 Mn 2 0 4 , Li 4 Mn 5 0 ⁇ 2 a treatment thermal is then not necessary.
  • This initial compound can also be ⁇ - Mn0 2 , one then obtains at the end of the lithiation treatment or over-lithiumization and without it being necessary to implement an additional heat treatment a spinel Li 2 Mn 2 0 4 which is manganese oxide lithiated or superlithiated playing the role of active material of positive electrode.
  • the initial compound can be a compound of formula Li 0 , 3 nO 2 ("TADIRAN”) or a compound of neighboring formula (for example Lio, 33 Mn0 2 , 03 ) at the end of the lithiation a compound of formula is obtained close to Li ⁇ Mn0 2 (“TADIRAN Lithié”) which does not have the spinel structure, this compound is stable and when it is heated at 250 ° C. for 1 hour does not exhibit any change in structure.
  • TADIRAN a compound of formula Li 0 , 3 nO 2
  • a compound of neighboring formula for example Lio, 33 Mn0 2 , 03
  • this compound is subjected to a heat treatment at a temperature of 300 ° C. to 800 ° C. for a period of 30 minutes to 3 hours, preferably 1 hour, for example, if this compound is heated for 1 hour at 300 ° C., a compound formed from a mixture of phases is obtained 23
  • the compound forming the active electrode material must generally always include even an infinitesimal quantity of spinel compound.
  • the temperature of the heat treatment for example from 300 ° C. to 800 ° C., preferably from 300 to 500 or 600 ° C., and its duration, for example, from 30 minutes to 3 hours, preferably from 1 to 3 hours, it is possible to varies x and we obtain all possible mixtures.
  • the starting compound can be gamma Mn0 2 or ⁇ Mn0 2 .
  • a heat treatment is then used at the end of the lithiation in order to obtain a particular structure described below.
  • - Figure 2A is a figure giving U (V) as a function of Dx (Li / Mn) for an electrode obtained from compound Li 0, 3 3Mn0 2 03 ( "TADIRAN”) lithiated then heat-treated at 300 ° C for 1 hour;
  • - Figure 2B is the derivative of Figure 2B and carries dx / dU as a function of U (V);
  • FIG. 3 and 4 respectively represent a 1st charge-discharge cycle and the first 7 charge-discharge cycles for the accumulator of Example 1, on the abscissa is indicated the capacity C in mAh / g and on the ordinate the voltage (U) in volts;
  • FIG. 5 is a figure giving U (V) as a function of ⁇ x (Li / Mn) for the accumulator of Example 3.
  • the lithiated or superlithiated manganese oxide can be obtained by a preparation process which therefore firstly comprises the preparation of a solution of lithium alkoxide in the corresponding alcohol.
  • the alcohol is according to the invention chosen from alcohols derived from linear or branched alkanes comprising at least 3 carbon atoms, preferably from 3 to 10 carbon atoms, alcohols derived from unsaturated aliphatic hydrocarbons, and their mixtures.
  • Pentanol-1 and isopropanol are preferred. Alcohol is usually found in excess compared to lithium. 25
  • the lithium alkoxide solution is generally prepared by adding lithium metal in alcohol at room temperature (generally 20 ° C) and under an atmosphere of inert gas such as argon or dry air.
  • the lithium alkoxide solution thus obtained generally has a concentration greater than or equal to 0.01 mole per liter, preferably a concentration of 0.1 to 10 moles per liter of lithium alkoxide.
  • a transition manganese oxide powder is then added to the solution of lithium alkoxide in the corresponding alcohol prepared during the first step, in order to obtain a dispersion.
  • the lithium alkoxide is generally in slight excess relative to the corresponding alcohol.
  • Said manganese oxide is chosen from manganese oxides, and mixed manganese oxides with another metal chosen, for example, from alkali and alkaline earth metals.
  • oxide is also meant all the crystalline forms which the manganese oxides mentioned above can take.
  • the reduction step provided is generally carried out by heating the dispersion obtained in the previous step to reflux, then maintaining it at reflux at atmospheric pressure and at the reaction temperature, which therefore corresponds substantially to the boiling temperature. alcohol used. This boiling temperature can of course vary with the working pressure. 2 6
  • the reaction is preferably carried out with stirring and under an inert atmosphere, preferably under an argon sweep.
  • the reflux can thus be carried out at atmospheric pressure at a temperature of 139 ° C. substantially equal to the boiling temperature of pentanol-1 at atmospheric pressure .
  • the alkoxide operates a controlled reduction of the manganese oxide until obtaining a Li: Metal stoichiometry defined thus in the case where one starts from Lio, 3Mn0 2 or a compound of formula neighbor we get as a lithiated product 27
  • the next step consists in evaporating the solvent, that is to say the residual alcohol; the temperature at which this step is carried out depends on the alcohol used and is generally from 50 or 70 to 260 ° C. under atmospheric pressure.
  • the powder obtained is then rinsed in an adequate liquid, for example in the alcohol previously used as solvent, hexane, tetrahydrofuran, in order to remove any excess alkoxide, then the powder is dried, generally under partial vacuum, and at a temperature for example of 80 to 150 ° C, preferably close to 150 ° C for an adequate period.
  • the drying temperature can be higher, namely up to 250 ° C. or even 400 ° C., but on condition that this does not cause any modification of the structure of the lithiated or over-lithiated product.
  • the purpose of drying is to remove impurities and other organic elements which may be present on the surface of the product.
  • the method according to the invention may also comprise an additional step of heat treatment carried out after drying.
  • the heat treatment is carried out at a temperature generally of 150 ° C to 800 ° C preferably 28
  • this product is subjected to a heat treatment under a neutral atmosphere at 250 ° C for 1 hour, its structure is not changed, which corresponds to that of the initial TADIRAN product having undergone an electrochemical discharge in an accumulator. If, on the other hand, the same product is subjected to a heat treatment at a higher temperature, for example at 300 ° C. for 1 hour, the partial transformation of the initial structure is observed into a quadratic spinel structure of Li 2 Mn 2 0 4 type .
  • This product consisting of a mixture of very disordered crystallographically phases, has the particularity of exhibiting an interesting electrochemical behavior between 1.8 and 4.3 volts.
  • Li Metal stoichiometry
  • Li Metal ratio greater than or equal to
  • the stability of the active positive electrode compound used in the accumulator according to the invention corresponds to a stable formulation thereof which is little affected, in particular by a prolonged stay in dry or ambient air, - by stay extended is generally understood to mean a stay lasting 24 to 240 hours - or by immersion in water. This stability is defined by the observed stability of the X-ray diffraction spectra and by the invariant nature of the degree of oxidation of manganese.
  • This stability of the product according to the invention makes it possible to package, store and handle it more easily.
  • the negative electrode is conventionally preferably a composite negative electrode, for example based on carbon or tin-based or also in SnO 2 , or in lithium alloy or any other suitable negative electrode.
  • the electrolyte used is a conventional electrolyte for this type of accumulator, namely a mixture of non-aqueous electrolyte known to those skilled in the art.
  • the negative electrode the negative electrode
  • Example 1 Lithiation of an initial compound with cubic spinel structure.
  • This initial product has a formulation close to Li ⁇ 29 Mn ⁇ , 7i0 with a Li: Mn ratio of 0.75 for an average oxidation degree of manganese determined by redox dosage of +3.90, and has a cubic mesh parameter close 8.15 angstroms. (the X-ray diffraction diagram for this compound is reproduced in FIG. 1 - diagram at the bottom)
  • This product was lithiated by the following process: 600 ml of pentanol-1 (purity> 99%) are introduced into a flask with three necks containing 1000 ml. In this balloon equipped with a condenser and whose interior is isolated from the ambient atmosphere, it is bubbled 32
  • the dispersion thus obtained is heated at atmospheric pressure to reflux at 139 ° C., ie the boiling point of pentanol, and is kept at this temperature for six hours.
  • This dispersion can similarly be heated at reflux to a lower temperature, between room temperature and 139 ° C, if working at pressure below atmospheric pressure.
  • the dispersion once cooled to a temperature close to ambient, is filtered with ambient air on sintered glass.
  • the lithiated oxide is then rinsed with hexane, then dried and treated under primary vacuum at 300 ° C for one hour.
  • the final lithiated product then contains manganese with an average oxidation state close to +3, reflecting the insertion of approximately 0.6 mole of lithium per mole of manganese with a Li: Mn ratio of 1.08.
  • a positive electrode with a diameter of 8 mm and a thickness close to 300 microns integrating the lithiated compound prepared above is obtained by pressing at 10 tonnes an intimate mixture composed of 55% by mass of lithiated oxide, 30% by mass of black carbon and 15% by mass of graphite.
  • An accumulator or electrochemical cell with a metallic lithium electrode is produced in a conventional Swagelock® type assembly.
  • the electrolyte used is a molar solution of lithium perchlorate in an equimolar mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate.
  • the separator used between the negative electrode and the positive electrode is a microporous polypropylene film of CELGARD® type.
  • Example 2 Lithiation of the initial compound of formulation close to LiMn 2 0 4 and of spinel structure for a degree of oxidation close to +3.58, determined by assay and which is a material suitable for 4V use in Li-ion accumulator .
  • the product was lithiated by the process of the invention in the following way: 745 ml of pentanol-1 are introduced into a flask with 3 necks containing 2000 ml. In this flask equipped with a condenser and the interior of which is isolated from the ambient atmosphere, argon is bubbled for 30 minutes and at a temperature close to 20 ° C. in alcohol subjected to slight agitation.
  • a positive electrode with a diameter of 12 mm and a thickness close to 250 microns integrating the lithiated compound prepared above is obtained by using an intimate mixture of 80% by mass of lithiated oxide, 7.5% by mass of graphite , 7.5% by mass of carbon black and 5% by mass of PTFE binder on an aluminum grid. This electrode is then dried at 150 ° C under primary vacuum overnight.
  • An accumulator or an electrochemical cell with a metallic lithium electrode is produced in a CR2032 button cell.
  • the electrolyte is a molar solution of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in a mixture made of 33% by weight of ethylene carbonate

Abstract

The invention concerns a lithium battery operating between 1.8 volts and 4.3 volts and comprising a negative electrode, an electrolyte and a positive electrode characterised in that said positive electrode comprises as active material, and before it has been subjected to a particular charging or discharging operation, a manganese oxide containing lithium or extra lithium having a spine structure obtainable by a preparation method comprising the following three steps performed successively or simultaneously: preparing a lithium alkoxide solution by dissolving metal lithium in the corresponding alcohol, said alcohol being selected among the alcohols derived from linear or branched alkanes containing at least 3 carbon atoms, the alcohols derived from unsaturated aliphatic hydrocarbons, and their mixtures; adding a manganese oxide powder to said lithium alkoxide solution to obtain a dispersion; controlled reduction of said manganese oxide by said alkoxide until a manganese oxide containing lithium or extra lithium having a stoichiometry Li: Metal is obtained. Said method further comprises the following steps: evaporating the residual alcohol; washing the resulting powder; drying the powder; optionally, an additional step of heat treatment after drying.

Description

Accumulateur au lithium fonctionnant entre 1,8 Volts et 4,3 Volts Lithium battery operating between 1.8 Volts and 4.3 Volts
DESCRIPTIONDESCRIPTION
La présente invention est relative à un accumulateur au lithium fonctionnant entre 1,8 volts et 4,3 volts.The present invention relates to a lithium accumulator operating between 1.8 volts and 4.3 volts.
Plus précisément l'invention est relative à un accumulateur au lithium ou générateur électrochimique rechargeable fonctionnant entre 1,8 volts et 4,3 volts et comportant une électrode négative en particulier une électrode négative composite, un electrolyte, et une électrode positive comprenant en tant que matériau actif un oxyde de manganèse de structure spinelle lithié ou surlithié.More specifically, the invention relates to a rechargeable lithium battery or electrochemical generator operating between 1.8 volts and 4.3 volts and comprising a negative electrode in particular a composite negative electrode, an electrolyte, and a positive electrode comprising as active material a manganese oxide of lithiated or superlithiated spinel structure.
Le domaine technique de l'invention peut généralement être considéré comme celui des accumulateurs au lithium rechargeables (en anglais « Secondary Lithium Cell » ou « Secondary Lithium Battery »)The technical field of the invention can generally be considered as that of rechargeable lithium accumulators (in English "Secondary Lithium Cell" or "Secondary Lithium Battery")
Un aperçu historique de la mise au point des accumulateurs rechargeables au lithium est donné dans le document de K. BRANDT « Historical Development of Secondary Lithium Batteries », Solid State Ionics 69A historical overview of the development of rechargeable lithium batteries is given in the document by K. BRANDT "Historical Development of Secondary Lithium Batteries", Solid State Ionics 69
(1994), 173-183. Les filières technologiques d'accumulateurs au lithium commercialisées ou en cours de développement et quelques-unes de leurs caractéristiques sont détaillées dans le tableau I suivant:(1994), 173-183. The technological sectors of lithium accumulators marketed or under development and some of their characteristics are detailed in Table I below:
TABLEAU ITABLE I
FILIERESSECTORS
"4 Volts" Li-metal / electrolyte liquide Li -métal / electrolyte"4 Volts" Li-metal / liquid electrolyte Li-metal / electrolyte
Li-ION "3 Volts - TADIRAN" solide polymère "3 Volts"Li-ION "3 Volts - TADIRAN" solid polymer "3 Volts"
Electrode Carbone (ép: 120 μm) Lithium métallique (ép: 120 μm) Lithium métal (ép: 120 μm)Carbon electrode (th: 120 μm) Metallic lithium (th: 120 μm) Lithium metal (th: 120 μm)
NégativeNegative
ELECTROLYT liquide organique ou electrolyte liquide spécifique polymère solide sansELECTROLYT organic liquid or specific liquid electrolyte solid polymer without
E electrolyte gélifié solvantE gel electrolyte solvent
Matériau actif Oxydes de Cobalt, de oxyde de manganèse oxyde de vanadium d'électrode Nickel ou de Manganèse positiveActive material Cobalt, manganese oxide, vanadium oxide, nickel electrode or positive manganese oxide
Tension & • 4 Volts . 3 Volts • 3 VoltsVoltage & • 4 Volts. 3 Volts • 3 Volts
Température de • ambiante - 45-50°C • ambiante - 55°C . 50-80°C fonctionnement• Ambient temperature - 45-50 ° C • ambient temperature - 55 ° C. 50-80 ° C operation
. cyclabilité (600-1000 • sécurité DOUΓ V.E • haute température de cycles-cellules unitaires) • haute densité d'énergie: 130- fonctionnement :. cyclability (600-1000 • DOUΓ V.E safety • high temperature of unit cell cycles) • high energy density: 130- operation:
Points forts • forte densité de 150 Wh/kg (200-240 km pour intéressant pour véhicule puissance V.E) électriqueStrengths • high density of 150 Wh / kg (200-240 km for interesting for electric vehicle V.E)
• oxvde de Mn atteint les . sécurité pour V.E objectifs de coût et toxicités • haute densité d'énergie: fixés pour le V.E 130-150Wh/kg (200-240• Mn oxide reaches. safety for V.E cost and toxicity targets • high energy density: set for V.E 130-150Wh / kg (200-240
• forte densité de puissance en km pour V.E) décharge• high power density in km for V.E) discharge
. sécurité insuffisante • cyclabilité relativement . incoπroatibilité entre pour V.E (Véhicule limitée (500 cycles pour l'oxvde de manganèse et électriαue) cellules unitaires) l'électrolvte t>olvmère. insufficient security • relatively cyclable. incoπroatibility between for V.E (Limited vehicle (500 cycles for the manganese and electric oxide) unit cells) the electrolyte t> olvmère
Points faibles • coût des oxydes de • vitesse de charge relativement • relativement faible cobalt et de nickel faible (C/10) densité de puissanceWeak points • cost of oxides of • relatively fast charge rate • relatively low cobalt and low nickel (C / 10) power density
• relativement faible densité d'énergie: 110-• relatively low energy density: 110-
130 Wh/kg (170-200 km
Figure imgf000004_0001
pour V.E)
130 Wh / kg (170-200 km
Figure imgf000004_0001
for VE)
Parmi les trois filières décrites ci-dessus, seules la première et la seconde sont actuellement commercialisées. La troisième ("lithium-polymère") faitAmong the three sectors described above, only the first and the second are currently marketed. The third ("lithium-polymer") is
lL800/66HdΛLDd SZ8ZS/66 O encore l'objet de travaux de recherche et développement .lL800 / 66HdΛLDd SZ8ZS / 66 O still the subject of research and development work.
Filière TADIRAN « 3 Volts » à anode de lithium métallique :TADIRAN “3 Volts” supply chain with metallic lithium anode:
Cette filière présente, du fait de la présence d'une électrode négative de lithium métallique, une limitation de sa durée de vie (500 cycles à l'heure actuelle) . En outre, la borne supérieure de la tension de travail est limitée à 3,4 Volts (borne supérieure de fonctionnement de l' electrolyte) . Cette limitation contraint, si l'on veut disposer de la plus grande capacité échangeable possible, à n'utiliser que les matériaux actifs d'électrode positive libérant leur capacité réversible au dessous de 3,4 Volts, et ne permet pas l'utilisation de matériaux actifs d'électrode positive à base d'oxydes de manganèse « libérant » une part significative de leur capacité au-dessus cette valeur.This die has, due to the presence of a negative lithium metal electrode, a limitation of its lifespan (500 cycles at present). In addition, the upper limit of the working voltage is limited to 3.4 Volts (upper operating terminal of the electrolyte). This limitation forces, if one wishes to have the greatest possible exchangeable capacity, to use only the active materials of positive electrode releasing their reversible capacity below 3.4 volts, and does not allow the use of positive electrode active materials based on manganese oxides "releasing" a significant part of their capacity above this value.
Filière Lithium-Ion « 4 Volts » à anode base carbone (SONY, SANYO, PANASONIC, SAFT,...)“4 Volts” Lithium-Ion system with carbon-based anode (SONY, SANYO, PANASONIC, SAFT, ...)
Ces filières présentent plusieurs limitations : = elles sont relativement limitées en densité d'énergie (meilleures performances : env. 120 Wh/kg) réelles utilisent pour l'instant comme matériaux actifs d'électrode positive des oxydes onéreux : oxydes de cobalt ou de nickel. Le principe de fonctionnement de toutes ces filières d'accumulateurs au lithium est le même: à chaque charge ou décharge de l'accumulateur, du lithium sous forme ionique (Li+) est échangé entre les électrodes positive et négative. La quantité d'énergie échangée (fournie par l'accumulateur en décharge ou fournie à l'accumulateur en charge) à chaque charge ou décharge est exactement proportionnelle à la quantité de lithium qu'il est possible d'échanger au cours de la réaction électrochimique. Ce lithium "échangeable" doit être fourni par une "source" de lithium. Cette source est l'électrode négative dans le cas des filières mettant en oeuvre une électrode négative en lithium métallique. Pour les filières mettant en oeuvre une électrode négative à base de carbone, qui ne contient en principe pas de lithium par construction, la source de lithium doit donc être contenue dans l'électrode positive. C'est dans ce cas le matériau actif d'électrode positive qui joue ce rôle de source de lithium. On voit qu'il est nécessaire d'incorporer dans la structure de ce matériau actif d'électrode positive au cours de sa synthèse la plus grande quantité de lithium possible afin de disposer d'une réserve de lithium suffisante pour disposer de performances électrochimiques intéressantes.These channels have several limitations: = they are relatively limited in energy density (best performance: approx. 120 Wh / kg) real use for the time being as active materials of positive electrode of expensive oxides: oxides of cobalt or nickel . The operating principle of all these lithium accumulator systems is the same: at each charge or discharge of the accumulator, lithium in ionic form (Li + ) is exchanged between the positive and negative electrodes. The quantity of energy exchanged (supplied by the accumulator in discharge or supplied to the accumulator in charge) at each charge or discharge is exactly proportional to the quantity of lithium which it is possible to exchange during the electrochemical reaction . This "exchangeable" lithium must be supplied by a "source" of lithium. This source is the negative electrode in the case of the dies using a negative lithium metal electrode. For the dies using a negative carbon-based electrode, which in principle does not contain lithium by construction, the source of lithium must therefore be contained in the positive electrode. It is in this case the active material of positive electrode which plays this role of lithium source. We see that it is necessary to incorporate into the structure of this active material of positive electrode during its synthesis the largest amount of lithium possible in order to have a sufficient reserve of lithium to have interesting electrochemical performances.
Un accumulateur se caractérise par sa tension de fonctionnement, qui est déterminée par la différence de potentiel entre l'électrode négative et la électrode positive. Le potentiel absolu (non mesurable) de l'électrode négative en lithium métallique est constante, car c'est un métal pur.An accumulator is characterized by its operating voltage, which is determined by the potential difference between the negative electrode and the positive electrode. The absolute potential (not measurable) of the negative electrode in metallic lithium is constant, because it is a pure metal.
La tension d'un accumulateur à électrode négative de lithium métallique est donc entièrement déterminée par le potentiel de l'électrode positive, qui dépend de la structure cristallographique du matériau actif d'électrode positive, et qui évolue en fonction de la quantité de lithium contenue dans celui-ci. Au cours d'une décharge de l'accumulateur, le lithium s'insère dans la structure cristalline de ce matériau actif dont le potentiel chute régulièrement. La tension de l'accumulateur baisse. C'est l'inverse au cours d'une charge. Les matériaux actifs présentent tous une évolution différente de leur potentiel (vs Li/Li+) en fonction de la quantité de lithium qu'ils contiennent : chaque matériau actif a ainsi une « signature électrochimique » caractéristique. Certains insèrent le lithium entre 3,5 et 4,5 Volts (C'est par exemple le cas des oxydes de cobalt dont le potentiel (vs Li/Li+) varie entre 3,5 V (pour LiCo02) et 4,5 Volts (pour Liι_xCo02, avec x≈0,7 à l'issue d'une charge de l'accumulateur).The voltage of an accumulator with a negative lithium metal electrode is therefore entirely determined by the potential of the positive electrode, which depends on the crystallographic structure of the active material of positive electrode, and which changes as a function of the quantity of lithium contained. In this one. During a discharge of the accumulator, the lithium is inserted into the crystal structure of this active material whose potential drops regularly. The battery voltage drops. It is the opposite during a charge. The active materials all show a different evolution of their potential (vs Li / Li +) according to the quantity of lithium which they contain: each active material thus has a characteristic “electrochemical signature”. Some people insert lithium between 3.5 and 4.5 Volts (This is the case, for example, of cobalt oxides whose potential (vs Li / Li +) varies between 3.5 V (for LiCo0 2 ) and 4.5 Volts (for Liι_ x Co0 2 , with x≈0.7 after charging the battery).
Comme autre exemple, le potentiel (vs Li/Li+) des oxydes de manganèse de composition voisine de Lio3 n02 utilisés par TADIRAN Batteries Ltd pour les accumulateurs élaborés suivant la technologie décrite dans le brevet US-A-5 506 068 insèrent le lithium entre 3,4 Volts (la composition du matériau actif d'électrode positive est alors voisine de Li0,3MnO2 ) et 2 Volts (la composition du matériau actif d'électrode positive est alors voisine de LiMn02) . C'est la filière « Lithium- métal, 3 Volts, à electrolyte liquide»As another example, the potential (vs Li / Li + ) of the manganese oxides of composition similar to Lio 3 no 2 used by TADIRAN Batteries Ltd for accumulators produced according to the technology described in patent US-A-5,506,068 include the lithium between 3.4 Volts (the composition of the active material of positive electrode is then close to Li 0, 3, MnO 2) and 2 volts (the composition of the active material of positive electrode is then close to LiMn0 2 ). This is the “Lithium-metal, 3 Volts, liquid electrolyte” process
D'autres matériaux à base d'oxydes de manganèse sont plus versatiles : c'est ainsi que les oxydes de manganèse de structure spinelle présentent habituellement deux « plateaux » de potentiel de fonctionnement. Par exemple pour le composé de structure spinelle de formule LiMn204 , la majeure partie du lithium est extraite de cette structure entre environ 3,2 Volts et 4,4 Volts (vs Li/Li+) (la composition du matériau actif d'électrode positive à l'issue de la charge jusqu'à 4,4 Volts est alors voisine de Mn204), tandis qu'il est possible d'insérer du lithium entre environ 3,2 Volts et 1,8 Volts dans la structure LiMn20<ι (la composition du matériau actif d'électrode positive à l'issue de la décharge jusqu'à 1,8 Volts de l'accumulateur est alors voisine de Li2Mn204) .Other materials based on manganese oxides are more versatile: this is how manganese oxides with a spinel structure usually have two "plateaus" of operating potential. For example, for the compound with a spinel structure of formula LiMn 2 0 4 , most of the lithium is extracted from this structure between approximately 3.2 volts and 4.4 volts (vs Li / Li + ) (the composition of the active material d positive electrode at the end of the charge up to 4.4 Volts is then close to Mn 2 0 4 ), while it is possible to insert lithium between approximately 3.2 Volts and 1.8 Volts in the structure LiMn 2 0 <ι (the composition of the active material of positive electrode at the end of the discharge up to 1.8 Volts of the accumulator is then close to Li 2 Mn 2 0 4 ).
On voit donc qu'il est possible et même nécessaire de choisir le composé actif de l'électrode positive afin d'optimiser les performances globales du système.It is therefore seen that it is possible and even necessary to choose the active compound of the positive electrode in order to optimize the overall performance of the system.
Filière lithium métallique « 3 volts » à electrolyte liquide :“3 volts” metallic lithium system with liquid electrolyte:
Chronologiquement, les premiers accumulateurs au lithium développés il y a une vingtaine d'années utilisaient une électrode négative en lithium métallique. Bien qu'offrant des densités d'énergie élevées grâce à l'importante réserve de lithium contenu dans l'électrode négative, cette filière a été abandonnée par la plupart des constructeurs de batteries du fait de la mauvaise reconstitution de la surface métallique à l'interface électrode négative/électrolyte au cours des cycles de charge et de décharge, conduisant à des durées de vie trop faibles (~ 200 cycles). L'expérience montrait en effet qu'au cours des cycles successifs charge/décharge, des phénomènes de croissance dendritique (sous forme d'aiguilles) apparaissaient lors de la reconstitution du lithium métal. Ces aiguilles finissaient au bout de 200 cycles environ par remplir l'espace entre l'électrode négative et la électrode positive, ce qui provoquait des court circuits internes. Toutefois, certains fabricants d'accumulateurs ont réussi à limiter ce phénomène. Par exemple, le document [11] de E. MENGERITSKY, P. DAN, I. WEISSMAN, A. ZABAN ; D. AURBACH, « Safety and Performances of TADIRAN TLR-7103 Rechargeable Batteries », J. Electrochem. Soc, vol. 143, n°7, July 1996 décrit un accumulateur fonctionnant entre 2 et 3,4 volts à électrode négative de lithium métallique et à electrolyte liquide présentant une durée de vie intéressante (néanmoins limitée à environ 500 cycles charge/décharge) grâce à une nouvelle formulation d' electrolyte. Cet electrolyte, outre le fait qu'il améliore significativement le comportement électrochimique de l'accumulateur, présente une autre caractéristique : En cas d'élévation anormale (supérieure à 3,5 Volts) de la tension ou de la température de l'accumulateur, l' electrolyte polymérise et cesse d'être conducteur ionique.Chronologically, the first lithium accumulators developed twenty years ago used a negative electrode made of metallic lithium. Although offering energy densities high thanks to the large reserve of lithium contained in the negative electrode, this sector was abandoned by most battery manufacturers due to the poor reconstruction of the metal surface at the negative electrode / electrolyte interface during cycles charging and discharging, leading to too short lifetimes (~ 200 cycles). Experience has shown that during successive charge / discharge cycles, dendritic growth phenomena (in the form of needles) appeared during the reconstitution of lithium metal. These needles would finish after about 200 cycles by filling the space between the negative electrode and the positive electrode, which caused short internal circuits. However, some battery manufacturers have managed to limit this phenomenon. For example, the document [11] by E. MENGERITSKY, P. DAN, I. WEISSMAN, A. ZABAN; D. AURBACH, “Safety and Performances of TADIRAN TLR-7103 Rechargeable Batteries”, J. Electrochem. Soc, vol. 143, n ° 7, July 1996 describes an accumulator operating between 2 and 3.4 volts with negative electrode of metallic lithium and with liquid electrolyte having an interesting lifetime (nevertheless limited to approximately 500 charge / discharge cycles) thanks to a new electrolyte formulation. This electrolyte, in addition to the fact that it significantly improves the electrochemical behavior of the accumulator, has another characteristic: In the event of an abnormal rise (greater than 3.5 Volts) in the voltage or the temperature of the accumulator, the electrolyte polymerizes and ceases to be ionic conductor.
Cette caractéristique permet à l'accumulateur d'offrir une grande sécurité d'utilisation. Cependant, on voit que la borne supérieure de tension de fonctionnement de l'accumulateur est voisine de 3,5 Volts. Dans un accumulateur de ce type, l'électrode négative en lithium métallique est alternativement consommée (décharge) puis reconstituée (charge) au cours d'un cycle décharge/charge. L'épaisseur de lithium consommée au cours de chaque décharge est usuellement comprise entre 10 et 20 micromètres de lithium (L'échange d'une capacité de 1 mAh par unité de surface d'électrode négative correspond à la consommation (théorique) d'une "tranche" de l'électrode négative de lithium métallique d'épaisseur égale à 4,88 micromètres. Usuellement, la capacité échangée par unité de surface d'électrode négative est comprise entre 2 et 4 mAh/cm2) . On n'aurait donc besoin en théorie que de mettre en oeuvre une électrode négative de lithium métallique d'épaisseur voisine de 20 micromètres.This characteristic allows the accumulator to offer great safety in use. However, it can be seen that the upper terminal of the operating voltage of the accumulator is close to 3.5 volts. In a battery of this type, the negative metallic lithium electrode is alternately consumed (discharged) then reconstituted (charged) during a discharge / charge cycle. The thickness of lithium consumed during each discharge is usually between 10 and 20 micrometers of lithium (The exchange of a capacity of 1 mAh per unit of negative electrode surface area corresponds to the (theoretical) consumption of one "slice" of the negative metallic lithium electrode with a thickness equal to 4.88 micrometers. Usually, the capacity exchanged per unit of negative electrode area is between 2 and 4 mAh / cm 2 ). In theory, therefore, it would only be necessary to use a negative metallic lithium electrode with a thickness close to 20 micrometers.
Cependant, une certaine quantité de lithium est consommée et perdue au cours des échanges électrochimiques successifs.However, a certain amount of lithium is consumed and lost during the successive electrochemical exchanges.
Afin d'allonger la durée de vie en cyclage des accumulateurs, on utilise en fait une électrode négative d'épaisseur plus grande que 20 micromètres.In order to extend the cycle life of the accumulators, a negative electrode with a thickness greater than 20 micrometers is in fact used.
En général, on utilise au moins 5 fois plus de lithium que la quantité théorique nécessaire au cours de la vie de l'accumulateur : l'électrode négative utilisée par TADIRAN Batteries Ltd par exemple est une feuille de métal d'environ 120 micromètres.In general, at least 5 times more lithium is used than the theoretical amount required during the life of the battery: the negative electrode used by TADIRAN Batteries Ltd for example is a metal sheet of about 120 micrometers.
Il est important de mentionner que plus l'épaisseur de lithium est importante, plus la durée de vie est grande.It is important to mention that the greater the thickness of lithium, the longer the service life.
C'est ainsi qu'on obtient environ 500 cycles avec 120 microns mais qu'on peut atteindre 600 cycles avec 140 microns de lithium.This is how we obtain around 500 cycles with 120 microns but we can reach 600 cycles with 140 microns of lithium.
Cependant, toute augmentation d'épaisseur de l'électrode de lithium consomme du volume, et se fait donc au détriment de la densité d'énergie de l'accumulateur. On voit donc qu'il y a un compromis à trouver entre la durée de vie en cyclage et la densité d'énergie de l'accumulateur.However, any increase in thickness of the lithium electrode consumes volume, and therefore takes place at the expense of the energy density of the accumulator. We therefore see that there is a compromise to be found between the cycle life and the energy density of the accumulator.
Filière « lithium-ion » 4 volts4-volt lithium-ion system
Une filière différente a été proposée au début des années 1980 afin de surmonter la difficulté que constituait la croissance dendritique. Elle consiste à substituer à l'électrode négative en lithium métallique un composé d'insertion du lithium à base de carbone. Dans ce cas, l'électrode négative de lithium métallique est remplacée par une électrode contenant un composé d'insertion du lithium à base de carbone dans lequel le lithium s'intercale réversiblement au cours des cycles successifs, exactement comme il le fait dans le composé d'insertion de l'électrode positive. C'est la filière « Lithium-ION, 4 Volts »A different path was proposed in the early 1980s to overcome the difficulty of dendritic growth. It consists of replacing the negative lithium metal electrode with a carbon-based lithium insertion compound. In this case, the negative metallic lithium electrode is replaced by an electrode containing a carbon-based lithium insertion compound in which the lithium reversibly intercalates during successive cycles, exactly as it does in the compound. insertion of the positive electrode. This is the “Lithium-ION, 4 Volts” sector
Cependant, du fait de ce choix, 10However, because of this choice, 10
• l'électrode négative n'est plus capable de faire office de réservoir de lithium nécessaire à la réaction électrochimique, ce qui rend obligatoire l'utilisation d'un composé d'électrode positive contenant par construction du lithium.• the negative electrode is no longer able to act as a lithium reservoir necessary for the electrochemical reaction, which makes the use of a positive electrode compound containing by construction of lithium compulsory.
• une partie du lithium issu de l'électrode positive est consommée irréversiblement par l'électrode négative en carbone lors de la première charge de l'accumulateur (correspondant à la première insertion du lithium dans l'électrode négative carbonée) , ce qui entraîne une perte équivalente de capacité de l'accumulateur.• part of the lithium from the positive electrode is irreversibly consumed by the carbon negative electrode when the battery is charged for the first time (corresponding to the first insertion of lithium into the carbonaceous negative electrode), which results in a equivalent loss of battery capacity.
Ces limitations impliquent qu'il est utile de pouvoir synthétiser un matériau actif d'électrode positive contenant le plus de lithium possible.These limitations imply that it is useful to be able to synthesize an active positive electrode material containing as much lithium as possible.
A titre d'exemple, les composés à base d'oxyde de manganèse présentant jusqu'à aujourd'hui les meilleures caractéristiques électrochimiques dans le cadre de la filière « Lithium-ION, 4 Volts » décrite ci-dessus sont des produits de structure spinelle de composition voisine de LiMn204. Ils permettent le cyclage électrochimique entre 3,2 et 4,4 Volts (vs Li/Li+) . On voit que dans ce cas, une partie du lithium contenu dans LiMn20«ι est consommé irréversiblement au cours de la première charge par l'électrode négative.By way of example, the compounds based on manganese oxide which have so far exhibited the best electrochemical characteristics in the context of the “Lithium-ION, 4 Volts” sector described above are products of spinel structure. of composition close to LiMn 2 0 4 . They allow electrochemical cycling between 3.2 and 4.4 Volts (vs Li / Li + ). We see that in this case, part of the lithium contained in LiMn 2 0 "ι is irreversibly consumed during the first charge by the negative electrode.
Les composés retenus par les industriels pour le développement de cette filière « Li-ION, 4 Volts » 11The compounds selected by manufacturers for the development of this “Li-ION, 4 Volts” sector 11
furent essentiellement des oxydes mixtes de lithium et de cobalt (LiCo02) ou de nickel (LiNi02) . Ces composés présentent en effet à la fois l'intérêt de pouvoir être synthétisés simplement par traitement thermique de précurseurs appropriés et de maintenir une densité d'énergie acceptable, supérieure à 100 Wh/kg. En effet, dans ce cas la quantité relativement faible de lithium stockée dans l'électrode positive (proportionnelle à la capacité I.t) est compensée par la tension de fonctionnement U élevée voisine de 4 Volts (Energie = U.I.t) .were essentially mixed oxides of lithium and cobalt (LiCo0 2 ) or nickel (LiNi0 2 ). These compounds have in fact both the advantage of being able to be synthesized simply by heat treatment of suitable precursors and of maintaining an acceptable energy density, greater than 100 Wh / kg. Indeed, in this case the relatively small amount of lithium stored in the positive electrode (proportional to the capacity It) is compensated by the high operating voltage U close to 4 Volts (Energy = UIt).
Depuis la fin des années 80, la plupart des fabricants d'accumulateurs développent cette filière « Li-ION, 4 Volts » (four Volts Lithium Ion Cell ou 4- Volts Li-ION en anglais) qui associe un composé d'électrode positive de type oxyde de cobalt LiCoO∑ ou de nickel LiNi02 fonctionnant entre 3,5 et 4,5 Volts (vs Li/Li+) et des matériaux d'électrode négatives carbonés spécifiques limitant la perte de capacité au lεr cycle [7] . Ces systèmes atteignent désormais des densités d'énergie voisines de 110 à 120 Wh/kg, correspondant à une autonomie de 170 à 200 km pour un véhicule électrique, et ont une durée de vie voisine de 800 cycles. Les inconvénients de ce type d'accumulateur sont le coût élevé des oxydes de cobalt et de nickel, et leur densité d'énergie qui demeure malgré tout relativement faible (comparée aux filières à électrode négative de lithium métallique) .Since the end of the 1980s, most manufacturers of accumulators have been developing this “Li-ION, 4 Volts” (Volts Lithium Ion Cell or 4-Volts Li-ION oven) which combines a positive electrode compound of Type LiCoOΣ cobalt oxide or nickel LiNi0 2 operating between 3.5 and 4.5 V (vs Li / Li +) and specific carbon negative electrode materials limiting the loss of capacity to the Er cycle [7]. These systems now reach energy densities of around 110 to 120 Wh / kg, corresponding to a range of 170 to 200 km for an electric vehicle, and have a lifespan of around 800 cycles. The disadvantages of this type of accumulator are the high cost of the oxides of cobalt and nickel, and their energy density which nevertheless remains relatively low (compared to the dies with negative electrode of metallic lithium).
Le but de la présente invention est de fournir un accumulateur (générateur électrochimique rechargeable) au lithium fonctionnant entre 1,8 et 4,3 volts qui ne 12The object of the present invention is to provide a lithium accumulator (rechargeable electrochemical generator) operating between 1.8 and 4.3 volts which does not 12
présente pas les inconvénients, limitations défauts et désavantages des accumulateurs de l'art antérieur.does not have the drawbacks, limitations, defects and disadvantages of accumulators of the prior art.
En particulier, le but de la présente invention est de fournir un accumulateur ou un générateur électrochimique rechargeable fonctionnant entre 1,8 et 4,3 volts, et présentant notamment des performances améliorées exprimées en termes de durée de vie en cyclage et en termes de densité d'énergie, par rapport à celles obtenues jusqu'à présent avec les accumulateurs au lithium disponible.In particular, the object of the present invention is to provide a rechargeable electrochemical accumulator or generator operating between 1.8 and 4.3 volts, and in particular having improved performance expressed in terms of cycle life and in terms of density. energy, compared to those obtained so far with the available lithium batteries.
Ce but et d'autres encore sont atteints conformément à l'invention en fournissant un accumulateur au lithium fonctionnant entre 1,8 et 4,3 volts et comportant une électrode négative, un electrolyte et un électrode positive caractérisée en ce que ladite électrode positive comprend en tant que matériau actif et avant qu'elle n'ait subi une quelconque opération de charge ou de décharge un oxyde de manganèse lithié ou surlithié de structure spinelle susceptible d'être obtenu par un procédé de préparation comprenant les trois étapes suivantes, réalisées successivement ou de manière simultanée : préparation d'une solution d'alkoxyde (alcoolate) de lithium par dissolution de lithium métallique dans l'alcool correspondant, ledit alcool étant choisi parmi les alcools issus des alcanes linéaires ou ramifiés comprenant au moins 3 atomes de carbone, les alcools issus des hydrocarbures aliphatiques insaturés, et leurs mélanges ; 13This object and others are achieved in accordance with the invention by providing a lithium battery operating between 1.8 and 4.3 volts and comprising a negative electrode, an electrolyte and a positive electrode characterized in that said positive electrode comprises as an active material and before it has undergone any charging or discharging operation a lithiated or superlithiated manganese oxide of spinel structure capable of being obtained by a preparation process comprising the following three steps, carried out successively or simultaneously: preparation of a solution of lithium alkoxide (alcoholate) by dissolving metallic lithium in the corresponding alcohol, said alcohol being chosen from alcohols derived from linear or branched alkanes comprising at least 3 carbon atoms, alcohols from unsaturated aliphatic hydrocarbons, and mixtures thereof; 13
addition d'une poudre d'oxyde de manganèse à ladite solution d'alkoxyde de lithium pour obtenir une dispersion ; réduction ménagée dudit oxyde de manganèse par ledit alkoxyde jusqu'à obtention d'un oxyde de manganèse « lithié ou surlithié » présentant la stœchiométrie définie (voulue) Li : Métal, cette stœchiométrie est dépendante de la composition et de la structure de l'oxyde de manganèse initial ; ledit procédé comprenant ensuite, en outre, les étapes suivantes :adding a manganese oxide powder to said lithium alkoxide solution to obtain a dispersion; controlled reduction of said manganese oxide by said alkoxide until a “lithiated or over-lithium” manganese oxide is obtained having the defined (desired) stoichiometry Li: Metal, this stoichiometry is dependent on the composition and structure of the oxide initial manganese; said method then further comprising the following steps:
- évaporation de l'alcool résiduel ;- evaporation of the residual alcohol;
- rinçage de la poudre ainsi obtenue ;- rinsing of the powder thus obtained;
- séchage de la poudre ; - éventuellement en outre, étape supplémentaire de traitement thermique réalisé après le séchage.- drying of the powder; - optionally also, additional heat treatment step carried out after drying.
Par oxyde de manganèse de structure spinelle, on entend également tous les composés formés d'un mélange de structure spinelle avec un autre composé oxyde de manganèse en toutes proportions.By manganese oxide of spinel structure is also meant all the compounds formed of a mixture of spinel structure with another manganese oxide compound in all proportions.
Par « surlithiation », on entend l'insertion de lithium dans la structure d'un oxyde de métal de transition commercial, préalablement à son incorporation dans l'électrode positive ; le composé vsurlithié' ainsi formé présentant des caractéristiques similaires (chimiques, cristallographiques, électrochimiques) à celles du produit obtenu par l'insertion du lithium dans l'oxyde commercial initial tel qu'il est généré au cours d'une décharge infiniment 14By "superlithiation" is meant the insertion of lithium into the structure of a commercial transition metal oxide, prior to its incorporation into the positive electrode; compound v superlithium 'thus formed having similar characteristics (chemical, crystallographic, electrochemical) to those of the product obtained by the insertion of lithium in the initial commercial oxide as it is generated during a discharge infinitely 14
lente de l'accumulateur jusqu'à une tension comprise entre la tension d'abandon de cet oxyde initial (vs Li/Li+) et 1,0 volt (vs Li/Li+) .slowly from the accumulator to a voltage between the dropout voltage of this initial oxide (vs Li / Li + ) and 1.0 volt (vs Li / Li + ).
Par lithiation, ou produit lithié, on entend toute étape intermédiaire entre le produit initial et la surlithiation correspondant au produit surlithié défini ci-dessus .By lithiation, or lithiated product, is meant any intermediate step between the initial product and the overlithiation corresponding to the overlithiated product defined above.
Un accumulateur comprenant en tant que matériau actif d'électrode positive et préalablement à toute charge ou décharge, l'oxyde de manganèse lithié ou surlithié spécifique ci-dessus n'a jamais été mentionné ni suggéré dans l'art antérieur.An accumulator comprising as active material of positive electrode and prior to any charge or discharge, the lithiated or superlithiated manganese oxide specific above has never been mentioned or suggested in the prior art.
Un tel accumulateur doté d'un tel matériau actif d'électrode positive spécifique permet d'atteindre des performances améliorées de manière surprenante en matière de densité d'énergie et de durée de vie en cyclage .Such an accumulator provided with such a specific positive electrode active material makes it possible to achieve surprisingly improved performance in terms of energy density and cycle life.
Le procédé mis en oeuvre dans l'invention pour préparer l'oxyde de manganèse lithié ou surlithié se différencie fondamentalement des procédés de l'art antérieur pour la préparation d'oxydes de métal de transition « lithiés ou surlithiés » et en particulier d'oxydes de Mn, en ce qu'il utilise en tant qu'intermédiaire réactionnel des alkoxydes de lithium qui sont selon une caractéristique essentielle de ce procédé obtenus par dissolution de lithium métallique dans l'alcool correspondant ce dernier étant un alcool issu d'un alcane linéaire ou ramifié ayant au moins 3 atomes de carbone ou un alcool issu d'un hydrocarbure aliphatique insaturé. 15The process used in the invention for preparing lithiated or superlithiated manganese oxide differs fundamentally from the processes of the prior art for the preparation of “lithiated or over-lithium” transition metal oxides and in particular oxides of Mn, in that it uses as reaction intermediate lithium alkoxides which are, according to an essential characteristic of this process, obtained by dissolving metallic lithium in the corresponding alcohol, the latter being an alcohol derived from a linear alkane or branched having at least 3 carbon atoms or an alcohol derived from an unsaturated aliphatic hydrocarbon. 15
Il est bien entendu que l'on peut utiliser un mélange quelconque de ces alcools en toutes proportions .It is understood that one can use any mixture of these alcohols in all proportions.
L'utilisation d' alkoxydes de lithium dans l'élaboration de composés d'électrodes positives pour accumulateurs au lithium a certes déjà été mentionnée, en particulier pour l'élaboration d'oxydes de vanadium lithiés. (Brevet US-A-5 549 880). Cependant, le procédé mis en oeuvre dans ce document utilise de la lithine LiOH et un alcool comme précurseurs de préparation de l' alkoxyde, si bien que du fait des constantes d'équilibre chimique entre LiOH et les alcools, la solution obtenue ne peut contenir des quantités appréciables d'alkoxyde que si l'alcool retenu est un alcool léger (essentiellement methanol ou éthanol) .The use of lithium alkoxides in the preparation of positive electrode compounds for lithium accumulators has certainly already been mentioned, in particular for the preparation of lithiated vanadium oxides. (US-A-5,549,880). However, the process used in this document uses lithine LiOH and an alcohol as precursors for the preparation of the alkoxide, so that due to the chemical equilibrium constants between LiOH and the alcohols, the solution obtained cannot contain appreciable amounts of alkoxide only if the alcohol retained is a light alcohol (essentially methanol or ethanol).
Ce document dissuade d'utiliser des alcools plus lourds et conseille expressément de mettre en oeuvre du methanol ou de l'ethanol comme c'est le cas dans l'exemple unique de ce document.This document discourages the use of heavier alcohols and expressly advises using methanol or ethanol as is the case in the unique example of this document.
L'utilisation d'un alcool plus lourd comme en particulier le pentanol-1, dans les conditions du procédé de ce document où l'on part de lithine, ne conduit qu'à la formation d'alkoxyde en très faible concentration dans la solution, et donc à des cinétiques de réaction très faibles.The use of a heavier alcohol such as pentanol-1 in particular, under the conditions of the process of this document where one starts from lithine, only leads to the formation of alkoxide in very low concentration in the solution , and therefore at very low reaction kinetics.
Or, le procédé mis en oeuvre dans la présente demande met en évidence la nécessité de disposer d'un alkoxyde provenant de la réaction entre un alcool issu d'un alcane linéaire ou ramifié, contenant au moins 3 16However, the process used in the present application highlights the need for an alkoxide originating from the reaction between an alcohol derived from a linear or branched alkane, containing at least 3 16
atomes de carbone ou un alcool issu d'un hydrocarbure aliphatique insaturé.carbon atoms or an alcohol from an unsaturated aliphatic hydrocarbon.
De manière générale, il a été mis en évidence que les oxydes de métaux de transition lithiés ou surlithiés et en particulier les oxydes de Mn lithiés ou surlithiés se délithient dans l'ethanol, ainsi, à titre d'exemple, nous avons pu montrer qu'un spinelle LiMn204 lithié par le procédé mis en oeuvre dans la présente demande dans du pentanol-1 se délithie rapidement lors de son séjour dans de l'ethanol absolu.In general, it has been demonstrated that the oxides of lithiated or superlithiated transition metals and in particular the oxides of Mn lithiated or superlithiated delithelate in ethanol, thus, by way of example, we have been able to show that 'a LiMn204 spinel lithiated by the process used in the present application in pentanol-1 decays quickly during its stay in absolute ethanol.
Ceci confirme la prédominance de la stabilité de l'éthoxyde de lithium par rapport aux oxydes de manganèse lithiés ou surlithiés par le présent procédé, et donc par la réciproque l'impossibilité d'obtenir ces mêmes composés lithiés ou surlithiés en dispersion dans une solution d'alcool léger tels que l'ethanol ou le methanol .This confirms the predominance of the stability of lithium ethoxide with respect to the manganese oxides lithiated or superlithiated by the present process, and therefore by the reciprocal impossibility of obtaining these same lithiated or superlithiated compounds in dispersion in a solution of 'light alcohol such as ethanol or methanol.
La préparation de l' alkoxyde à partir de lithium métallique selon la première étape du procédé de préparation d'oxyde de manganèse lithié ou surlithié de la présente demande permet, de manière surprenante d'obtenir des solutions concentrés d'alkoxyde de lithium même avec des alcools comprenant 3 atomes de carbone et plus au contraire du document US-A-5 549 880.The preparation of the alkoxide from metallic lithium according to the first step of the process for the preparation of lithiated or superlithiated manganese oxide of the present application makes it possible, surprisingly, to obtain concentrated solutions of lithium alkoxide even with alcohols comprising 3 carbon atoms and more on the contrary of document US-A-5,549,880.
De ce fait, la cinétique de la lithiation de l'oxyde de manganèse est plus rapide, voire même instantanée, et le rendement est voisin de 1 grâce au caractère plus réducteur des alkoxydes lourds (issus d'alcools dérivés d'alcanes linéaires ou ramifiés ayant au minimum trois atomes de carbone, ou d'alcools 17As a result, the kinetics of the lithiation of manganese oxide is faster, or even instantaneous, and the yield is close to 1 thanks to the more reducing nature of the heavy alkoxides (derived from alcohols derived from linear or branched alkanes having at least three carbon atoms, or alcohols 17
dérivés d'hydrocarbures aliphatiques insaturés) par rapport aux alkoxydes légers.derived from unsaturated aliphatic hydrocarbons) compared to light alkoxides.
Le procédé de préparation mis en oeuvre se situe dans un domaine différent qui est celui d'une chimie dite « douce » réalisée en solution et à faible température .The preparation process used is in a different field which is that of so-called “soft” chemistry carried out in solution and at low temperature.
Le procédé de préparation mis en oeuvre dans la présente demande apporte une solution aux problèmes posés par les procédés de l'art antérieur. En effet, il ne fait appel qu'à des réactifs usuels, peu coûteux, facilement disponibles et qui ne présentent pas de risques particuliers.The preparation process used in the present application provides a solution to the problems posed by the processes of the prior art. Indeed, it only uses common reagents, inexpensive, readily available and which do not present any particular risks.
Le procédé de préparation mis en oeuvre, au contraire des procédés de l'art antérieur présente en outre une cinétique rapide et ne comporte que peu d'étapes intermédiaires puisque l'étape essentielle du procédé est la réduction ménagée de l'oxyde de manganèse.The preparation process used, unlike the processes of the prior art also has rapid kinetics and comprises only a few intermediate steps since the essential step of the process is the controlled reduction of manganese oxide.
Le procédé de préparation mis en oeuvre est suffisamment « doux » et précis pour ne pas s'écarter de la stœchiométrie souhaitée.The preparation process used is sufficiently "gentle" and precise not to deviate from the desired stoichiometry.
La réaction s'arrête en effet à une stœchiométrie Li : manganèse parfaitement définie par le choix de l'alcool, même en présence d'un large excès d'alkoxyde, et qui est fonction de la composition et de la structure cristallographique de l'oxyde de manganèse initial .The reaction indeed stops at a Li: manganese stoichiometry perfectly defined by the choice of alcohol, even in the presence of a large excess of alkoxide, and which is a function of the composition and of the crystallographic structure of the initial manganese oxide.
Par stœchiométrie parfaitement définie, on entend généralement un rapport Li : Manganèse supérieur ou égal à 0,5, de préférence de 0,5 à 2. Le procédé de préparation mis en oeuvre a également l'avantage d'être significative ent moins coûteux que les deux autres premiers procédés de l'art antérieur décrits plus haut. Ainsi il a pu être estimé en se basant sur les coûts évalués par comparaison des prix d'une mole de réactif de lithiation (mole de lithium) , que le procédé de préparation mis en oeuvre avait un coût divisé par environ 18 par rapport au procédé de préparation utilisant l'iodure de lithium et un temps de réaction divisé par 20, et un coût divisé par 3 par rapport au procédé utilisant le n-butyl lithium et un temps de réaction divisé par au moins 100.By perfectly defined stoichiometry, we generally mean a Li: Manganese ratio greater than or equal to 0.5, preferably from 0.5 to 2. The preparation process used also has the advantage of being significantly less expensive than the other two first processes of the prior art described above. It could therefore be estimated, based on the costs evaluated by comparing the prices of one mole of lithiation reagent (mole of lithium), that the preparation process used had a cost divided by about 18 compared to the process of preparation using lithium iodide and a reaction time divided by 20, and a cost divided by 3 compared to the process using n-butyl lithium and a reaction time divided by at least 100.
Le procédé de préparation mis en oeuvre présente l'avantage de pouvoir être réalisé à basse température ; par basse ou faible température, on entend généralement que les différentes étapes sont soit réalisées à température ambiante - généralement voisine de 20°C - comme c'est le cas de la préparation de la solution d'alkoxyde de lithium, de l'addition de la poudre d'oxyde de manganèse à la solution d'alkoxyde de lithium ou encore du rinçage de la poudre obtenue, soit à une température basse ou faible comme c'est le cas de la réduction ménagée qui est généralement réalisée à une température de 50 ou 70 à 260°C qui correspond sensiblement à la température d'ébullition de l'alcool mis en œuvre (porté au reflux), ou le séchage généralement réalisé à une température de 80 à 150°C. Bien entendu, ces gammes de température peuvent être abaissées jusqu'à la température ambiante ou plus 19The preparation process used has the advantage of being able to be carried out at low temperature; by low or low temperature, it is generally understood that the various stages are either carried out at ambient temperature - generally close to 20 ° C. - as is the case with the preparation of the lithium alkoxide solution, the addition of manganese oxide powder with lithium alkoxide solution or alternatively rinsing the powder obtained, either at a low or low temperature, as is the case with controlled reduction, which is generally carried out at a temperature of 50 or 70 to 260 ° C which corresponds substantially to the boiling temperature of the alcohol used (brought to reflux), or drying generally carried out at a temperature of 80 to 150 ° C. Of course, these temperature ranges can be lowered to room temperature or more 19
bas, si au lieu de travailler à la pression atmosphérique on opère sous pression réduite.low, if instead of working at atmospheric pressure one operates under reduced pressure.
La mise en œuvre de températures basses ou faible favorise l'obtention d'un composé réversible électrochimiquement et de stœchiométrie Li : Métal parfaitement définie.The use of low or low temperatures favors obtaining an electrochemically reversible compound and of Li: Metal stoichiometry perfectly defined.
Le fait d'utiliser, dans l'accumulateur selon l'invention un matériau actif d'électrode positive spécifique à base d'oxyde de manganèse de structure spinelle lithié ou surlithié susceptible d'être obtenu par le procédé décrit ci-dessus, permet, par rapport aux performances observées sur les cellules fabriquées par les fabricants actuels d'accumulateurs au lithium mais n'utilisant pas ce matériau, d'obtenir des performances suivantes en termes de :The fact of using, in the accumulator according to the invention, a specific active positive electrode material based on manganese oxide of lithiated or superlithiated spinel structure capable of being obtained by the process described above, makes it possible, compared to the performances observed on the cells manufactured by the current manufacturers of lithium accumulators but not using this material, to obtain the following performances in terms of:
• densité d'énergie : 130 Wh/kg• energy density: 130 Wh / kg
• durée de vie : 800 à 1000 cycles• lifespan: 800 to 1000 cycles
• coût : réduit d'au moins 15%• cost: reduced by at least 15%
On voit donc que les performances sont au moins équivalentes à celles des accumulateurs commercialisés actuellement, pour un coût réduit de 15% au moins.It can therefore be seen that the performance is at least equivalent to that of the batteries currently on the market, at a cost reduced by at least 15%.
En effet, l'utilisation de ce type de matériau à base d'oxyde de manganèse de structure spinelle lithié ou surlithié selon le procédé de préparation décrit plus haut à la place des composés habituellement utilisés permet, par rapport aux performances 20Indeed, the use of this type of material based on manganese oxide of lithiated or superlithiated spinel structure according to the preparation process described above in place of the compounds usually used makes it possible, with respect to the performances 20
présentées par rapport aux filières commercialisées aujourd'hui :presented in relation to the sectors marketed today:
• de conserver, voire d'améliorer la durée de vie en cyclage grâce à l'amélioration du comportement électrochimique du matériau actif d'électrode positive à base d'oxyde de manganèse spécifique lithié ou surlithié : celui-ci est en effet « formé » au cours du procédé de prélithiation dans sa configuration « déchargée » dans laquelle le cristal est le plus contraint (et dans laquelle il contient au moins autant de lithium que ce qu' il en contient à l'issue d'une décharge complète de l'accumulateur) et introduit tel quel dans l'électrode positive de l'accumulateur lors de l'élaboration de cette dernière. Lorsqu'un matériau à base d'oxyde de manganèse non lithié ou non surlithié est intégré dans une électrode positive, il subit au cours de la première décharge (première insertion du lithium) des contraintes fortes qui peuvent aller jusqu'à fracturer les grains de matériau actif et nuire ainsi (par pertes de contacts entre grains de matériau) à la bonne qualité du contact électronique et ionique au sein de la couche d'électrode positive qui est indispensable pour un fonctionnement électrochimique correct.• to conserve or even improve the cycle life thanks to the improvement of the electrochemical behavior of the active material of positive electrode based on specific lithiated or superlithiated manganese oxide: it is indeed "formed" during the prelithiation process in its "discharged" configuration in which the crystal is the most constrained (and in which it contains at least as much lithium as what it contains after a complete discharge of the accumulator) and introduced as is into the positive electrode of the accumulator during the development of the latter. When a non-lithiated or non-overlithiated manganese oxide material is integrated into a positive electrode, it undergoes during the first discharge (first insertion of lithium) strong stresses which can go as far as fracturing the grains of active material and thus harm (by loss of contact between grains of material) the good quality of the electronic and ionic contact within the positive electrode layer which is essential for correct electrochemical functioning.
• de conserver, voire d'améliorer la densité d'énergie (Wh/kg et Wh/1) de l'accumulateur, grâce:• to conserve or even improve the energy density (Wh / kg and Wh / 1) of the accumulator, thanks to:
1) au choix de structures cristallographiques particulières d'oxydes de manganèse, qui, 211) the choice of particular crystallographic structures of manganese oxides, which, 21
ayant subi le procédé de lithiation ou prélithiation décrit plus haut, libèrent une capacité réversible supérieure à 180 mAh par gramme de matériau actif dans une plage de tension de fonctionnement comprise entre 1,8 et 4,3 Volts: malgré la consommation irréversible, au cours de la première charge, d'une partie du lithium issu du matériau actif d'électrode positive dans le matériau carboné d'électrode négative, la grande quantité de lithium stocké par construction dans le matériau actif d'électrode positive compense la cette perte de capacité et l'accumulateur complet présente une densité d'énergie voisine de 130 Wh/kg.having undergone the lithiation or prelithiation process described above, release a reversible capacity greater than 180 mAh per gram of active material in an operating voltage range between 1.8 and 4.3 Volts: despite irreversible consumption, during of the first charge, of a part of the lithium coming from the active material of positive electrode in the carbonaceous material of negative electrode, the large quantity of lithium stored by construction in the active material of positive electrode compensates for this loss of capacity and the complete accumulator has an energy density close to 130 Wh / kg.
• de diminuer significativement le coût des accumulateurs (au moins 15% du coût)• significantly reduce the cost of accumulators (at least 15% of the cost)
La part du composé actif d'électrode positive à base d'oxyde de cobalt ou de nickel dans le coût total de l'accumulateur peut être évaluée à 20%.The part of the active compound of positive electrode based on cobalt or nickel oxide in the total cost of the accumulator can be evaluated at 20%.
Le coût des matériaux à base d'oxydes de manganèse (incluant le procédé de lithiation) étant environ trois fois moins élevé que celui des oxydes précédemment cités, on peut estimer que leur utilisation comme matériau actif d'électrode positive permettra un gain de l'ordre de 15% du coût des accumulateurs, à performances électrochimiques équivalentes. 22The cost of materials based on manganese oxides (including the lithiation process) being approximately three times lower than that of the abovementioned oxides, it can be estimated that their use as active material of positive electrode will allow a gain of the around 15% of the cost of accumulators, with equivalent electrochemical performance. 22
Selon l'invention, l'oxyde de manganèse lithié ou surlithié de structure spinelle susceptible d'être obtenu par le procédé de préparation d'un oxyde de manganèse lithié ou surlithié de structure spinelle tel qu'il est décrit plus haut est de préférence issu d'un composé initial choisi parmi les oxydes de manganèse de structure spinelle et situés dans le domaine du diagramme de phases Li, Mn, 0 délimité par les compositions Mn02, Li2Mn204 , Li4Mn52 un traitement thermique n'est alors pas nécessaire.According to the invention, the lithiated or superlithiated manganese oxide of spinel structure capable of being obtained by the process for the preparation of a lithiated or superlithiated manganese oxide of spinel structure as described above is preferably obtained of an initial compound chosen from manganese oxides of spinel structure and located in the field of the phase diagram Li, Mn, 0 delimited by the compositions Mn0 2 , Li 2 Mn 2 0 4 , Li 4 Mn 52 a treatment thermal is then not necessary.
Ce composé initial peut également être du β- Mn02, on obtient alors à l'issu du traitement de lithiation ou surlithiation et sans qu'il soit nécessaire de mettre en oeuvre un traitement thermique supplémentaire une spinelle Li2Mn204 qui est l'oxyde de manganèse lithié ou surlithié jouant le rôle de matériau actif d'électrode positive.This initial compound can also be β- Mn0 2 , one then obtains at the end of the lithiation treatment or over-lithiumization and without it being necessary to implement an additional heat treatment a spinel Li 2 Mn 2 0 4 which is manganese oxide lithiated or superlithiated playing the role of active material of positive electrode.
Le composé initial peut être un composé de formule Li0,3 nO2 ("TADIRAN") ou un composé de formule voisine (par exemple Lio,33Mn02,03) à l'issue de la lithiation on obtient un composé de formule voisine de LiιMn02 ("TADIRAN Lithié") qui n'a pas la structure spinelle, ce composé est stable et lorsqu'il est chauffé à 250 °C pendant 1 heure ne présente pas de changement de structure.The initial compound can be a compound of formula Li 0 , 3 nO 2 ("TADIRAN") or a compound of neighboring formula (for example Lio, 33 Mn0 2 , 03 ) at the end of the lithiation a compound of formula is obtained close to LiιMn0 2 ("TADIRAN Lithié") which does not have the spinel structure, this compound is stable and when it is heated at 250 ° C. for 1 hour does not exhibit any change in structure.
Par contre si l'on soumet ce composé à un traitement thermique à une température de 300°C à 800°C pendant une durée de 30 minutes à 3 heures de préférence 1 heure, par exemple, si l'on chauffe ce composé pendant 1 heure à 300°C, on obtient un composé formé d'un mélange de phases 23On the other hand, if this compound is subjected to a heat treatment at a temperature of 300 ° C. to 800 ° C. for a period of 30 minutes to 3 hours, preferably 1 hour, for example, if this compound is heated for 1 hour at 300 ° C., a compound formed from a mixture of phases is obtained 23
xLiιMn02 + (1-x) Li2Mn20<j (structure spinelle) avec 0 < x < 1xLiιMn0 2 + (1-x) Li 2 Mn 2 0 <j (spinel structure) with 0 <x <1
En effet, le composé formant le matériau actif d'électrode doit généralement toujours comprendre ne serait ce qu'une quantité infinitésimale de composé spinelle .Indeed, the compound forming the active electrode material must generally always include even an infinitesimal quantity of spinel compound.
En faisant varier la température du traitement thermique par exemple de 300°C à 800°C de préférence de 300 à 500 ou 600°C, et sa durée par exemple de 30 minutes à 3 heures, de préférence de 1 à 3 heures, on fait varier x et on obtient tous les mélanges possibles .By varying the temperature of the heat treatment, for example from 300 ° C. to 800 ° C., preferably from 300 to 500 or 600 ° C., and its duration, for example, from 30 minutes to 3 hours, preferably from 1 to 3 hours, it is possible to varies x and we obtain all possible mixtures.
Enfin, le composé de départ peut être du gamma Mn02 ou du ε Mn02. On a alors recourt à un traitement thermique à l'issue de la lithiation pour obtenir une structure particulière décrite plus loin.Finally, the starting compound can be gamma Mn0 2 or ε Mn0 2 . A heat treatment is then used at the end of the lithiation in order to obtain a particular structure described below.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre illustratif et non limitatif en référence aux dessins joints dans lesquels :The invention will be better understood on reading the description which follows given by way of illustration and not limitation with reference to the attached drawings in which:
- la figure 1 est un diagramme de diffraction des rayons X (ordonnée : Intensité en unité arbitraire, abscisse : 2 Thêta en degrés, λ = 1,5406 Â) montrant l'évolution de la structure cristallographique d'un composé initial de type spinelle de formule Liι29Mnι,7ι04 avec Li : Mn = 0,75 (diagramme du bas), après lithiation par le procédé selon l'invention (diagramme du haut) et insertion de 0,56 mole de Li, comme cela est décrit dans l'exemple 1. 24- Figure 1 is an X-ray diffraction diagram (ordinate: Intensity in arbitrary unit, abscissa: 2 Theta in degrees, λ = 1.5406 Â) showing the evolution of the crystallographic structure of an initial compound of spinel type of formula Liι 2 9Mnι, 7 ι0 4 with Li: Mn = 0.75 (bottom diagram), after lithiation by the process according to the invention (top diagram) and insertion of 0.56 mole of Li, as is described in Example 1. 24
- la figure 2A est une figure donnant U(V) en fonction de Δx (Li/Mn) pour un composé d'électrode obtenu à partir de Li0,33Mn02 03 ("TADIRAN") lithié puis traité thermiquement à 300°C pendant 1 heure ; - la figure 2B est la dérivée de la figure 2B et porte dx/dU en fonction de U(V) ;- Figure 2A is a figure giving U (V) as a function of Dx (Li / Mn) for an electrode obtained from compound Li 0, 3 3Mn0 2 03 ( "TADIRAN") lithiated then heat-treated at 300 ° C for 1 hour; - Figure 2B is the derivative of Figure 2B and carries dx / dU as a function of U (V);
- les figures 3 et 4 représentent respectivement un 1er cycle de charge-décharge et les 7 premiers cycles de charge-décharge pour l'accumulateur de l'exemple 1, en abscisse est indiquée la capacité C en mAh/g et en ordonnée la tension (U) en volts ;- Figures 3 and 4 respectively represent a 1st charge-discharge cycle and the first 7 charge-discharge cycles for the accumulator of Example 1, on the abscissa is indicated the capacity C in mAh / g and on the ordinate the voltage (U) in volts;
- la figure 5 est une figure donnant U(V) en fonction de Δx (Li/Mn) pour l'accumulateur de l'exemple 3.FIG. 5 is a figure giving U (V) as a function of Δx (Li / Mn) for the accumulator of Example 3.
De manière plus précise, l'oxyde de manganèse lithié ou surlithié est susceptible d'être obtenu par un procédé de préparation qui comprend donc tout d'abord la préparation d'une solution d'alkoxyde de lithium dans l'alcool correspondant.More specifically, the lithiated or superlithiated manganese oxide can be obtained by a preparation process which therefore firstly comprises the preparation of a solution of lithium alkoxide in the corresponding alcohol.
L'alcool est selon l'invention choisi parmi les alcools dérivés des alcanes linéaires ou ramifiés comprenant au moins 3 atomes de carbone, de préférence de 3 à 10 atomes de carbone, les alcools dérivés des hydrocarbures aliphatiques non saturés, et leurs mélanges .The alcohol is according to the invention chosen from alcohols derived from linear or branched alkanes comprising at least 3 carbon atoms, preferably from 3 to 10 carbon atoms, alcohols derived from unsaturated aliphatic hydrocarbons, and their mixtures.
Le pentanol-1 est 1 ' isopropanol sont préférés. L'alcool se trouve généralement en excès par rapport au lithium. 25Pentanol-1 and isopropanol are preferred. Alcohol is usually found in excess compared to lithium. 25
La solution d'alkoxyde de lithium est généralement préparée par addition de lithium métal dans l'alcool à température ambiante (généralement 20°C) et sous atmosphère de gaz inerte telle que l'argon ou d'air sec.The lithium alkoxide solution is generally prepared by adding lithium metal in alcohol at room temperature (generally 20 ° C) and under an atmosphere of inert gas such as argon or dry air.
La solution d'alkoxyde de lithium ainsi obtenue a généralement une concentration supérieure ou égale à 0,01 mole par litre, de préférence une concentration de 0,1 à 10 moles par litre en alkoxyde de lithium. On ajoute ensuite une poudre d'oxyde de manganèse de transition à la solution d'alkoxyde de lithium dans l'alcool correspondant préparée lors de la première étape, en vue d'obtenir une dispersion.The lithium alkoxide solution thus obtained generally has a concentration greater than or equal to 0.01 mole per liter, preferably a concentration of 0.1 to 10 moles per liter of lithium alkoxide. A transition manganese oxide powder is then added to the solution of lithium alkoxide in the corresponding alcohol prepared during the first step, in order to obtain a dispersion.
L' alkoxyde de lithium est généralement en léger excès par rapport à l'alcool correspondant.The lithium alkoxide is generally in slight excess relative to the corresponding alcohol.
Ledit oxyde de manganèse est choisi parmi les oxydes de manganèse, et les oxydes mixtes de manganèse avec un autre métal choisi par exemple parmi les métaux alcalins et alcalino-terreux. Par oxyde, on entend également toutes les formes cristallines que peuvent prendre les oxydes de manganèse cités ci-dessus.Said manganese oxide is chosen from manganese oxides, and mixed manganese oxides with another metal chosen, for example, from alkali and alkaline earth metals. By oxide is also meant all the crystalline forms which the manganese oxides mentioned above can take.
L'étape de réduction ménagée est généralement réalisée en chauffant jusqu'au reflux la dispersion obtenue dans l'étape précédente, puis en la maintenant au reflux à pression atmosphérique et à la température de réaction, qui correspond donc sensiblement à la température d'ébullition de l'alcool utilisé. Cette température d'ébullition pouvant bien entendu varier avec la pression de travail. 2 6The reduction step provided is generally carried out by heating the dispersion obtained in the previous step to reflux, then maintaining it at reflux at atmospheric pressure and at the reaction temperature, which therefore corresponds substantially to the boiling temperature. alcohol used. This boiling temperature can of course vary with the working pressure. 2 6
La réaction est réalisée de préférence sous agitation et sous atmosphère inerte de préférence sous balayage d'argon.The reaction is preferably carried out with stirring and under an inert atmosphere, preferably under an argon sweep.
Elle peut cependant également être réalisée sous pression réduite par rapport à la pression atmosphérique, ce qui permet de diminuer la température d'ébullition de l'alcool utilisé, et donc de réaliser la réaction à température plus faible.However, it can also be carried out under reduced pressure relative to atmospheric pressure, which makes it possible to reduce the boiling temperature of the alcohol used, and therefore to carry out the reaction at a lower temperature.
Dans le cas où du pentanol-1 est mis en œuvre en tant qu'alcool, le reflux peut ainsi être réalisé à pression atmosphérique à une température de 139°C sensiblement égale à la température d'ébullition du pentanol-1 à la pression atmosphérique.In the case where pentanol-1 is used as alcohol, the reflux can thus be carried out at atmospheric pressure at a temperature of 139 ° C. substantially equal to the boiling temperature of pentanol-1 at atmospheric pressure .
Dans ce même cas d'utilisation du pentanol-1 où l'on choisit de travailler sous pression inférieure à la pression atmosphérique, le reflux est alors réalisé à une température inférieure à 139°C, et typiquement à une température comprise entre la température ambiante et 139°C. Cette diminution de la température de travail permet, au stade industriel :In this same case of use of pentanol-1 where one chooses to work under pressure lower than atmospheric pressure, the reflux is then carried out at a temperature below 139 ° C, and typically at a temperature between room temperature and 139 ° C. This reduction in the working temperature allows, at the industrial stage:
- de diminuer les coûts de production liés au chauffage de la solution ;- reduce the production costs related to heating the solution;
- de réaliser le traitement de lithiation à plus basse température.- to carry out the lithiation treatment at a lower temperature.
Au cours de cette étape, l' alkoxyde opère une réduction ménagée de l'oxyde de manganèse jusqu'à obtenir une stœchiométrie Li : Métal définie ainsi dans le cas où l'on part de Lio,3Mn02 ou d'un composé de formule voisine on obtient en tant que produit lithié 27During this stage, the alkoxide operates a controlled reduction of the manganese oxide until obtaining a Li: Metal stoichiometry defined thus in the case where one starts from Lio, 3Mn0 2 or a compound of formula neighbor we get as a lithiated product 27
ou surlithié du LiιMn0 ou un composé de formule voisine .or superlithium of LiιMn0 or a compound of similar formula.
Comme cela a déjà été indiqué ci-dessus, les trois étapes décrites plus haut peuvent être réalisées successivement ou de manière simultanée.As already indicated above, the three steps described above can be carried out successively or simultaneously.
L'étape suivante consiste à évaporer le solvant, c'est à dire l'alcool résiduel; la température à laquelle cette étape est réalisée dépend de l'alcool utilisé et est généralement de 50 ou 70 à 260°C sous pression atmosphérique.The next step consists in evaporating the solvent, that is to say the residual alcohol; the temperature at which this step is carried out depends on the alcohol used and is generally from 50 or 70 to 260 ° C. under atmospheric pressure.
On procède ensuite au rinçage de la poudre obtenue dans un liquide adéquat par exemple dans l'alcool précédemment utilisé comme solvant, l'hexane, le tétrahydrofurane, afin d'éliminer l'excès éventuel d'alkoxyde, puis on sèche la poudre, généralement sous vide partiel, et à une température par exemple de 80 à 150°C, de préférence voisine de 150°C pendant une durée adéquate. La température du séchage peut être plus élevée à savoir jusqu'à 250°C voire 400°C mais à condition que cela ne provoque pas de modification de la structure du produit lithié ou surlithié.The powder obtained is then rinsed in an adequate liquid, for example in the alcohol previously used as solvent, hexane, tetrahydrofuran, in order to remove any excess alkoxide, then the powder is dried, generally under partial vacuum, and at a temperature for example of 80 to 150 ° C, preferably close to 150 ° C for an adequate period. The drying temperature can be higher, namely up to 250 ° C. or even 400 ° C., but on condition that this does not cause any modification of the structure of the lithiated or over-lithiated product.
Le séchage a pour but d'éliminer les impuretés et autres éléments organiques qui peuvent être présents à la surface du produit.The purpose of drying is to remove impurities and other organic elements which may be present on the surface of the product.
Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une étape supplémentaire de traitement thermique réalisée après le séchage. Le traitement thermique est réalisé à une température généralement de 150°C à 800°C de préférence 28The method according to the invention may also comprise an additional step of heat treatment carried out after drying. The heat treatment is carried out at a temperature generally of 150 ° C to 800 ° C preferably 28
de 250 à 600°C de préférence encore de 300 à 500°C et pendant une durée de 30 minutes à 3 heures, de préférence de 1 à 2 heures, généralement sous atmosphère neutre. Ce traitement thermique, qui ne doit pas être confondu avec le séchage, a pour but essentiellement de modifier éventuellement la structure et/ou le comportement électrochimique du matériau lithié ou surlithié . Ainsi, la lithiation par le procédé selon l'invention d'un produit brut de composition Li0,33Mn02,o3 tel que celui utilisé par TADIRAN Batteries conduit à la synthèse d'un produit de composition voisine de LiMn02. Si on fait subir à ce produit un traitement thermique sous atmosphère neutre à 250 °C pendant 1 heure , on ne modifie pas sa structure, qui correspond à celle du produit initial TADIRAN ayant subi une décharge électrochimique dans un accumulateur. Si par contre on fait subir à ce même produit un traitement thermique à une température supérieure, par exemple à 300°C pendant 1 heure, on observe la transformation partielle de la structure initiale en structure spinelle quadratique de type Li2Mn204. Ce produit, constitué d'un mélange de phases très désordonnées cristallographiquement, présente la particularité de présenter un comportement électrochimique intéressant entre 1,8 et 4,3 volts.from 250 to 600 ° C, more preferably from 300 to 500 ° C and for a period of 30 minutes to 3 hours, preferably from 1 to 2 hours, generally in a neutral atmosphere. The main purpose of this heat treatment, which should not be confused with drying, is to possibly modify the structure and / or the electrochemical behavior of the lithiated or superlithiated material. Thus, the lithiation by the process according to the invention a crude product of composition Li 0, 33Mn0 2 o3 as used by TADIRAN Batteries leads to the synthesis of a composition similar product LiMn0 2. If this product is subjected to a heat treatment under a neutral atmosphere at 250 ° C for 1 hour, its structure is not changed, which corresponds to that of the initial TADIRAN product having undergone an electrochemical discharge in an accumulator. If, on the other hand, the same product is subjected to a heat treatment at a higher temperature, for example at 300 ° C. for 1 hour, the partial transformation of the initial structure is observed into a quadratic spinel structure of Li 2 Mn 2 0 4 type . This product, consisting of a mixture of very disordered crystallographically phases, has the particularity of exhibiting an interesting electrochemical behavior between 1.8 and 4.3 volts.
En effet, ce comportement est intermédiaire entre le comportement électrochimique des produits TADIRAN et celui des structures spinelles de type LiMn204. 29Indeed, this behavior is intermediate between the electrochemical behavior of TADIRAN products and that of spinel structures of LiMn 2 0 4 type . 29
Il est donc possible de moduler à volonté l'importance relative des étapes électrochimiques dues à chacune de ces phases, et de disposer ainsi d'un produit dont la tension en décharge évolue plus régulièrement en fonction de l'insertion du lithium que celle de chacun des produits pris séparément.It is therefore possible to modulate at will the relative importance of the electrochemical stages due to each of these phases, and thus to have a product whose discharge voltage changes more regularly as a function of the insertion of lithium than that of each. products taken separately.
Ce comportement est illustré sur les figures 2A et 2B.This behavior is illustrated in FIGS. 2A and 2B.
On n'observe plus le double plateau caractéristique des structures spinelles illustré sur les figures 3 et 4 mais une diminution continue et régulière de la tension de décharge en fonction du taux d'insertion du lithium.We no longer observe the double plateau characteristic of the spinel structures illustrated in FIGS. 3 and 4 but a continuous and regular decrease in the discharge voltage as a function of the lithium insertion rate.
Il est ainsi possible de synthétiser toute une gamme de nouveaux produits (constitués par des mélanges des deux structures lithiées) présentant des caractéristiques électrochimiques intéressantes.It is thus possible to synthesize a whole range of new products (constituted by mixtures of the two lithiated structures) having interesting electrochemical characteristics.
Il est également possible d'utiliser un oxyde de manganèse de type γ-Mn02 ou ε-Mn02, et de lui faire subir :It is also possible to use a manganese oxide of type γ-Mn0 2 or ε-Mn0 2 , and to subject it to:
1) le traitement de lithiation selon le procédé défini plus haut, aboutissant par exemple à la composition LiMn02.1) the lithiation treatment according to the process defined above, resulting for example in the composition LiMn0 2 .
2) un traitement thermique complémentaire par exemple entre 250°C pendant 1 heure et 500°C pendant 1 heure qui lui confère une structure cristallographique particulière (intermédiaire entre une structure de type γ-Mn02 ou ε-Mn02 et une structure spinelle très désordonnée de formulation Li2Mn20 ) . Le traitement thermique 302) an additional heat treatment for example between 250 ° C for 1 hour and 500 ° C for 1 hour which gives it a particular crystallographic structure (intermediate between a structure of type γ-Mn0 2 or ε-Mn0 2 and a very spinel structure disordered formulation Li 2 Mn 2 0). Heat treatment 30
a ici pour objet la réalisation d'un produit dont les caractéristiques électrochimiqueshere relates to the production of a product whose electrochemical characteristics
(courbes de décharge et de charge) soient adaptées au besoin. Par stœchiométrie Li : Métal élevée, on entend généralement un rapport Li : Métal supérieur ou égal à(discharge and charge curves) are adapted as required. By high Li: Metal stoichiometry, we generally mean a Li: Metal ratio greater than or equal to
0,5, de préférence de 0,5 à 2.0.5, preferably 0.5 to 2.
La stabilité du composé actif d'électrode positive mis en oeuvre dans l'accumulateur selon l'invention correspond à une formulation stable de celui-ci qui est peu affectée, notamment par un séjour prolongé à l'air sec ou ambiant, - par séjour prolongé on entend généralement un séjour d'une durée de 24 à 240 heures - ou par une immersion dans l'eau. Cette stabilité est définie par la stabilité observée des spectres de diffraction des rayons X et par le caractère invariant du degré d'oxydation du manganèse .The stability of the active positive electrode compound used in the accumulator according to the invention corresponds to a stable formulation thereof which is little affected, in particular by a prolonged stay in dry or ambient air, - by stay extended is generally understood to mean a stay lasting 24 to 240 hours - or by immersion in water. This stability is defined by the observed stability of the X-ray diffraction spectra and by the invariant nature of the degree of oxidation of manganese.
Cette stabilité du produit selon l'invention permet de le conditionner, de le stocker et de le manipuler plus facilement.This stability of the product according to the invention makes it possible to package, store and handle it more easily.
Dans l'accumulateur selon l'invention, l'électrode négative est de manière classique de préférence une électrode négative composite par exemple à base carbone ou à base étain ou encore en Sn02, ou en alliage de lithium ou toute autre électrode négative adéquate.In the accumulator according to the invention, the negative electrode is conventionally preferably a composite negative electrode, for example based on carbon or tin-based or also in SnO 2 , or in lithium alloy or any other suitable negative electrode.
De même 1 ' electrolyte mis en oeuvre est un electrolyte classique pour ce type d'accumulateur à savoir un mélange d' electrolyte non aqueux connu de l'homme du métier. 31Similarly, the electrolyte used is a conventional electrolyte for this type of accumulator, namely a mixture of non-aqueous electrolyte known to those skilled in the art. 31
De manière générale, l'électrode négative,Generally speaking, the negative electrode,
1 ' electrolyte et la structure de l'accumulateur selon l'invention sont connus de l'homme du métier à l'exception bien sur du matériau actif d'électrode positive spécifique de l'invention.1 electrolyte and the structure of the battery according to the invention are known to those skilled in the art with the exception of course active material of positive electrode specific to the invention.
L'invention va maintenant être décrite en référence aux exemples suivants donnés à titre illustratif et limitatif.The invention will now be described with reference to the following examples given by way of illustration and limitation.
EXEMPLES :EXAMPLES:
Les exemples suivants montrent la préparation d'un oxyde de manganèse lithié par le procédé de l'invention et sa mise en oeuvre dans un accumulateur en tant que matériau actif d'électrode positive.The following examples show the preparation of a manganese oxide lithiated by the process of the invention and its use in an accumulator as active material of positive electrode.
Exemple 1 : Lithiation d'un composé initial de structure spinelle cubique.Example 1: Lithiation of an initial compound with cubic spinel structure.
Ce produit initial a une formulation proche de Liι29Mnι,7i0 avec un rapport Li : Mn de 0,75 pour un degré d'oxydation moyen du manganèse déterminé par dosage rédox de +3,90, et a un paramètre de maille cubique proche de 8,15 angstroms. (le diagramme de diffraction X de ce composé est reproduit figure 1 - diagramme du bas)This initial product has a formulation close to Liι 29 Mnι, 7i0 with a Li: Mn ratio of 0.75 for an average oxidation degree of manganese determined by redox dosage of +3.90, and has a cubic mesh parameter close 8.15 angstroms. (the X-ray diffraction diagram for this compound is reproduced in FIG. 1 - diagram at the bottom)
Ce produit a été lithié par le procédé suivant : 600 ml de pentanol-1 (pureté > 99%) sont introduits dans un ballon à trois cols de contenance 1000 ml. Dans ce ballon équipé d'un condenseur et dont l'intérieur est isolé de l'atmosphère ambiante, on fait buller 32This product was lithiated by the following process: 600 ml of pentanol-1 (purity> 99%) are introduced into a flask with three necks containing 1000 ml. In this balloon equipped with a condenser and whose interior is isolated from the ambient atmosphere, it is bubbled 32
pendant une heure et à une température voisine de 20°C de l'argon dans l'alcool soumis à une légère agitation. 3,36 g (soit 0,48 moles) de lithium métallique sous forme de copeaux sont introduits dans l'alcool. La dissolution complète du lithium dans le pentanol-1 et donc la formation de l' alkoxyde correspondant est réalisée au bout de deux heures à température ambiante. 34,8 g d'oxyde de manganèse de type spinelle (soit environ 0,4 mole de manganèse), préalablement séché sous vide primaire à 120°C pendant une heure, sont alors introduits dans la solution d'alkoxyde de lithium à température ambiante.for one hour and at a temperature in the region of 20 ° C of argon in alcohol subjected to slight stirring. 3.36 g (or 0.48 moles) of metallic lithium in the form of chips are introduced into the alcohol. The complete dissolution of lithium in pentanol-1 and therefore the formation of the corresponding alkoxide is carried out after two hours at room temperature. 34.8 g of manganese oxide of the spinel type (ie approximately 0.4 mole of manganese), previously dried under primary vacuum at 120 ° C. for one hour, are then introduced into the lithium alkoxide solution at room temperature .
La dispersion ainsi obtenue est chauffée à pression atmosphérique au reflux à 139°C soit la température d'ébullition du pentanol, et est maintenue à cette température six heures.The dispersion thus obtained is heated at atmospheric pressure to reflux at 139 ° C., ie the boiling point of pentanol, and is kept at this temperature for six hours.
• Cette dispersion peut être de la même façon chauffée au reflux à une température inférieure, comprise entre la température ambiante et 139°C, si l'on travaille à pression inférieure à la pression atmosphérique .• This dispersion can similarly be heated at reflux to a lower temperature, between room temperature and 139 ° C, if working at pressure below atmospheric pressure.
La dispersion une fois refroidie à une température proche de l'ambiante, est filtrée à l'air ambiant sur verre fritte. L'oxyde lithié subit alors un rinçage à l'hexane, puis est séché puis traité sous vide primaire à 300°C pendant une heure .The dispersion, once cooled to a temperature close to ambient, is filtered with ambient air on sintered glass. The lithiated oxide is then rinsed with hexane, then dried and treated under primary vacuum at 300 ° C for one hour.
Le produit lithié final contient alors du manganèse à degré d'oxydation moyen voisin de +3 traduisant l'insertion d'environ 0,6 mole de lithium par mole de manganèse avec un rapport Li : Mn de 1,08. 33The final lithiated product then contains manganese with an average oxidation state close to +3, reflecting the insertion of approximately 0.6 mole of lithium per mole of manganese with a Li: Mn ratio of 1.08. 33
La structure cristallographique du composé lithié déterminée par diffraction des rayons X est celle d'un spinelle déformé de paramètres de maille quadratique a = b = 5.691 Â et c = 8.768 Â (c/ (V2-a) = 1.09) (figure 1 - diagramme du haut) . Celle-ci est similaire à celle observée sur les composés du type de l'oxyde initial ayant subi une intercalation électrochimique du lithium dans un accumulateur.The crystallographic structure of the lithiated compound determined by X-ray diffraction is that of a deformed spinel with quadratic mesh parameters a = b = 5.691 Â and c = 8.768 Â (c / (V2-a) = 1.09) (figure 1 - top diagram). This is similar to that observed on compounds of the initial oxide type which have undergone electrochemical intercalation of lithium in an accumulator.
Une électrode positive de diamètre 8 mm et d'épaisseur voisine de 300 microns intégrant le composé lithié préparé ci-dessus est obtenue en pressant à 10 tonnes un mélange intime composé de 55% en masse d'oxyde lithié, 30% en masse de noir de carbone et 15% en masse de graphite. Un accumulateur ou cellule électrochimique à électrode de lithium métallique est réalisé dans un montage classique de type Swagelock®. L' electrolyte utilisé est une solution molaire de perchlorate de lithium dans un mélange équimolaire de carbonate d' éthylène et de carbonate de diméthyle.A positive electrode with a diameter of 8 mm and a thickness close to 300 microns integrating the lithiated compound prepared above is obtained by pressing at 10 tonnes an intimate mixture composed of 55% by mass of lithiated oxide, 30% by mass of black carbon and 15% by mass of graphite. An accumulator or electrochemical cell with a metallic lithium electrode is produced in a conventional Swagelock® type assembly. The electrolyte used is a molar solution of lithium perchlorate in an equimolar mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate.
Le séparateur utilisé entre l'électrode négative et l'électrode positive est un film microporeux en polypropylène de type CELGARD®.The separator used between the negative electrode and the positive electrode is a microporous polypropylene film of CELGARD® type.
Le comportement d'un tel accumulateur contenant 10,8 milligrammes de produit lithié dans les électrodes positives, chargé et déchargé sous 0,150 mA est montré par les figures 3 et . (1er cycle charge-décharge : figure 3 ; 7 premiers cycles indiqués figure 4) . 34The behavior of such an accumulator containing 10.8 milligrams of lithiated product in the positive electrodes, charged and discharged at 0.150 mA is shown in FIGS. 3 and. (1st charge-discharge cycle: figure 3; first 7 cycles indicated in figure 4). 34
Exemple 2 : Lithiation du composé initial de formulation proche de LiMn204 et de structure spinelle pour un degré d'oxydation voisin de +3,58, déterminé par dosage et qui est un matériau adapté à une utilisation 4V en accumulateur Li-ion.Example 2: Lithiation of the initial compound of formulation close to LiMn 2 0 4 and of spinel structure for a degree of oxidation close to +3.58, determined by assay and which is a material suitable for 4V use in Li-ion accumulator .
Le produit a été lithié par le procédé de l'invention de la manière suivante : 745 ml de pentanol-1 sont introduits dans un ballon à 3 cols de contenance 2 000 ml. Dans ce ballon équipé d'un condenseur et dont l'intérieur est isolé de l'atmosphère ambiante, on fait buller pendant 30 minutes et à une température voisine de 20°C de l'argon dans l'alcool soumis à une légère agitation.The product was lithiated by the process of the invention in the following way: 745 ml of pentanol-1 are introduced into a flask with 3 necks containing 2000 ml. In this flask equipped with a condenser and the interior of which is isolated from the ambient atmosphere, argon is bubbled for 30 minutes and at a temperature close to 20 ° C. in alcohol subjected to slight agitation.
0,52 g (soit 0,075 moles) de lithium métallique sous forme de grenaille et 13,38 g de LiMn204 (soit 0, 145 mole) préalablement séché sont introduits conjointement dans l'alcool. Le contenu du réacteur est alors chauffé sous agitation à l'aide d'un chauffe-ballon. A une température voisine de 110°C, le lithium se dissout rapidement et intégralement, ce qui a pour effet d'amener l'ensemble de l'alcool contenu dans le ballon à l'ébullition soit une température voisine de 139°C. Par la suite, l'ébullition est maintenue par chauffage pendant 16 heures. La dispersion une fois refroidie est centrifugée sous atmosphère sèche de manière à séparer la poudre de la phase liquide. La poudre d'oxyde est rincée deux fois dans de l'hexane, puis séchée à température ambiante. Le produit lithié final contient alors du manganèse à un degré d'oxydation moyen voisin de +3,08 350.52 g (or 0.075 moles) of metallic lithium in the form of a shot and 13.38 g of LiMn 2 0 4 (or 0.145 mole) previously dried are introduced together into the alcohol. The contents of the reactor are then heated with stirring using a balloon heater. At a temperature in the region of 110 ° C, the lithium dissolves quickly and completely, which has the effect of bringing all the alcohol contained in the flask to the boil, ie a temperature in the region of 139 ° C. Thereafter, the boiling is maintained by heating for 16 hours. Once cooled, the dispersion is centrifuged under a dry atmosphere so as to separate the powder from the liquid phase. The oxide powder is rinsed twice in hexane, then dried at room temperature. The final lithiated product then contains manganese at an average degree of oxidation close to +3.08 35
traduisant l'insertion de 0,50 mole de lithium par mole de manganèse avec un rapport Li :Mn voisin de 1,04.reflecting the insertion of 0.50 mole of lithium per mole of manganese with a Li: Mn ratio close to 1.04.
Une électrode positive de diamètre 12 mm et d'épaisseur voisine de 250 microns intégrant le composé lithié préparé ci-dessus est obtenu en mettant en œuvre un mélange intime de 80 % en masse d'oxyde lithié, 7,5 % en masse de graphite, 7,5 % en masse de noir de carbone et 5 % en masse de liant PTFE sur une grille d'aluminium. Cette électrode est ensuite séchée à 150°C sous vide primaire pendant une nuit.A positive electrode with a diameter of 12 mm and a thickness close to 250 microns integrating the lithiated compound prepared above is obtained by using an intimate mixture of 80% by mass of lithiated oxide, 7.5% by mass of graphite , 7.5% by mass of carbon black and 5% by mass of PTFE binder on an aluminum grid. This electrode is then dried at 150 ° C under primary vacuum overnight.
Un accumulateur ou une cellule électrochimique à électrode de lithium métallique est réalisé en pile bouton CR2032. L' electrolyte est une solution molaire d'hexafluorophosphate de lithium (LiPF6) dans un mélange fait de 33 % en poids de carbonate d' ethylèneAn accumulator or an electrochemical cell with a metallic lithium electrode is produced in a CR2032 button cell. The electrolyte is a molar solution of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in a mixture made of 33% by weight of ethylene carbonate
(EC) et de 67 % en poids de di ethoxyéthane (DME) (par exemple electrolyte LP32 de chez Merck) . Un séparateur de polypropylène microporeux type Celgard (Hoechst) est utilisé entre les deux électrodes. Le comportement d'un tel accumulateur contenant 62,25 mg de produit prélithié dans l'électrode positive, chargé sous 0,4175 mA et déchargé sous 0,835 mA est montré par la figure 5. (EC) and 67% by weight of di ethoxyethane (DME) (for example electrolyte LP32 from Merck). A Celgard type microporous polypropylene separator (Hoechst) is used between the two electrodes. The behavior of such an accumulator containing 62.25 mg of prelithiated product in the positive electrode, charged at 0.4175 mA and discharged at 0.835 mA is shown in FIG. 5.

Claims

3 6REVENDICATIONS 3 6 CLAIMS
1. Accumulateur au lithium fonctionnant entre 1,8 et 4,3 volts et comportant une électrode négative, un electrolyte et un électrode positive caractérise en ce que ladite électrode positive comprend en tant que matériau actif, et avant qu'elle n'ait subi une quelconque opération de charge ou de décharge, un oxyde de manganèse lithié ou surlithié de structure spinelle susceptible d'être obtenu par un procédé de préparation comprenant les trois étapes suivantes, réalisées successivement ou de manière simultanée :1. Lithium accumulator operating between 1.8 and 4.3 volts and comprising a negative electrode, an electrolyte and a positive electrode characterized in that said positive electrode comprises as active material, and before it has undergone any charge or discharge operation, a lithiated or superlithiated manganese oxide of spinel structure capable of being obtained by a preparation process comprising the following three steps, carried out successively or simultaneously:
- préparation d'une solution d'alkoxyde de lithium par dissolution de lithium métallique dans l'alcool correspondant, ledit alcool étant choisi parmi les alcools issus des alcanes linéaires ou ramifies comprenant au moins 3 atomes de carbone, les alcools issus des hydrocarbures aliphatiques insatures, et leurs mélanges ; - addition d'une poudre d'oxyde de manganèse à ladite solution d'alkoxyde de lithium pour obtenir une dispersion ; réduction ménagée dudit oxyde de manganèse par ledit alkoxyde jusqu'à obtention d'un oxyde de manganèse lithié ou surlithié présentant la stœchiométrie définie Li : Métal ; ledit procède comprenant ensuite, en outre, les étapes suivantes :- Preparation of a lithium alkoxide solution by dissolving metallic lithium in the corresponding alcohol, said alcohol being chosen from alcohols derived from linear or branched alkanes comprising at least 3 carbon atoms, alcohols derived from unsaturated aliphatic hydrocarbons , and mixtures thereof; - Adding a manganese oxide powder to said lithium alkoxide solution to obtain a dispersion; controlled reduction of said manganese oxide by said alkoxide until a lithiated or superlithiated manganese oxide having the defined stoichiometry Li: Metal is obtained; said process then further comprising the following steps:
- évaporation de l'alcool résiduel ; - rinçage de la poudre ainsi obtenue ;- evaporation of the residual alcohol; - rinsing of the powder thus obtained;
- séchage de la poudre ; 37- drying of the powder; 37
- éventuellement, étape supplémentaire de traitement thermique réalisé après le séchage.- possibly, additional heat treatment step carried out after drying.
2. Accumulateur selon la revendication 1 dans lequel ledit traitement thermique est réalise à une température de 150°C à 800°C pendant une durée de 30 minutes à 3 heures .2. Accumulator according to claim 1 wherein said heat treatment is carried out at a temperature of 150 ° C to 800 ° C for a period of 30 minutes to 3 hours.
3. Accumulateur selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel l'oxyde de manganèse initial est choisi parmi les oxydes de Manganèse de structure spinelle situés dans le domaine du diagramme de phases LiMn, 0 délimité par les compositions Mn02, Lι2Mn204, Lι4Mn50i2, le béta-Mn02, le gamma-Mn02, le epsιlon-Mn02, les composés de formule Lι0,3MnO2 ou de formule voisine. 3. Accumulator according to claim 1 or claim 2 in which the initial manganese oxide is chosen from manganese oxides of spinel structure located in the domain of the phase diagram LiMn, 0 delimited by the compositions Mn0 2 , Lι 2 Mn 2 0 4 , Lι 4 Mn 5 0i2, beta-Mn0 2 , gamma-Mn0 2 , epsιlon-Mn0 2 , the compounds of formula Lι 0 , 3MnO 2 or of similar formula.
4. Accumulateur selon la revendication 3 dans lequel l'oxyde de manganèse initial est du β-Mn02 ou un oxyde de manganèse de structure spinelle situe dans le domaine cité et dans lequel on n'effectue pas de traitement thermique supplémentaire. 4. Accumulator according to claim 3 wherein the initial manganese oxide is β-Mn0 2 or a manganese oxide of spinel structure located in the cited field and in which no additional heat treatment is carried out.
5. Accumulateur selon la revendication 3 dans lequel l'oxyde manganèse initial est un compose de formule Lι03MnO2 ou de formule voisine et dans lequel on le soumet à un traitement thermique à une température de 300°C à 800°C pendant une durée de 30 minutes à 3 heures.5. Accumulator according to claim 3 in which the initial manganese oxide is a compound of formula Lι 0 3MnO 2 or of neighboring formula and in which it is subjected to a heat treatment at a temperature of 300 ° C to 800 ° C for a duration from 30 minutes to 3 hours.
6. Accumulateur selon les revendications 1 et 5 dans lequel ledit composé formant le matériau actif d'électrode positive est forme d'un mélange de phases xLiιMn02 + (1-x) Lι2Mn204 avec 0 < x <1. 6. Accumulator according to claims 1 and 5 wherein said compound forming the active material of positive electrode is formed from a mixture of phases xLiιMn0 2 + (1-x) Lι 2 Mn 2 0 4 with 0 <x <1.
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