WO2004059763A2 - Titanium (iv) oxide material used as electrode material in batteries - Google Patents

Titanium (iv) oxide material used as electrode material in batteries Download PDF

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WO2004059763A2
WO2004059763A2 PCT/EP2003/014608 EP0314608W WO2004059763A2 WO 2004059763 A2 WO2004059763 A2 WO 2004059763A2 EP 0314608 W EP0314608 W EP 0314608W WO 2004059763 A2 WO2004059763 A2 WO 2004059763A2
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doped
hydrolyzable
sodium titanate
compound
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Jörg PESCHKE
Reinhard Nesper
Wolfgang LÖSSLEIN
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Sustech Gmbh & Co. Kg
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    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
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Definitions

  • Titanium (IV) oxide material as electrode material in batteries
  • the present invention relates to a process for the production of a particulate titanium (IV) oxide material, the titanium (IV) oxide material obtainable by this process, a sodium titanate with a fibrous morphology which can be used in the process as a starting material, and a process for the production thereof ,
  • Non-aqueous electrochemistry and photoelectrochemistry have recently produced a large number of products, some of which have found widespread use. These include in particular batteries (primary cells) and accumulators (secondary cells), such as Lithium-ion and magnesium-ion batteries and accumulators, which have a complex profile of requirements with regard to their electrical and mechanical properties.
  • batteries primary cells
  • accumulators secondary cells
  • graphite As the electrode material in rechargeable Li-ion batteries. Due to its layered crystal lattice, graphite has anisotropic, electrical conductivity and is still able to form special forms of intercalation connections, so-called intermediate lattice or intercalation connections.
  • a major disadvantage when using graphite in lithium-ion batteries is the slow speed of the lithium-ion exchange. As a result, briefly available high current densities, as are required, for example, in starter batteries for automobiles, are not achieved.
  • titanium dioxide in the form of the anatase modification for the production of electrode materials. It has been shown that the Li ion exchange rates achieved with electrodes based on TiO 2 and the consequent The achievable current densities depend crucially on the morphology of the titanium dioxide used.
  • Electrodes In electrical components, e.g. In lithium-ion batteries, magnesium-ion batteries and corresponding rechargeable batteries, multi-layer electrode materials with very small layer thicknesses are increasingly being used, which are also frequently wound up. Furthermore, batteries are often pressed together under high pressure during their manufacturing process. In addition, many electrode materials are exposed to higher temperatures due to their use. There is therefore a great need for electrode materials which have very good electrical application properties and which are not lost even under mechanical or thermal stress.
  • JP-A-53052737 describes a process for the production of anatase fibers by hydrothermal treatment of potassium titanate in acid solution at 100 to 600 ° C.
  • JP-A-53028099 describes the hydrothermal conversion of potassium titanate fibers into anatase fibers in acidic solution.
  • the resulting fibers had a specific surface area of 12 m 2 / g.
  • JP-A-10291922 describes the production of titanium dioxide particles in the form of spindles or needles with a diameter of 0.005 to 0.01 ⁇ m and a length of 0.01 to 0.5 ⁇ m by hydrolysis and tempering of titanyl sulfate.
  • the titanium dioxide particles are used in sunscreens.
  • JP-A-54010300 describes the production of anatase fibers from titanium tetrachloride hydrolyzates with urea or ammonia.
  • TiO 2 nanotubes with a specific surface area of about 400 m 2 g "1.
  • SiO 2 -containing TiO 2 powder obtained by a sol-gel process is treated with aqueous sodium hydroxide solution in order to remove the SiO 2 .
  • CN-A-1151969 describes a process for the production of potassium titanate fibers by hydrothermal treatment of anatase with potassium hydroxide solution.
  • the object of the present invention is to provide an electrode material with good electrical and mechanical properties.
  • the electrode materials should have high capacities and good electrokinetic properties, in particular with regard to the incorporation of lithium ions or magnesium ions, in order to ensure high current densities.
  • these materials should have good cycle stability, i.e. maintain their properties even after many charging and discharging processes.
  • these advantageous properties are to be retained even under mechanical and / or thermal loading.
  • a particulate titanium (IV) oxide material which has a BET surface area above 30 m 2 / g and which can be obtained by a process in which i) a doped or undoped sodium titanate with a fibrous morphology provides ii) the doped or undoped sodium titanate into a doped or undoped
  • the present invention thus relates to such a titanium (IV) oxide material and to the process for its production described here.
  • the particulate titanium (IV) oxide material according to the invention can be used as an electrode material in batteries, in particular in lithium ion and magnesium ion batteries. It has been shown that, depending on the reaction time in step iii), materials with different crystallographic properties are obtained. Both materials have the electrochemical properties, in particular the high capacity, the cycle stability, the advantageous kinetic properties with regard to the lithium ion incorporation and the magnesium ion incorporation.
  • a material which comprises: a) crystalline regions A composed of optionally doped titanium dioxide with anatase structure and b) different regions B thereof, which consist of an oxidic, optionally doped titanium (IV) material which is different from titanium dioxide with anatase, brookite or rutile structure.
  • the proportion of crystalline regions with anatase structure is generally at least 1% by weight, preferably at least 5% by weight and in particular at least 10% by weight.
  • such a material has up to 99% by weight, preferably up to 95% by weight and in particular up to 90% by weight, of regions of a further oxidic titanium (IV) phase B.
  • phase B is a crystalline titanium dioxide phase with anatase structure or a crystalline titanium dioxide phase with brookite or rutile structure.
  • Phases B may be amorphous titanium dioxide or unconverted titanium (IV) oxide hydrate.
  • crystalline phases different from A and B can also be present in the titanium (IV) oxide material according to the invention. However, their proportion will generally be less than 40% by weight.
  • the proportion of areas in phase B is at least 20 % By weight and in particular at least 30% by weight of the titanium (IV) oxide material according to the invention.
  • the proportion of areas A need not be very high and is generally at least 1% by weight, in particular at least 5% by weight and especially at least 10% by weight.
  • a preferred embodiment of the invention relates to a particulate titanium (IV) oxide material which comprises 1 to 80% by weight, in particular 5 to 70% by weight and especially 10 to 70% by weight of crystalline regions A with anatase structure and 20 comprises up to 99% by weight, in particular 30 to 95% by weight and especially 30 to 90% by weight, of areas of phase B.
  • the titanium (IV) oxide material according to the invention can comprise up to 40% by weight of phases different from phases A and B. However, this proportion will often be less than 20% by weight and in particular less than 5% by weight.
  • the weight fractions of the various titanium (IV) oxide phases given here relate to the phase fractions which can be determined by means of X-ray powder diffractometry (XRD).
  • an essentially, i.e. Material consisting of more than 95% titanium (IV) oxide hydrate which also has the advantageous electrochemical properties mentioned above.
  • some of the titanium atoms can be replaced by atoms of at least one doping metal.
  • the proportion of doping metal will generally not be more than 25 mol%, based on the total amount of titanium and doping metal, and is generally in the range from 0.1 to 25 mol% for the doped titanium (IV) oxide materials according to the invention. % and in particular in the range of 1 to 10 mol%.
  • suitable doping metals are hafnium, zirconium, tin, germanium, aluminum, gallium, vanadium, niobium and tantalum.
  • magnesium-ion batteries and accumulators, zirconium and tin are preferred as doping metals.
  • the titanium (IV) oxide material according to the invention is generally an agglomerate of primary particles.
  • These primary particles generally have particle sizes in the range from 5 to 500 nm, often in the range from 10 to 200 nm and in particular in the range from 20 to 100 nm.
  • the length of the fibers or needles is generally not more than 100 ⁇ m and in particular not more than 60 ⁇ m (values which are exceeded by less than 10% of the fiber particles, determined by means of TEM).
  • the diameter, which at least 90% of the fiber particles have, is generally in the range from 10 to 1000 nm and in particular in the range from 20 to 600 nm.
  • the mean (number average, determined by means of TEM) is frequently 50 to 500 nm and in particular 100 to 300 nm.
  • the length / diameter ratio is generally at least 10: 1 and in particular at least 20: 1 (value that at least 90% of the particles meet).
  • the advantageous properties in particular the high capacity, the cycle stability, the advantageous charge kinetics and the stability of the electrochemical properties under mechanical and / or thermal loading, are not lost.
  • the material according to the invention is further characterized by a high specific surface area (BET surface area, determined in the usual way by means of a Quantachrom Autosorb 3B device or an ASAP 2010 device from Micretrics: determination of the nitrogen adsorption isotherm at 77 K) of preferably at least 40 m 2 / g and in particular at least 50 m 2 / g.
  • BET surface area can be up to 250 m 2 / g and is in particular in the range from 50 to 200 m 2 / g.
  • a doped or undoped sodium titanate (IV) with a fibrous morphology is first provided.
  • Sodium titanate (IV) is understood to mean the sodium salts of titanium (IV) acids. These can usually be determined using the general formula Na 2 O- (TiO 2 ) n . wherein n has values in the range from 0.5 to 10 and in particular in the range from 0.5 to 3.
  • any sodium titanate with a fibrous morphology can be used to produce the titanium (IV) oxide material according to the invention.
  • the individual fibers of the fibrous sodium titanate can have lengths of less than 1 ⁇ m to several mm, for example in the range from 1 ⁇ m to 1 mm.
  • a fibrous sodium titanate is obtained by treating a titanium (IV) precursor with sodium hydroxide solution under hydrothermal conditions.
  • hydrothermal conditions to be reactions in water, aqueous acids or aqueous bases at temperatures above 100 ° C. in closed vessels, that is to say at pressures above 1 bar (see Römpp, Chemielexikon, 10th edition, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart, 1998 p. 1842).
  • the titanium (IV) precursor alone in the case of a doped sodium titanate the titanium (IV) precursor together with the desired amount of at least one compound of the doping metal, is subjected to the hydrothermal treatment with sodium hydroxide solution.
  • Such methods are known in principle from the prior art described at the outset and can be used in an analogous manner for the production of doped and undoped sodium titanate.
  • JP-A-09208398 describes fibrous sodium titanate with a length of at least 150 ⁇ m which passes through Treating anatase with aqueous sodium hydroxide solution at temperatures in the range of 250 to 350 ° C is obtained.
  • This fibrous sodium titanate can in principle be used to produce the titanium (IV) oxide material according to the invention.
  • the length / diameter ratio of the fiber particles of the sodium titanate is generally at least 10: 1 and in particular at least 20: 1 (value which at least 90% of the sodium titanate particles have).
  • the diameter, which at least 90% of the fiber particles have is generally not more than 2 ⁇ m and is in particular in the range from 10 to 1000 nm and especially in the range from 20 to 600 nm.
  • Such a fibrous sodium titanate, doped or undoped is new and also the subject of the present invention.
  • This novel sodium titanate is produced by treating a hydrolyzable titanium (IV) compound, in the case of a doped material by treating a mixture of a hydrolyzable titanium (IV) compound with at least one hydrolyzable compound of the desired doping metal, with aqueous sodium hydroxide solution under hydrothermal conditions.
  • the reaction temperature will generally not exceed 600 ° C. and is preferably at least 150 ° C. and is in particular in the range from 150 ° C. to 350 ° C.
  • the concentration of the sodium hydroxide solution used is generally at least 1 mol / l and will generally not exceed 15 mol / l.
  • the concentration is in particular in the range from 2 mol / l to 13 mol / l and particularly preferably in the range from 4 mol / l to 11 mol / l. It goes without saying that the manufacture of the fibrous sodium titanate is carried out in closed vessels. The reaction pressure is accordingly determined by the reaction temperature.
  • the reaction time in the production of the sodium titanate fibers according to the invention is in the range from a few hours to several days, for example in the range from 2 hours to 5 days and in particular in the range from 4 hours to 24 hours.
  • the starting materials for the production of the sodium titanate fibers according to the invention are the above-mentioned hydrolyzable titanium (IV) compounds, comprising the above-mentioned hydrolyzable, covalent titanium (IV) compounds and hydrolyzable titanium (IV) salts, such as titanyl sulfate and titanium ( IV) sulfate.
  • Suitable hydrolyzable compounds of the dopant metal in particular the halides and sulfates of the doping metals, especially the chlorides of the doping metals, such as hafnium tetrachloride, zirconium tetrachloride, tin tetrachloride, Ger- maniumtetrachlorid, aluminum trichloride, niobium pentachloride, niobium tetrachloride, as well as the alkoxides, especially those alkoxides of Ci-Cio-alkanols , into consideration.
  • salts and hydrates such as tin tetrachloride pentahydrate are also suitable for the production of doped sodium titanate fibers according to the invention.
  • step ii) of the method according to the invention the fibrous sodium titanate provided in step i), which can be doped or undoped, is converted into the titanium oxide hydrate.
  • aqueous acid aqueous acid
  • the sodium ions of the sodium titanate are replaced by protons, which are provided by the acid.
  • the sodium salt of the acid formed is washed out.
  • the treatment is usually carried out by washing several times with the aqueous acid.
  • the concentration of the acid is generally in the range from 0.01 mol / l to 12 mol / l and in particular in the range from 0.1 mol / l to 6 mol / l.
  • aqueous solutions of mineral acids such as hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid
  • aqueous solutions of organic, water-soluble acids such as acetic acid, formic acid and the like are suitable as aqueous acids.
  • Aqueous mineral acids are preferably used.
  • the sodium titanate is treated with acid at temperatures below 100 ° C. and in particular below 50 ° C.
  • Treatment usually involves washing several times with acid and / or suspending the sodium titanate in acid.
  • the titanium (IV) oxide hydrate thus obtained is then separated from the acid, for example by filtration, and washed neutral with water.
  • the titanium (IV) oxide hydrate obtained in step ii) is new, insofar as less than 10% of the fiber particles have lengths above 100 ⁇ m, and is likewise a subject of the present invention as a preferred intermediate.
  • the length / diameter ratio of the fiber particles of the titanium (IV) oxide hydrate is generally at least 10: 1 and in particular at least 20: 1 (value which at least 90% of the titanium (IV) oxide hydrate particles have).
  • the diameter, which at least 90% of the fiber particles have, is generally not more than 2 ⁇ m and is in particular in the range from 10 to 1000 nm and especially in the range from 20 to 600 nm. It is produced by treating the sodium titanate according to the invention with conditions specified for step ii).
  • the BET surface area of this titanium oxide hydrate according to the invention is generally 5 to 30 m 2 / g.
  • the doped or undoped titanium oxide hydrate obtained in step ii) is then treated in step iii) under hydrothermal conditions with water or a dilute aqueous acid.
  • the acids mentioned are the mineral acids and organic acids mentioned in step ii).
  • Mineral acids are also preferred here.
  • an acid is used, its concentration is usually at least 0.01 mol / l and is preferred do not exceed a value of 1 mol / l.
  • the concentration of the acid is in the range from 0.01 mol / l to 0.5 mol / l and especially in the range from 0.02 mol / l to 0.2 mol / l.
  • water can also be used.
  • Step iii) is usually carried out at temperatures of at least 100 ° C., preferably at least 120 ° C., in particular at least 150 ° C. and particularly preferably at least 180 ° C.
  • the reaction temperature is generally at most 600 ° C, preferably at most 400 ° C and in particular at most 300 ° C.
  • step iii) By briefly treating the titanium (IV) oxide hydrate obtained in step ii) under the conditions specified for step iii), it is possible to produce a titanium (IV) oxide hydrate whose BET surface area is above 30 m 2 / g and in particular in the range from 40 to 250 m 2 / g.
  • the duration of the treatment is generally less than 30 minutes and preferably in the range from 1 to 15 minutes.
  • the reaction temperatures are in particular below 200 ° C. and particularly preferably in the range from 100 to 180 ° C.
  • the product obtained in step ii) is preferably treated with water.
  • the proportion of titanium (IV) oxide hydrate in the material thus obtained is at least 95% by weight. Surprisingly, it has been shown that such a titanium oxide hydrate also has advantageous electrochemical properties, in particular a high capacity, good cycle stability and advantageous electrokinetic properties.
  • the duration of the implementation in step iii) is at least 15 min. is preferably at least 0.5 h and in particular at least 1 h, a material according to the invention is obtained which has the phase components A and B.
  • the treatment time in step iii) will not exceed 24 hours and preferably 12 hours.
  • Longer reaction times as well as higher reaction temperatures result in an increase in the proportion of the anatase phase and a decrease in the phase proportion of B.
  • a longer reaction time or an increased reaction temperature generally leads to a decrease in the specific see surface along.
  • the reaction in a dilute aqueous acid leads to a faster decrease in the specific surface area and a faster decrease in the phase fractions of B compared to the reaction with water.
  • the titanium (IV) oxide material according to the invention is particularly suitable as an electrode material and especially as an anode material for lithium-ion batteries and accumulators and as an electrode material for magnesium-ion batteries and accumulators.
  • the titanium (IV) oxide materials according to the invention have comparable electrochemical properties to those of Kavan et al. in J. Electrochem. Soc. 147 (2000) pp. 2897-2902 and J. Phys. Chem. B. 104 (2000) p. 12012-12020 described mesoscopic titanium (IV) oxide materials with anatase phase components.
  • the peak of lithium insertion customary for anatase is also found in the range from 1.7 V to 2.2 V, especially in the range from 1.8 to 2.0 V (also against lithium as reference electrode).
  • Mesoscopic titanium (IV) oxide described and that of Kavan et al. The zirconium-stabilized titanium (IV) oxide described does not lose the titanium (IV) oxide materials according to the invention these advantageous properties even under thermal and / or mechanical stress, which makes them particularly suitable for use in lithium batteries and accumulators.
  • the materials according to the invention have a high capacity and better electrokinetic properties, in particular a faster charge exchange, which enables higher current densities.
  • the inventive materials have a high cycle stability, in particular materials which contain doping metals.
  • the titanium (IV) oxide materials according to the invention can be produced much more easily than those of Kavan et al. described materials.
  • the materials according to the invention are therefore particularly suitable for producing electrodes, in particular anodes, and especially electrodes for lithium-ion batteries, for magnesium-ion batteries and for corresponding rechargeable batteries.
  • the titanium (IV) oxide materials according to the invention can consequently be used as electrode material in batteries, in particular as anode material, and particularly preferably as anode material in lithium ion batteries, i.e. H. Batteries which comprise a non-aqueous, in particular solid, electrolyte which contains lithium ions are used.
  • the titanium (IV) oxide materials according to the invention can also be used as electrode material, e.g. B. as anode material in magnesium ion batteries, that is, in batteries which comprise a non-aqueous, preferably solid electrolyte which contains magnesium ions.
  • Electrodes in particular anodes for lithium-ion batteries, for magnesium-ion batteries and for corresponding rechargeable batteries, which comprise a titanium (IV) oxide material according to the invention, can be produced in a manner known per se, the production being essentially based on Shape of the desired electrode and the type of battery to be manufactured. Basically, you can follow the manufacturing instructions for electrodes made of anatase, carbon or carbon-containing materials. The- like methods are for example from Wakihara et al. (Editor) in "Lithiumion Batteries", 1st edition, Wiley VCH, Weinheim, 1998, known.
  • such electrodes comprise one or more electrical contacts, optionally a carrier and optionally a binder for solidifying the titanium (IV) oxide material according to the invention.
  • Suitable binders are hydroxypropyl cellulose, carboxymethyl cellulose, polythiophene, hydroxyethyl cellulose, polyaniline, polyisothionaphthalene, polyacetylene and their derivatives. For the rest, reference is made to the relevant prior art.
  • Lithium-ion batteries and magnesium-ion batteries, in particular secondary cells, the anode of which comprises at least one particulate titanium (IV) oxide material according to the invention usually have, in addition to such an anode, at least one cathode and one non-aqueous electrolyte which contains lithium ions or magnesium ions, on.
  • the cathode materials, the electrolyte systems and the structure of the batteries are based on the relevant prior art, for example on Wakihara et al. (loc. cit.) and Adv. Mater. 15, 2003, p.627 ff., US 6,316,141 and literature cited therein.
  • Figure 1 Cyclic voltammogram of material no. 21: Electrolyte solution: 1M LiN (CS 3 SO 2 ) 2 in ethylene carbonate / dimethoxyethane (1: 1 v: v) at a scan speed of 0.1 mV / s. and a plot of the anodic peak current versus scan speed
  • FIG. 2 plot of the capacitive charge component of the S peaks, determined by integrating the S peaks of the anodic branch of a cyclic voltammogram, as shown in FIG. 1, as a function of the proportion of the phase regions B and based on the total capacity.
  • Figure 3 Relative charge capacity (determined by integrating the anodic branch of a cyclic voltammogram, as shown in Figure 1 and normalized to the charge capacity at 0.1 mV / sec), plotted as a function of the scan speed, for materials No. 7 (circles ), Material No. 8 (squares), commercial nanocrystalline anatase C 240, manufactured according to JES 143 (1996) p. 395.
  • Example 3 Synthesis of sodium titanate fibers starting from titanium oxide sulfate
  • Example 7 Conversion of sodium titanate fibers to titanium oxide hydrate fibers
  • Sodium titanate fibers produced according to Examples 1-6, are washed several times with aqueous hydrochloric acid (5 N). Here, the sodium ions are exchanged for protons. The titanium oxide hydrate fibers obtained in this way are then washed neutral with water.
  • titanium (IV) oxide hydrate fibers with a length of ⁇ 100 ⁇ m and a diameter of 30 to 1000 nm were obtained, on average about 300 nm. The BET surface area the materials thus obtained were in the range of 5 to 25 m 2 / g in all cases.
  • Sodium titanate fibers produced according to Example 1 or according to Example 5, were converted into the oxide hydrate as described in Example 7.
  • the hydrated oxide fibers were suspended in a liquid and heated in an autoclave. Details can be found in Table 1 below.
  • the products consisted of fibers with a length of ⁇ 60 ⁇ m and a diameter of 20 to 600 nm, on average 150 nm.
  • phase B different from anatase was determined by means of powder X-ray diffractometry in accordance with the method of Banfield et al. (H. Zang, M. Finegann and JF Banfield, Nanoletters, 1, 81 (2001)), using rutile as an internal standard with 3.7% by weight of anatase as an impurity (Bayer RUF).
  • the powder X-ray diffractometric tests were carried out with a Siemens D-5000 diffractometer using CuK ⁇ radiation.
  • the BET surface area of samples 12 to 24 was determined using an ASAP 2010 Micrometrics instrument (determination of the nitrogen adsorption isotherm at 77 K).
  • Powder samples were processed in aqueous medium to viscous pastes according to known methods (L. Kavan, B. O'Regan, A. Kay and M. Grätzel, J. Electroanal. Chem., 346, 291 (1993); MK Nazeeruddin, A. Kay, I. Rodicio, R. Humphry-Baker, E. Mueller, P. Liska, N. Vlachopolous and M. Grätzel, J. Am. Chem. Soc, 115, 6382 (1993)).
  • 0.3 g of the powder was mixed with 0.8 ml of a 10% strength by weight aqueous solution of acetylacetone.
  • Electrodes were also made by placing the slurry on a layer of conductive glass (F-doped Sn0 2 : TEC 8 from Libbey-Owens-Ford, 8 ⁇ / cm 2 ) using a doctor blade technique (SD Burnside, J. Moser , K. Brooks, M. Grätzel and D. Cahen, J. Phys. Chem. B, 103, 9328 (1999)) applied.
  • the carrier made of conductive glass had a size of 3 x 5 x 0.3 cm 3 .
  • An adhesive tape on both ends of the carrier (0.5 cm) on the one hand gave the coating thickness and left parts of the carrier uncovered for the purpose of electrical contact.
  • the coating applied to this support was then calcined at 450 ° C. for 30 minutes.
  • the support coated in this way was cut into 10 electrodes of size 1.5 ⁇ 1 cm 2 .
  • the area of the coating was approximately 1 x 1 cm 2 .
  • the electrochemical investigations were carried out in a cell with a compartment, using a potentiostat Autolab Pgstat-20 (ecochemistry) with GPES-4 software.
  • Lithium metal served as reference and auxiliary electrodes, so that the potentials are related to Li / Li + (1 M) as reference electrode.
  • the LiN (CF 3 S0 2 ) 2 used (Fluorad HQ 115 from 3M) was dried at 130 ° C. and 1 mPa. ethylene Carbonate and 1,2-dimethoxyethane were dried over 4A molecular sieve (Union Carbide).
  • FIG. 1 shows the result of a cyclovoltametric examination of material no. 21.
  • the cyclic voltammogram shows 2 pairs of peaks (S1 and S2).
  • the potentials of S1 and S2 are 1.52 and 1.59 vs. Li / Li + .
  • the remaining pair of peaks at about 1.8 V is usually observed in anatase electrodes.
  • the materials 13 to 22 given in Table 2 show 2 peaks at approximately 1.52 and 1.59 V with different intensities. Such a peak is not observed for material 12. These peaks are observed in the zirconium-doped material 23 as well as in the titanium oxide hydrate material 24.
  • materials 18, 19 and 21 according to the invention ensure this charge even at high scanning speeds of 1 to 2 mV / S.
  • the material which consists exclusively of anatase, shows a decreasing capacity with increasing scanning speed.

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Abstract

The invention relates to a method for producing a particle-shaped titanium (IV) oxide material, said titanium (IV) oxide material being obtained according to said method. The invention also relates to a sodium titanate with a fibrous morphology which can be used as an educt in said method, and to a method for the production thereof.

Description

Titan(IV)oxid-Material als Elektrodenmaterial in Batterien Titanium (IV) oxide material as electrode material in batteries
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines teilchenformigen Titan(IV)oxid-Materials, das nach diesem Verfahren erhältliche Ti- tan(IV)oxid-Material, ein in dem Verfahren als Edukt einsetzbares Natriumtitanat mit faserförmiger Morphologie sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.The present invention relates to a process for the production of a particulate titanium (IV) oxide material, the titanium (IV) oxide material obtainable by this process, a sodium titanate with a fibrous morphology which can be used in the process as a starting material, and a process for the production thereof ,
Die nichtwässrige Elektrochemie sowie die Photoelektrochemie haben in neuerer Zeit eine Vielzahl von Produkten hervorgebracht, die zum Teil weite Verbreitung gefunden haben. Dazu zählen insbesondere Batterien (Primärzellen) und Akkumulatoren (Sekundärzellen), wie z.B. Lithium-Ionen- und Magnesium-Ionen-Batterien und -Akkus, an die ein komplexes Anforderungsprofil hinsichtlich ihrer elektrischen und mechanischen Eigenschaften gestellt wird. So verlangt die Elektronikindustrie nach neuen, kleinen, leichtgewichtigen wiederaufladbaren Batterien (=Akkumulatoren) mit hoher Kapazität und Zyklenstabilität. Solche wiederaufladbaren Batterien sind insbesondere für den Automobilsektor von Interesse und könnten beispielsweise in Zukunft als Starterbatterien für herkömmliche Automobile oder als Stromquelle in elektrisch betriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden.Non-aqueous electrochemistry and photoelectrochemistry have recently produced a large number of products, some of which have found widespread use. These include in particular batteries (primary cells) and accumulators (secondary cells), such as Lithium-ion and magnesium-ion batteries and accumulators, which have a complex profile of requirements with regard to their electrical and mechanical properties. For example, the electronics industry is demanding new, small, lightweight rechargeable batteries (= accumulators) with high capacity and cycle stability. Such rechargeable batteries are of particular interest for the automotive sector and could be used in the future, for example, as starter batteries for conventional automobiles or as a power source in electrically operated vehicles.
Es ist bekannt, in wiederaufladbaren Li-Ionen-Batterien Graphit als Elektrodenmaterial einzusetzen. So verfügt Graphit aufgrund seines schichtförmig aufgebauten Kristallgitters über anisotrope, elektrische Leitfähigkeit und ist weiterhin in der Lage, spezielle Formen von Einlagerungsverbindungen, so genannte Zwischengitteroder Interkalationsverbindungen zu bilden. Ein wesentlicher Nachteil beim Einsatz von Graphit in Lithium-Ionen-Akkus liegt jedoch in der geringen Geschwindigkeit des Lithium-Ionen-Austauschs. Hierdurch werden kurzzeitig verfügbare hohe Stromdichten, wie sie beispielsweise in Starterbatterien für Automobile erforderlich sind, nicht erreicht.It is known to use graphite as the electrode material in rechargeable Li-ion batteries. Due to its layered crystal lattice, graphite has anisotropic, electrical conductivity and is still able to form special forms of intercalation connections, so-called intermediate lattice or intercalation connections. A major disadvantage when using graphite in lithium-ion batteries is the slow speed of the lithium-ion exchange. As a result, briefly available high current densities, as are required, for example, in starter batteries for automobiles, are not achieved.
Es ist weiterhin bekannt, Titandioxid in Form der Anatas-Modifikation zur Herstellung von Elektrodenmaterialien einzusetzen. Dabei hat sich gezeigt, dass die mit Elektroden auf Tiθ2-Basis erzielten Li-Ionenaustauschgeschwindigkeiten und folg- lieh die erreichbaren Stromdichten entscheidend von der Morphologie des eingesetzten Titandioxids abhängig sind.It is also known to use titanium dioxide in the form of the anatase modification for the production of electrode materials. It has been shown that the Li ion exchange rates achieved with electrodes based on TiO 2 and the consequent The achievable current densities depend crucially on the morphology of the titanium dioxide used.
S. Y. Huang et al. beschreiben in Active and Passive Elec. Comp., 1996, 19, S. 189-198 den Einfluss der Partikelgröße des zur Elektrodenherstellung eingesetzten Anatas auf die Stromdichten von Lithium-Ionen-Akkus. Danach nimmt die Speicherkapazität und die lonenaustauschgeschwindigkeit mit abnehmender Teilchengröße und zunehmender Oberfläche der Teilchen zu.S. Y. Huang et al. describe in Active and Passive Elec. Comp., 1996, 19, pp. 189-198 the influence of the particle size of the anatase used for electrode manufacture on the current densities of lithium-ion batteries. Thereafter, the storage capacity and the rate of ion exchange increase with decreasing particle size and increasing surface area of the particles.
L. Kavan et al. beschreiben in J. Phys. Chem. B 2000, 104, S. 12012-12020 die elektrochemischen Eigenschaften spezieller Dünnschichtelektroden auf Basis von Anatas. Zur Herstellung des in diesen Elektroden eingesetzten Anatas wird TiCI4 in Gegenwart eines Polyalkylenoxid-Blockcopolymers hydrolysiert, wobei die resultierenden Elektroden hohe Lithium-Ionenaustauschgeschwindigkeiten aufweisen und damit hohe Stromdichten erreicht werden. Die Cyclovoltamogramme dieser Elektroden weisen gegenüber herkömmlichen Lithium-Elektroden auf Basis von Anatas zwei zusätzliche Peaks auf, die dem Vorhandensein von amorphem Tiθ2 zugeschrieben werden. Nachteilig an diesen Elektroden ist, dass sie bei thermischer oder mechanischer Belastung ihre vorteilhaften elektrochemischen Eigenschaften verlieren.L. Kavan et al. describe in J. Phys. Chem. B 2000, 104, p. 12012-12020 the electrochemical properties of special thin-film electrodes based on anatase. To produce the anatase used in these electrodes, TiCl 4 is hydrolyzed in the presence of a polyalkylene oxide block copolymer, the resulting electrodes having high lithium ion exchange rates and thus high current densities being achieved. The cyclic voltamograms of these electrodes have two additional peaks compared to conventional lithium electrodes based on anatase, which are attributed to the presence of amorphous TiO 2 . A disadvantage of these electrodes is that they lose their advantageous electrochemical properties when subjected to thermal or mechanical stress.
L. Kavan et al. beschreiben in J. Elektrochem. Soc. 2000, 147 (8), S. 2897-2902 die elektrochemischen Eigenschaften von Lithium-Ionen enthaltenden Elektroden auf Basis von mesoskopischem Anatas, der mit Zirkon stabilisiert ist. Diese Elektroden weisen zwar eine verbesserte thermische Stabilität auf. Ihre Faraday- Kapazität wird jedoch durch die Anwesenheit des Zirkons verringert.L. Kavan et al. describe in J. Elektrochem. Soc. 2000, 147 (8), pp. 2897-2902 the electrochemical properties of electrodes containing lithium ions on the basis of mesoscopic anatase, which is stabilized with zircon. These electrodes have improved thermal stability. Their Faraday capacity is reduced, however, by the presence of the zircon.
In jüngerer Zeit wurde verschiedentlich über Magnesium-Ionen-Batterien und insbesondere über Prototypen von Magnesium-Ionen-Sekundärzellen berichtet (siehe Adv. Mater. 15, 2003, S. 627-630 und dort zitierte Literatur). Dort sowie in US 6,316,141 und in Chem. Mater. 14, 2002, S. 2767-2773 werden als Elektrodenmaterialien Chevrel-Phasen MxMo6S8 (M = Metall, z. B. Magnesium) gelehrt. JP 2002100344 beschreibt ein Titan enthaltendes Mischoxid und seine Verwendung als Elektrodenmaterial in Magnesium-Ionen-Batterien.Recently, various reports have been made about magnesium-ion batteries and in particular about prototypes of magnesium-ion secondary cells (see Adv. Mater. 15, 2003, pp. 627-630 and the literature cited there). There as well as in US 6,316,141 and in Chem. Mater. 14, 2002, pp. 2767-2773 teach Chevrel phases M x Mo 6 S 8 (M = metal, e.g. magnesium) as electrode materials. JP 2002100344 describes a mixed oxide containing titanium and its use as an electrode material in magnesium-ion batteries.
In elektrischen Bauteilen, z.B. in Lithium-Ionen-Batterien, Magnesium-Ionen- Batterien und entsprechenden Akkus, werden zunehmend mehrschichtige Elektrodenmaterialien mit sehr geringen Schichtdicken eingesetzt, die zudem häufig aufgewickelt werden. Weiterhin werden Batterien während ihres Herstellungsprozesses häufig unter hohem Druck zusammengepresst. Zudem sind viele Elektrodenmaterialien einsatzbedingt höheren Temperaturen ausgesetzt. Es besteht daher ein großer Bedarf an Elektrodenmaterialien, die sehr gute elektrische Anwendungseigenschaften aufweisen, die auch bei mechanischer oder thermischer Belastung nicht verloren gehen.In electrical components, e.g. In lithium-ion batteries, magnesium-ion batteries and corresponding rechargeable batteries, multi-layer electrode materials with very small layer thicknesses are increasingly being used, which are also frequently wound up. Furthermore, batteries are often pressed together under high pressure during their manufacturing process. In addition, many electrode materials are exposed to higher temperatures due to their use. There is therefore a great need for electrode materials which have very good electrical application properties and which are not lost even under mechanical or thermal stress.
Die JP-A-53052737 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Anatas-Fasem durch hydrothermale Behandlung von Kaliumtitanat in saurer Lösung bei 100 bis 600 °C.JP-A-53052737 describes a process for the production of anatase fibers by hydrothermal treatment of potassium titanate in acid solution at 100 to 600 ° C.
Die JP-A-53028099 beschreibt die hydrothermale Umwandlung von Kaliumtitanat- Fasern in Anatas-Fasern in saurer Lösung. Die resultierenden Fasern wiesen eine spezifische Oberfläche von 12 m2/g auf.JP-A-53028099 describes the hydrothermal conversion of potassium titanate fibers into anatase fibers in acidic solution. The resulting fibers had a specific surface area of 12 m 2 / g.
Die JP-A-10291922 beschreibt die Herstellung von Titandioxidteilchen in Form von Spindeln oder Nadeln mit einem Durchmesser von 0,005 bis 0,01 μm und einer Länge von 0,01 bis 0,5 μm durch Hydrolyse und Tempern von Titanylsulfat. Die Titandioxidteilchen finden in Sonnenschutzmitteln Verwendung.JP-A-10291922 describes the production of titanium dioxide particles in the form of spindles or needles with a diameter of 0.005 to 0.01 μm and a length of 0.01 to 0.5 μm by hydrolysis and tempering of titanyl sulfate. The titanium dioxide particles are used in sunscreens.
Die JP-A-54010300 beschreibt die Herstellung von Anatas-Fasern aus Titantetra- chlorid-Hydrolysaten mit Harnstoff oder Ammoniak.JP-A-54010300 describes the production of anatase fibers from titanium tetrachloride hydrolyzates with urea or ammonia.
T. Kasuga et al. beschreiben in Langmuir 14, 3160 - 3163 (1998) TiO2- Nanoröhren mit einer spezifischen Oberfläche von etwa 400 m2 g"1. Zu deren Herstellung wird nach einem Sol-Gel-Verfahren erhaltenes SiO2-haltiges Ti02-Pulver mit wässriger Natronlauge behandelt, um das Si02 zu entfernen.T. Kasuga et al. describe in Langmuir 14, 3160 - 3163 (1998) TiO 2 nanotubes with a specific surface area of about 400 m 2 g "1. For their preparation, SiO 2 -containing TiO 2 powder obtained by a sol-gel process is treated with aqueous sodium hydroxide solution in order to remove the SiO 2 .
Die CN-A-1151969 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Kaliumtitanat- Fasern durch hydrothermale Behandlung von Anatas mit Kalilauge.CN-A-1151969 describes a process for the production of potassium titanate fibers by hydrothermal treatment of anatase with potassium hydroxide solution.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektrodenmaterial mit guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften zur Verfügung zu stellen. Die Elektrodenmaterialien sollten insbesondere hohe Kapazitäten und gute elektroki- netische Eigenschaften, insbesondere bezüglich der Einlagerung von Lithiumionen oder Magnesiumionen, aufweisen, um hohe Stromdichten gewährleisten. Weiterhin sollten diese Materialien eine gute Zyklenstabilität aufweisen, d.h. ihre Eigenschaften auch nach vielen Ladungs- und Entladungsvorgängen beibehalten. Weiterhin sollen diese vorteilhaften Eigenschaften auch bei mechanischer und/oder thermischer Belastung erhalten bleiben.The object of the present invention is to provide an electrode material with good electrical and mechanical properties. In particular, the electrode materials should have high capacities and good electrokinetic properties, in particular with regard to the incorporation of lithium ions or magnesium ions, in order to ensure high current densities. Furthermore, these materials should have good cycle stability, i.e. maintain their properties even after many charging and discharging processes. Furthermore, these advantageous properties are to be retained even under mechanical and / or thermal loading.
Diese Aufgabe konnte überraschenderweise durch ein teilchenförmiges Ti- tan(IV)oxidmaterial gelöst werden, das eine BET-Oberfläche oberhalb 30 m2/g aufweist und das durch ein Verfahren erhältlich ist, bei dem man i) ein dotiertes oder undotiertes Natriumtitanat mit faserförmiger Morphologie bereitstellt, ii) das dotierte oder undotierte Natriumtitanat in ein dotiertes oder undotiertesThis object was surprisingly achieved by a particulate titanium (IV) oxide material which has a BET surface area above 30 m 2 / g and which can be obtained by a process in which i) a doped or undoped sodium titanate with a fibrous morphology provides ii) the doped or undoped sodium titanate into a doped or undoped
Titanoxidhydrat überführt und iii) das Produkt aus Schritt ii) unter hydrothermalen Bedingungen mit Wasser oder einer verdünnten wässrigen Säure behandelt.Transferred titanium oxide hydrate and iii) treated the product from step ii) under hydrothermal conditions with water or a dilute aqueous acid.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein derartiges Titan(IV)oxid- Material sowie das hier beschriebene Verfahren zu seiner Herstellung.The present invention thus relates to such a titanium (IV) oxide material and to the process for its production described here.
Das erfindungsgemäße teilchenförmige Titan(IV)oxidmaterial läßt sich als Elektrodenmaterial in Batterien verwenden, insbesondere in Lithiumionen- und Magnesiumionen-Batterien. Es hat sich gezeigt, dass in Abhängigkeit von der Reaktionsdauer in Schritt iii) Materialien mit unterschiedlichen kristallographischen Eigenschaften erhalten werden. Die elektrochemischen Eigenschaften, insbesondere die hohe Kapazität, die Zyklenstabilität, die vorteilhaften kinetischen Eigenschaften bezüglich der Lithiumionen-Einlagerung und der Magnesiumionen-Einlagerung, weisen beide Materialien auf.The particulate titanium (IV) oxide material according to the invention can be used as an electrode material in batteries, in particular in lithium ion and magnesium ion batteries. It has been shown that, depending on the reaction time in step iii), materials with different crystallographic properties are obtained. Both materials have the electrochemical properties, in particular the high capacity, the cycle stability, the advantageous kinetic properties with regard to the lithium ion incorporation and the magnesium ion incorporation.
Bei längerer Behandlung in Schritt iii) erhält man ein Material, umfassend: a) kristalline Bereiche A aus gegebenenfalls dotiertem Titandioxid mit Anatas- Struktur und b) davon verschiedene Bereiche B, die aus einem oxidischen, gegegenenfalls dotierten Titan(IV)material bestehen, das von Titandioxid mit Anatas-, Brookit- oder Rutilstruktur verschieden ist.In the case of prolonged treatment in step iii), a material is obtained which comprises: a) crystalline regions A composed of optionally doped titanium dioxide with anatase structure and b) different regions B thereof, which consist of an oxidic, optionally doped titanium (IV) material which is different from titanium dioxide with anatase, brookite or rutile structure.
Der Anteil an kristallinen Bereichen mit Anatas-Struktur beträgt hierin in der Regel wenigstens 1 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 5 Gew.-% und insbesondere wenigstens 10 Gew.-%. Neben den Bereichen A weist ein derartiges Material bis zu 99 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 95 Gew.-% und insbesondere bis zu 90 Gew.-% Bereiche einer weiteren oxidischen Titan(IV)-Phase B auf. Die genaue Struktur dieser Phase konnte bislang nicht ermittelt weden. Es kann jedoch ausgeschlossen werden, dass es sich bei der Phase B um eine kristalline Titandioxid-Phase mit Anatas-Struktur oder um eine kristalline Titandioxid-Phase mit Brookit- oder Rutilstruktur handelt. Möglicherweise handelt es sich bei den Phasen B um amorphes Titandioxid oder um nicht umgewandeltes Titan(IV)oxidhydrat. Neben den Anatas-Phasen A und den Phasen B können in dem erfindungsgemäßen Ti- tan(IV)oxidmaterial auch von A und B verschiedene kristalline Phasen wie Rutil oder Brookit zugegen sein. Ihr Anteil wird jedoch in der Regel weniger als 40 Gew.-% betragen.The proportion of crystalline regions with anatase structure is generally at least 1% by weight, preferably at least 5% by weight and in particular at least 10% by weight. In addition to regions A, such a material has up to 99% by weight, preferably up to 95% by weight and in particular up to 90% by weight, of regions of a further oxidic titanium (IV) phase B. The exact structure of this phase has not yet been determined. However, it can be excluded that phase B is a crystalline titanium dioxide phase with anatase structure or a crystalline titanium dioxide phase with brookite or rutile structure. Phases B may be amorphous titanium dioxide or unconverted titanium (IV) oxide hydrate. In addition to the anatase phases A and the phases B, crystalline phases different from A and B, such as rutile or brookite, can also be present in the titanium (IV) oxide material according to the invention. However, their proportion will generally be less than 40% by weight.
Für die Eignung als Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien, Magnesium- Ionen-Batterien und entsprechenden Akkumulatoren hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Anteil an Bereichen der Phase B wenigstens 20 Gew.-% und insbesondere wenigstens 30 Gew.-% des erfindungsgemäßen Ti- tan(IV)oxid-Materials beträgt. Der Anteil Bereichen A muss nicht sehr hoch und beträgt in der Regel wenigstens 1 Gew.-%, insbesondere wenigstens 5 Gew.-% und speziell wenigstens 10 Gew.-%. Demnach betrifft eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ein teilchenförmiges Titan(IV)oxidmaterial, das 1 bis 80 Gew.-%, insbesondere 5 bis 70 Gew.-% und speziell 10 bis 70 Gew.-% kristalline Bereiche A mit Anatas-Struktur und 20 bis 99 Gew.-%, insbesondere 30 bis 95 Gew.-% und speziell 30 bis 90 Gew.-% Bereiche der Phase B umfasst. Daneben kann das erfindungsgemäße Titan(IV)oxid-Material bis zu 40 Gew.-% von den Phasen A und B verschiedene Phasen umfassen. Dieser Anteil wird jedoch häufig weniger als 20 Gew.-% und insbesondere weniger als 5 Gew.-% betragen. Die hier angegebenen Gewichtsanteile der verschiedenen Titan(IV)oxid-Phasen beziehen sich auf die mittels Röntgenpulverdiffraktometrie (XRD) bestimmbaren Phasenanteile.For suitability as electrode material in lithium-ion batteries, magnesium-ion batteries and corresponding accumulators, it has proven to be particularly advantageous if the proportion of areas in phase B is at least 20 % By weight and in particular at least 30% by weight of the titanium (IV) oxide material according to the invention. The proportion of areas A need not be very high and is generally at least 1% by weight, in particular at least 5% by weight and especially at least 10% by weight. Accordingly, a preferred embodiment of the invention relates to a particulate titanium (IV) oxide material which comprises 1 to 80% by weight, in particular 5 to 70% by weight and especially 10 to 70% by weight of crystalline regions A with anatase structure and 20 comprises up to 99% by weight, in particular 30 to 95% by weight and especially 30 to 90% by weight, of areas of phase B. In addition, the titanium (IV) oxide material according to the invention can comprise up to 40% by weight of phases different from phases A and B. However, this proportion will often be less than 20% by weight and in particular less than 5% by weight. The weight fractions of the various titanium (IV) oxide phases given here relate to the phase fractions which can be determined by means of X-ray powder diffractometry (XRD).
Bei kürzerer Behandlungsdauer erhält man ein im wesentlichen, d.h. zu mehr als 95 % aus Titan(IV)oxidhydrat bestehendes Material, welches ebenfalls die oben erwähnten vorteilhaften elektrochemischen Eigenschaften aufweist.With a shorter treatment time, an essentially, i.e. Material consisting of more than 95% titanium (IV) oxide hydrate, which also has the advantageous electrochemical properties mentioned above.
In den Titan(IV)oxid-Phasen sowie in dem Titan(IV)oxidhydrat kann ein Teil der Titan-Atome durch Atome wenigstens eines Dotiermetalls ersetzt sein. Der Anteil an Dotiermetall wird in der Regel nicht mehr als 25 Mol-%, bezogen auf die Gesamtmenge aus Titan und Dotiermetall, betragen und liegt für die erfindungsgemäßen dotierten Titan(IV)oxidmaterialien in der Regel im Bereich von 0,1 bis 25 Mol-% und insbesondere im Bereich von 1 bis 10 Mol-%. Beispiele für geeignete Dotiermetalle sind Hafnium, Zirkon, Zinn, Germanium, Aluminium, Gallium, Vanadium, Niob und Tantal. Im Hinblick auf die Verwendung des erfindungsgemäßen Materials als Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien, Magnesium-Ionen- Batterien und Akkumulatoren werden als Dotiermetalle Zirkon und Zinn bevorzugt.In the titanium (IV) oxide phases and in the titanium (IV) oxide hydrate, some of the titanium atoms can be replaced by atoms of at least one doping metal. The proportion of doping metal will generally not be more than 25 mol%, based on the total amount of titanium and doping metal, and is generally in the range from 0.1 to 25 mol% for the doped titanium (IV) oxide materials according to the invention. % and in particular in the range of 1 to 10 mol%. Examples of suitable doping metals are hafnium, zirconium, tin, germanium, aluminum, gallium, vanadium, niobium and tantalum. With regard to the use of the material according to the invention as an electrode material in lithium-ion batteries, magnesium-ion batteries and accumulators, zirconium and tin are preferred as doping metals.
Es hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Titan (IV)oxid-Material in der Regel ein Agglomerat von Primärteilchen ist. Diese Primärteilchen weisen in der Regel Teilchengrößen im Bereich von 5 bis 500 nm, häufig im Bereich von 10 bis 200 nm und insbesondere im Bereich von 20 bis 100 nm auf. Die hier angegebenen Werte beziehen sich auf die Werte, welche 90% der Teilchen aufweisen (bestimmt mittels TEM = Transmissionselektronenmikroskopie).It has been shown that the titanium (IV) oxide material according to the invention is generally an agglomerate of primary particles. These primary particles generally have particle sizes in the range from 5 to 500 nm, often in the range from 10 to 200 nm and in particular in the range from 20 to 100 nm. The values given here relate to the values which have 90% of the particles (determined by means of TEM = transmission electron microscopy).
Diese Agglomerate weisen in der Regel eine nadeiförmige bzw. faserförmige Morphologie auf. Die Länge der Fasern bzw. Nadeln beträt in der Regel nicht mehr als 100 μm und insbesondere nicht mehr als 60 μm (Werte die von weniger als 10% der Faserteilchen überschritten werden, bestimmt mittels TEM). Der Durchmesser, den wenigstens 90% der Faserteilchen aufweisen, liegt in der Regel im Bereich von 10 bis 1000 nm und insbesondere im Bereich von 20 bis 600 nm. Der Mittelwert (Zahlenmittel, bestimmt mittels TEM) beträgt häufig 50 bis 500 nm und insbesondere 100 bis 300 nm. Das Längen/Durchmesser-Verhältnis beträgt in der Regel wenigstens 10:1 und insbesondere wenigstens 20:1 (Wert den wenigstens 90% der Teilchen erfüllen). Beim Zerkleinern des erfindungsgemäßen Ti- tan(IV)oxidmaterials (beispielsweise durch Mörsern) gehen die vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere die hohe Kapazität, die Zyklenstabilität, die vorteilhafte Ladungskinetik und die Stabilität der elektrochemischen Eigenschaften bei mechanischer und/oder thermischer Belastung nicht verloren.These agglomerates generally have a needle-like or fibrous morphology. The length of the fibers or needles is generally not more than 100 μm and in particular not more than 60 μm (values which are exceeded by less than 10% of the fiber particles, determined by means of TEM). The diameter, which at least 90% of the fiber particles have, is generally in the range from 10 to 1000 nm and in particular in the range from 20 to 600 nm. The mean (number average, determined by means of TEM) is frequently 50 to 500 nm and in particular 100 to 300 nm. The length / diameter ratio is generally at least 10: 1 and in particular at least 20: 1 (value that at least 90% of the particles meet). When the titanium (IV) oxide material according to the invention is comminuted (for example by mortar), the advantageous properties, in particular the high capacity, the cycle stability, the advantageous charge kinetics and the stability of the electrochemical properties under mechanical and / or thermal loading, are not lost.
Das erfindungsgemäße Material zeichnet sich weiterhin durch eine hohe spezifische Oberfläche (BET-Oberfläche, bestimmt in üblicher Weise mittels eines Quantachrom Autosorb 3B Gerätes oder eines Gerätes ASAP 2010 der Fa. Micro- metrics: Bestimmung der Stickstoffadsorptionsisotherme bei 77 K) von vorzugsweise wenigstens 40 m2/g und insbesondere wenigstens 50 m2/g auf. Die BET- Oberfläche kann bis zu 250 m2/g betragen und liegt insbesondere im Bereich von 50 bis 200 m2/g.The material according to the invention is further characterized by a high specific surface area (BET surface area, determined in the usual way by means of a Quantachrom Autosorb 3B device or an ASAP 2010 device from Micretrics: determination of the nitrogen adsorption isotherm at 77 K) of preferably at least 40 m 2 / g and in particular at least 50 m 2 / g. The BET surface area can be up to 250 m 2 / g and is in particular in the range from 50 to 200 m 2 / g.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Titan(IV)oxidmaterials stellt man zunächst ein dotiertes oder undotiertes Natriumtitanat(IV) mit faserförmiger Morphologie bereit. Unter Natriumtitanat(IV) versteht man dabei die Natriumsalze von Ti- tan(IV)säuren. Diese lassen sich in der Regel durch die allgemeine Formel Na2O- (TiO2)n. worin n Werte im Bereich von 0,5 bis 10 und insbesondere im Bereich von 0,5 bis 3 aufweist, beschreiben. Grundsätzlich kann jedes Natriumtitanat mit einer faserförmigen Morphologie zur Herstellung des erfindungsgemäßen Titan(IV)oxidmaterials eingesetzt werden. Die einzelnen Fasern des faserförmigen Natriumtitanats können Längen von weniger als 1 μm bis hin zu mehreren mm aufweisen, beispielsweise im Bereich von 1 μm bis 1 mm.To produce the titanium (IV) oxide material according to the invention, a doped or undoped sodium titanate (IV) with a fibrous morphology is first provided. Sodium titanate (IV) is understood to mean the sodium salts of titanium (IV) acids. These can usually be determined using the general formula Na 2 O- (TiO 2 ) n . wherein n has values in the range from 0.5 to 10 and in particular in the range from 0.5 to 3. In principle, any sodium titanate with a fibrous morphology can be used to produce the titanium (IV) oxide material according to the invention. The individual fibers of the fibrous sodium titanate can have lengths of less than 1 μm to several mm, for example in the range from 1 μm to 1 mm.
Grundsätzlich erhält man ein faserförmiges Natriumtitanat durch Behandeln eines Titan(IV)precursors mit Natronlauge unter hydrothermalen Bedingungen. Unter hydrothermalen Bedingungen versteht der Fachmann Umsetzungen in Wasser, wässrigen Säuren oder wässrigen Basen bei Temperaturen oberhalb 100 °C in geschlossenen Gefäßen, also bei Drücken oberhalb 1 bar (siehe Römpp, Chemielexikon, 10. Aufl., Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart, 1998 S. 1842).Basically, a fibrous sodium titanate is obtained by treating a titanium (IV) precursor with sodium hydroxide solution under hydrothermal conditions. The expert understands hydrothermal conditions to be reactions in water, aqueous acids or aqueous bases at temperatures above 100 ° C. in closed vessels, that is to say at pressures above 1 bar (see Römpp, Chemielexikon, 10th edition, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart, 1998 p. 1842).
Zur Herstellung eines undotierten Natriumtitanats wird man den Titan(IV)precursor alleine, im Falle eines dotierten Natriumtitanats den Titan(IV)precursor zusammen mit der gewünschten Menge wenigstens einer Verbindung des Dotiermetalls, der hydrothermalen Behandlung mit Natronlauge unterwerfen. Derartige Verfahren sind im Prinzip aus dem eingangs beschriebenen Stand der Technik bekannt und können in analoger Weise zur Herstellung von dotiertem sowie von undotiertem Natriumtitanat angewendet werden.To produce an undoped sodium titanate, the titanium (IV) precursor alone, in the case of a doped sodium titanate the titanium (IV) precursor together with the desired amount of at least one compound of the doping metal, is subjected to the hydrothermal treatment with sodium hydroxide solution. Such methods are known in principle from the prior art described at the outset and can be used in an analogous manner for the production of doped and undoped sodium titanate.
Geeignete Titan(IV)precursoren umfassen hydrolysierbare Titan(IV)verbindungen. Dazu zählen kovalente hydrolysierbare Titan(IV)verbindungen, wie Ti- tan(IV)halogenide, z.B. Titantetrachlorid, Titan(IV)alkoholate, beispielsweise Tetrakis-C-i-Cβ-alkylorthotitanate wie Tetraethylorthotitanat, Tetraisopropylorthoti- tanat, Tetra-n-butylorthotitanat und dergleichen, hydrolysierbare Titan(IV)salze, wie Titanylsulfat und Titan(IV)sulfat (= Ti(S04)2). Geeignete Titan(IV)precursor umfassen weiterhin Titan(IV)oxide wie Rutil, Anatas und Brookit.Suitable titanium (IV) precursors include hydrolyzable titanium (IV) compounds. These include covalent hydrolyzable titanium (IV) compounds, such as titanium (IV) halides, for example titanium tetrachloride, titanium (IV) alcoholates, for example tetrakis-Ci-Cβ-alkyl orthotitanates such as tetraethyl orthotitanate, tetraisopropyl orthotitanate, tetra-n-butyl orthotitanate and the like , hydrolyzable titanium (IV) salts, such as titanyl sulfate and titanium (IV) sulfate (= Ti (S0 4 ) 2 ). Suitable titanium (IV) precursors also include titanium (IV) oxides such as rutile, anatase and brookite.
Verschiedentlich wurde Natriumtitanat mit einer faserförmigen Morphologie im Stand der Technik beschrieben. So beschreibt beispielsweise die JP-A-09208398 faserförmiges Natriumtitanat mit einer Länge von wenigstens 150 μm, das durch Behandeln von Anatas mit wässriger Natronlauge bei Temperaturen im Bereich von 250 bis 350 °C erhalten wird. Dieses faserförmige Natriumtitanat kann grundsätzlich zur Herstellung des erfindungsgemäßen Titan(IV)oxid-Materials eingesetzt werden.Sodium titanate with a fibrous morphology has been variously described in the prior art. For example, JP-A-09208398 describes fibrous sodium titanate with a length of at least 150 μm which passes through Treating anatase with aqueous sodium hydroxide solution at temperatures in the range of 250 to 350 ° C is obtained. This fibrous sodium titanate can in principle be used to produce the titanium (IV) oxide material according to the invention.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, ein faserförmiges dotiertes oder undotiertes Natriumtitanat einzusetzen, worin weniger als 10% der Faserteilchen Längen o- berhalb 100 μm aufweisen. Das Verhältnis Länge/Durchmesser der Faserteilchen des Natriumtitanats liegt in der Regel bei wenigstens 10:1 und insbesondere bei wenigstens 20:1 (Wert den wenigstens 90% der Natriumtitanat-Teilchen aufweisen). Der Durchmesser, den wenigstens 90% der Faserteilchen aufweisen, beträgt in der Regel nicht mehr als 2 μm und liegt insbesondere im Bereich von 10 bis 1000 nm und speziell im Bereich von 20 bis 600 nm. Ein derartiges faserförmiges Natriumtitanat, dotiert oder undotiert, ist neu und ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.It has proven to be advantageous to use a fibrous doped or undoped sodium titanate in which less than 10% of the fiber particles have lengths above 100 μm. The length / diameter ratio of the fiber particles of the sodium titanate is generally at least 10: 1 and in particular at least 20: 1 (value which at least 90% of the sodium titanate particles have). The diameter, which at least 90% of the fiber particles have, is generally not more than 2 μm and is in particular in the range from 10 to 1000 nm and especially in the range from 20 to 600 nm. Such a fibrous sodium titanate, doped or undoped, is new and also the subject of the present invention.
Die Herstellung dieses neuartigen Natriumtitanats erfolgt durch Behandeln einer hydrolysierbaren Titan(IV)verbindung, im Falle eines dotierten Materials durch Behandeln einer Mischung aus einer hydrolysierbaren Titan(IV)verbindung mit wenigstens einer hydrolysierbaren Verbindung des gewünschten Dotiermetalls, mit wässriger Natronlauge unter hydrothermalen Bedingungen.This novel sodium titanate is produced by treating a hydrolyzable titanium (IV) compound, in the case of a doped material by treating a mixture of a hydrolyzable titanium (IV) compound with at least one hydrolyzable compound of the desired doping metal, with aqueous sodium hydroxide solution under hydrothermal conditions.
Die Reaktionstemperatur wird in der Regel einen Wert von 600 °C nicht überschreiten und beträgt vorzugsweise wenigstens 150 °C und liegt insbesondere im Bereich von 150 °C bis 350 °C.The reaction temperature will generally not exceed 600 ° C. and is preferably at least 150 ° C. and is in particular in the range from 150 ° C. to 350 ° C.
Die Konzentration der eingesetzten Natronlauge beträgt in der Regel wenigstens 1 Mol/I und wird in der Regel einen Wert von 15 Mol/I nicht überschreiten. Die Konzentration liegt insbesondere im Bereich von 2 Mol/I bis 13 Mol/I und besonders bevorzugt im bereich von 4 Mol/I bis 11 Mol/I. Es versteht sich von selber, dass man die Herstellung des faserförmigen Natriumtitanats in geschlossenen Gefäßen durchführt. Der Reaktionsdruck ist dementsprechend durch die Reaktionstemperatur vorgegeben.The concentration of the sodium hydroxide solution used is generally at least 1 mol / l and will generally not exceed 15 mol / l. The concentration is in particular in the range from 2 mol / l to 13 mol / l and particularly preferably in the range from 4 mol / l to 11 mol / l. It goes without saying that the manufacture of the fibrous sodium titanate is carried out in closed vessels. The reaction pressure is accordingly determined by the reaction temperature.
Die Reaktionsdauer bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Natriumtitanat- Fasern liegt im Bereich weniger Stunden bis mehrerer Tage, beispielsweise im Bereich von 2 Stunden bis 5 Tagen und insbesondere im Bereich von 4 Stunden bis 24 Stunden.The reaction time in the production of the sodium titanate fibers according to the invention is in the range from a few hours to several days, for example in the range from 2 hours to 5 days and in particular in the range from 4 hours to 24 hours.
Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Natriumtitanat-Fasern kommen als Ausgangsmaterialien die oben genannten hydrolysierbaren Titan(IV)verbindungen, umfassend die oben genannten hydrolysierbaren, kovalenten Ti- tan(IV)verbindungen und hydrolysierbare Titan(IV)salze, wie Titanylsulfat und Ti- tan(IV)sulfat, in Betracht.The starting materials for the production of the sodium titanate fibers according to the invention are the above-mentioned hydrolyzable titanium (IV) compounds, comprising the above-mentioned hydrolyzable, covalent titanium (IV) compounds and hydrolyzable titanium (IV) salts, such as titanyl sulfate and titanium ( IV) sulfate.
Als geeignete hydrolysierbare Verbindungen des Dotiermetalls kommen insbesondere die Halogenide und Sulfate der Dotiermetalle, speziell die Chloride der Dotiermetalle, wie Hafniumtetrachlorid, Zirkontetrachlorid, Zinntetrachlorid, Ger- maniumtetrachlorid, Aluminiumtrichlorid, Niobpentachlorid, Niobtetrachlorid sowie die Alkoholate, speziell die Alkoholate von C-i-Cio-Alkanolen, in Betracht. Daneben sind auch Salze und Hydrate wie Zinntetrachlorid-Pentahydrat zur Herstellung von dotierten erfindungsgemäßen Natriumtitanat-Fasern geeignet.Suitable hydrolyzable compounds of the dopant metal in particular the halides and sulfates of the doping metals, especially the chlorides of the doping metals, such as hafnium tetrachloride, zirconium tetrachloride, tin tetrachloride, Ger- maniumtetrachlorid, aluminum trichloride, niobium pentachloride, niobium tetrachloride, as well as the alkoxides, especially those alkoxides of Ci-Cio-alkanols , into consideration. In addition, salts and hydrates such as tin tetrachloride pentahydrate are also suitable for the production of doped sodium titanate fibers according to the invention.
In Schritt ii) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das in Schritt i) bereitgestellte faserförmige Natriumtitanat, das dotiert oder undotiert sein kann, in das Titanoxidhydrat überführt. Dies gelingt in an sich bekannter Weise durch Behandeln des in Schritt i) bereitgestellten Natriumtitanats mit wässriger Säure. Hierbei werden die Natriumionen des Natriumtitanats durch Protonen, welche durch die Säure bereitgestellt werden, ausgetauscht. Das dabei gebildete Natriumsalz der Säure wird ausgewaschen. Üblicherweise führt man die Behandlung durch mehrmaliges Waschen mit der wässrigen Säure durch. Die Konzentration der Säure liegt dabei in der Regel im Bereich von 0,01 Mol/I bis 12 Mol/I und insbesondere im Bereich von 0,1 Mol/I bis 6 Mol/I. Als wässrige Säuren kommen grundsätzlich wässrige Lösungen von Mineralsäuren, wie Salzsäure, Salpetersäure und Schwefelsäure sowie wässrige Lösungen von organischen, wasserlöslichen Säuren wie Essigsäure, Ameisensäure und dergleichen in Betracht. Bevorzugt werden wässrige Mineralsäuren eingesetzt.In step ii) of the method according to the invention, the fibrous sodium titanate provided in step i), which can be doped or undoped, is converted into the titanium oxide hydrate. This is achieved in a manner known per se by treating the sodium titanate provided in step i) with aqueous acid. Here, the sodium ions of the sodium titanate are replaced by protons, which are provided by the acid. The sodium salt of the acid formed is washed out. The treatment is usually carried out by washing several times with the aqueous acid. The concentration of the acid is generally in the range from 0.01 mol / l to 12 mol / l and in particular in the range from 0.1 mol / l to 6 mol / l. In principle, aqueous solutions of mineral acids, such as hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid, and aqueous solutions of organic, water-soluble acids such as acetic acid, formic acid and the like are suitable as aqueous acids. Aqueous mineral acids are preferably used.
In der Regel erfolgt die Behandlung des Natriumtitanats mit Säure bei Temperaturen unterhalb 100 °C und insbesondere unterhalb 50 °C.As a rule, the sodium titanate is treated with acid at temperatures below 100 ° C. and in particular below 50 ° C.
Das Behandeln umfasst in der Regel das mehrmalige Waschen mit Säure und/oder das Suspendieren des Natriumtitanats in Säure. Anschließend wird man das so erhaltenen Titan(IV)oxidhydrat von der Säure, beispielsweise durch Filtration, abtrennen und mit Wasser neutral waschen.Treatment usually involves washing several times with acid and / or suspending the sodium titanate in acid. The titanium (IV) oxide hydrate thus obtained is then separated from the acid, for example by filtration, and washed neutral with water.
Das in Schritt ii) erhaltene Titan(IV)oxidhydrat ist, soweit weniger als 10% der Faserteilchen Längen oberhalb 100 μm aulweisen, neu und als bevorzugtes Zwischenprodukt ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Das Verhältnis Länge/Durchmesser der Faserteilchen des Titan(IV)oxidhydrats liegt in der Regel bei wenigstens 10:1 und insbesondere bei wenigstens 20:1 (Wert den wenigstens 90% der Titan(IV)oxidhydrat-Teilchen aufweisen). Der Durchmesser, den wenigstens 90% der Faserteilchen aufweisen, beträgt in der Regel nicht mehr als 2 μm und liegt insbesondere im Bereich von 10 bis 1000 nm und speziell im Bereich von 20 bis 600 nm. Seine Herstellung erfolgt durch Behandlung des erfindungsgemäßen Natriumtitanats unter den für Schritt ii) angegebenen Bedingungen. Die BET- Oberfläche dieses erfindungsgemäßen Titanoxid hydrats beträgt in der Regel 5 bis 30 m2/g.The titanium (IV) oxide hydrate obtained in step ii) is new, insofar as less than 10% of the fiber particles have lengths above 100 μm, and is likewise a subject of the present invention as a preferred intermediate. The length / diameter ratio of the fiber particles of the titanium (IV) oxide hydrate is generally at least 10: 1 and in particular at least 20: 1 (value which at least 90% of the titanium (IV) oxide hydrate particles have). The diameter, which at least 90% of the fiber particles have, is generally not more than 2 μm and is in particular in the range from 10 to 1000 nm and especially in the range from 20 to 600 nm. It is produced by treating the sodium titanate according to the invention with conditions specified for step ii). The BET surface area of this titanium oxide hydrate according to the invention is generally 5 to 30 m 2 / g.
Das in Schritt ii) erhaltene dotierte oder undotierte Titanoxidhydrat wird anschließend in Schritt iii) unter hydrothermalen Bedingungen mit Wasser oder einer verdünnten wässrigen Säure behandelt. Als Säuren kommen grundsätzlich die bei Schritt ii) genannten Mineralsäuren und organischen Säuren in Betracht. Bevorzugte Säuren sind auch hier Mineralsäuren. Sofern eine Säure eingesetzt wird, beträgt ihre Konzentration in der Regel wenigstens 0,01 Mol/I und wird Vorzugs- weise einen Wert von 1 Mol/I nicht überschreiten. Insbesondere liegt die Konzentration der Säure im Bereich von 0,01 Mol/I bis 0,5 Mol/I und speziell im bereich von 0,02 Mol/I bis 0,2 Mol/I. Anstelle der verdünnten wässrigen Säure kann auch Wasser eingesetzt werden.The doped or undoped titanium oxide hydrate obtained in step ii) is then treated in step iii) under hydrothermal conditions with water or a dilute aqueous acid. In principle, the acids mentioned are the mineral acids and organic acids mentioned in step ii). Mineral acids are also preferred here. If an acid is used, its concentration is usually at least 0.01 mol / l and is preferred do not exceed a value of 1 mol / l. In particular, the concentration of the acid is in the range from 0.01 mol / l to 0.5 mol / l and especially in the range from 0.02 mol / l to 0.2 mol / l. Instead of the dilute aqueous acid, water can also be used.
Üblicherweise führt man Schritt iii) bei Temperaturen von wenigstens 100 °C, vorzugsweise wenigstens 120°C, insbesondere wenigstens 150 °C und besonders bevorzugt wenigstens 180 °C durch. Die Reaktionstemperatur beträgt in der Regel höchstens 600 °C, vorzugsweise höchstens 400 °C und insbesondere höchstens 300 °C.Step iii) is usually carried out at temperatures of at least 100 ° C., preferably at least 120 ° C., in particular at least 150 ° C. and particularly preferably at least 180 ° C. The reaction temperature is generally at most 600 ° C, preferably at most 400 ° C and in particular at most 300 ° C.
Durch kurzfristiges Behandeln des in Schritt ii) erhaltenen Titan(IV)oxidhydrats unter den für Schritt iii) angegebenen Bedingungen gelingt es, ein Ti- tan(IV)oxidhydrat herzustellen, dessen BET-Oberfläche oberhalb 30 m2/g und insbesondere im Bereich von 40 bis 250 m2/g liegt. Die Dauer der Behandlung liegt in der Regel unterhalb 30 min und vorzugsweise im Bereich von 1 bis 15 min. Die Reaktionstemperaturen liegen insbesondere unterhalb 200°C und besonders bevorzugt im Bereich von 100 bis 180 °C. Vorzugsweise behandelt man zur Herstellung eines derartigen Titan(IV)oxidhydrats das in Schritt ii) erhaltene Produkt mit Wasser. Der Anteil an Titan(IV)oxidhydrat in dem so erhaltenen Material beträgt wenigstens 95 Gew.-%. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass ein derariges Titanoxidhydrat ebenfalls vorteilhafte elektrochemische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Kapazität, eine gute Zyklenstabilität und vorteilhafte elektrokineti- sche Eigenschaften aufweist.By briefly treating the titanium (IV) oxide hydrate obtained in step ii) under the conditions specified for step iii), it is possible to produce a titanium (IV) oxide hydrate whose BET surface area is above 30 m 2 / g and in particular in the range from 40 to 250 m 2 / g. The duration of the treatment is generally less than 30 minutes and preferably in the range from 1 to 15 minutes. The reaction temperatures are in particular below 200 ° C. and particularly preferably in the range from 100 to 180 ° C. To produce such a titanium (IV) oxide hydrate, the product obtained in step ii) is preferably treated with water. The proportion of titanium (IV) oxide hydrate in the material thus obtained is at least 95% by weight. Surprisingly, it has been shown that such a titanium oxide hydrate also has advantageous electrochemical properties, in particular a high capacity, good cycle stability and advantageous electrokinetic properties.
Sofern die Dauer der Umsetzung in Schritt iii) wenigstens 15 min. vorzugsweise wenigstens 0,5 h und insbesondere wenigstens 1 h beträgt, erhält man ein erfindungsgemäßes Material, das die Phasenbestandteile A und B aufweist. In der Regel wird die Behandlungsdauer in Schritt iii) 24 h und vorzugsweise 12 h nicht ü- berschreiten. Längere Reaktionsdauern bewirken ebenso wie höhere Reaktionstemperaturen eine Zunahme des Anteils der Anatas-Phase und eine Abnahme der Phasenanteile von B. Gleichzeitig geht mit einer verlängerten Reaktionsdauer bzw. einer erhöhten Reaktionstemperatur in der Regel eine Abnahme der spezifi- sehen Oberfläche einher. Ebenso führt die Umsetzung in einer verdünnten wässrigen Säure im Vergleich zur Umsetzung mit Wasser zu einer rascheren Abnahme der spezifischen Oberfläche und einer rascheren Abnahme der Phasenanteile von B.If the duration of the implementation in step iii) is at least 15 min. is preferably at least 0.5 h and in particular at least 1 h, a material according to the invention is obtained which has the phase components A and B. As a rule, the treatment time in step iii) will not exceed 24 hours and preferably 12 hours. Longer reaction times as well as higher reaction temperatures result in an increase in the proportion of the anatase phase and a decrease in the phase proportion of B. At the same time, a longer reaction time or an increased reaction temperature generally leads to a decrease in the specific see surface along. Likewise, the reaction in a dilute aqueous acid leads to a faster decrease in the specific surface area and a faster decrease in the phase fractions of B compared to the reaction with water.
Das erfindungsgemäße Titan(IV)oxid-Material ist im besonderen Maße geeignet als Elektrodenmaterial und speziell als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien und -Akkumulatoren sowie als Elektrodenmaterial für Magnesium-Ionen-Batterien und -Akkumulatoren. So weisen die erfindungsgemäßen Titan(IV)oxidmaterialien vergleichbare elektrochemische Eigenschaften auf wie die von Kavan et al. in J. Electrochem. Soc. 147 (2000) S. 2897-2902 und J. Phys. Chem. B. 104 (2000) S. 12012-12020 beschriebenen mesoskopischen Titan(IV)oxid-Materialien mit Ana- tas-Phasenanteilen auf. So beobachtet man bei cyclovoltametrischen Untersuchungen der erfindungsgemäßen Titan(IV)oxidmaterialien in Lithiumionen enthaltenden Elektrolyt-Lösungen zwei Peaks im Bereich von 1 ,45 bis 1 ,65 V, speziell je einen Peak im Bereich von 1 ,50 bis 1 ,54 V und im Bereich von 1 ,57 bis 1 ,6 V. Die hier angegebenen Potentialwerte beziehen sich auf die nach der von Kavan et al. (loc. cit.) beschriebenen Methode bestimmten Werte (cyclovoltametrische Untersuchungen des Elektrodenmaterials in einer einmolaren Lösung von LiN(CF3SO2)2 in Ethylencarbonat:Dimethoxyethan (1 :1 v:v) bei Scan-Geschwindigkeiten im Bereich von 0,01 mV/s bis 10 mV/s). Ausserdem findet man für das Material, welches eine Anatas-Phase A aufweist zusätzlich den für Anatas üblichen Peak der Li- thium-lnsertion im Bereich von 1 ,7 V bis 2,2 V, speziell im Bereich von 1,8 bis 2,0 V (ebenfalls gegen Lithium als Referenzelektrode). Anders als das von Kavan et al. beschriebene mesoskopische Titan(IV)oxid und das von Kavan et al. beschriebenen Zirkon-stabilisierte Titan(IV)oxid verlieren die erfindungsgemäßen Ti- tan(IV)oxidmaterialien diese vorteilhaften Eigenschaften auch bei thermischer und/oder mechanischer Belastung nicht, was sie in besonderem Maße für die Anwendung in Lithium-Batterien und -Akkumulatoren prädestiniert.The titanium (IV) oxide material according to the invention is particularly suitable as an electrode material and especially as an anode material for lithium-ion batteries and accumulators and as an electrode material for magnesium-ion batteries and accumulators. The titanium (IV) oxide materials according to the invention have comparable electrochemical properties to those of Kavan et al. in J. Electrochem. Soc. 147 (2000) pp. 2897-2902 and J. Phys. Chem. B. 104 (2000) p. 12012-12020 described mesoscopic titanium (IV) oxide materials with anatase phase components. In cyclic voltametric investigations of the titanium (IV) oxide materials according to the invention in electrolyte solutions containing lithium ions, two peaks in the range from 1.45 to 1.65 V, in particular one peak each in the range from 1.50 to 1.54 V and in Range from 1, 57 to 1, 6 V. The potential values given here relate to the according to the by Kavan et al. (loc. cit.) method described values (cyclic voltametric investigations of the electrode material in a one-molar solution of LiN (CF 3 SO 2 ) 2 in ethylene carbonate: dimethoxyethane (1: 1 v: v) at scan speeds in the range of 0.01 mV / s to 10 mV / s). In addition, for the material which has an anatase phase A, the peak of lithium insertion customary for anatase is also found in the range from 1.7 V to 2.2 V, especially in the range from 1.8 to 2.0 V (also against lithium as reference electrode). Unlike that of Kavan et al. Mesoscopic titanium (IV) oxide described and that of Kavan et al. The zirconium-stabilized titanium (IV) oxide described does not lose the titanium (IV) oxide materials according to the invention these advantageous properties even under thermal and / or mechanical stress, which makes them particularly suitable for use in lithium batteries and accumulators.
Weiterhin zeigen die erfindungsgemäßen Materialien eine hohe Kapazität und bessere elektrokinetische Eigenschaften, insbesondere eine rascheren Ladungsaustausch, was höhere Stromdichten ermöglicht. Zudem weisen die erfindungs- gemäßen Materialien eine hohe Cyclenstabilität auf, insbesondere Materialien, die Dotiermetalle enthalten. Zudem lassen sich die erfindungsgemäßen Titan(IV)oxid- Materialien sehr viel einfacher herstellen als die von Kavan et al. beschriebenen Materialien.Furthermore, the materials according to the invention have a high capacity and better electrokinetic properties, in particular a faster charge exchange, which enables higher current densities. In addition, the inventive materials have a high cycle stability, in particular materials which contain doping metals. In addition, the titanium (IV) oxide materials according to the invention can be produced much more easily than those of Kavan et al. described materials.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, vermutet man, dass die Phase B der erfindungsgemäßen Materialien sowie das bei kurzfristiger Behandlung in Schritt iii) erhaltene Titan(IV)oxid-Material durch die allgemeine Formel H2O-nTiO2 mit n = 2 bis 8 beschrieben werden kann, und dass diese Phase für die vorteilhaften elektrochemischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Materialien verantwortlich ist.Without being bound by any theory, it is assumed that phase B of the materials according to the invention and the titanium (IV) oxide material obtained in step iii) with short-term treatment are represented by the general formula H 2 O-nTiO 2 with n = 2 to 8 and that this phase is responsible for the advantageous electrochemical properties of the materials according to the invention.
Die erfindungsgemäßen Materialien sind daher in besonderem Maße zur Herstellung von Elektroden, insbesondere Anoden, und speziell von Elektroden für Lithiumionen-Batterien, für Magnesium-Ionen-Batterien und für entsprechende Akkumulatoren geeignet.The materials according to the invention are therefore particularly suitable for producing electrodes, in particular anodes, and especially electrodes for lithium-ion batteries, for magnesium-ion batteries and for corresponding rechargeable batteries.
Die erfindungsgemäßen Titan(IV)oxidmaterialen können folglich als Elektrodenmaterial in Batterien, insbesondere als Anodenmaterial, und besonders bevorzugt als Anodenmaterial in Lithiumionen-Batterien, d. h. Batterien, die einen nicht- wässrigen, insbesondere festen Elektrolyten umfassen, welcher Lithiumionen enthält, verwendet werden. Die erfindungsgemäßen Titan(IV)oxidmaterialen können außerdem als Elektrodenmaterial, z. B. als Anodenmaterial in Magnesium-Ionen- Batterien, also in Batterien, die einen nicht-wässrigen, vorzugsweise festen Elektrolyten umfassen, welcher Magnesiumionen enthält, verwendet werden.The titanium (IV) oxide materials according to the invention can consequently be used as electrode material in batteries, in particular as anode material, and particularly preferably as anode material in lithium ion batteries, i.e. H. Batteries which comprise a non-aqueous, in particular solid, electrolyte which contains lithium ions are used. The titanium (IV) oxide materials according to the invention can also be used as electrode material, e.g. B. as anode material in magnesium ion batteries, that is, in batteries which comprise a non-aqueous, preferably solid electrolyte which contains magnesium ions.
Elektroden, insbesondere Anoden für Lithium-Ionen-Batterien, für Magnesium- Ionen-Batterien und für entsprechende Akkumulatoren, die ein erfindungsgemäßes Titan(IV)oxidmaterial umfassen, können in an sich bekannter Weise hergestellt werden, wobei sich die Herstellung sich im Wesentlichen nach der Form der gewünschten Elektrode und nach der Art der herzustellenden Batterie richtet. Hierbei kann man sich grundsätzlich an den Herstellungsvorschriften für Elektroden aus Anatas, Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltigen Materialien orientieren. Der- artige Verfahren sind beispielsweise aus Wakihara et al. (Herausgeber) in "Lithiumion Batteries", 1. Auflage, Wiley VCH, Weinheim, 1998, bekannt. In der Regel umfassen derartige Elektroden neben dem erfindungsgemäßen Ti- tan(IV)oxidmaterial einen oder mehrere elektrische Kontakte, gegebenenfalls einen Träger und gegebenenfalls ein Bindemittel zum Verfestigen des erfindungsgemäßen Titan(IV)oxidmaterials.Electrodes, in particular anodes for lithium-ion batteries, for magnesium-ion batteries and for corresponding rechargeable batteries, which comprise a titanium (IV) oxide material according to the invention, can be produced in a manner known per se, the production being essentially based on Shape of the desired electrode and the type of battery to be manufactured. Basically, you can follow the manufacturing instructions for electrodes made of anatase, carbon or carbon-containing materials. The- like methods are for example from Wakihara et al. (Editor) in "Lithiumion Batteries", 1st edition, Wiley VCH, Weinheim, 1998, known. As a rule, in addition to the titanium (IV) oxide material according to the invention, such electrodes comprise one or more electrical contacts, optionally a carrier and optionally a binder for solidifying the titanium (IV) oxide material according to the invention.
Beispiele für geeignete Bindemittel sind Hydroxypropylcellulose, Carboxymethyl- cellulose, Polythiophen, Hydroxyethylcellulose, Polyanilin, Polyisothionaphthalen, Polyacetylen und deren Derivate. Im Übrigen sei hierzu auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.Examples of suitable binders are hydroxypropyl cellulose, carboxymethyl cellulose, polythiophene, hydroxyethyl cellulose, polyaniline, polyisothionaphthalene, polyacetylene and their derivatives. For the rest, reference is made to the relevant prior art.
Lithiumionen-Batterien sowie Magnesium-Ionen-Batterien, insbesondere Sekundärzellen, deren Anode wenigstens ein erfindungsgemäßes teilchenförmiges Ti- tan(IV)oxidmaterial umfasst weisen neben einer derartigen Anode üblicherweise wenigstens eine Kathode und einen nicht-wässrigen Elektrolyten, der Lithiumionen bzw. Magnesiumionen enthält, auf. Bzgl. der Kathodenmaterialien, der Elektrolytsysteme sowie des Aufbaus der Batterien sei auf den einschlägigen Stand der Technik, beispielsweise auf Wakihara et al. (loc. cit.) sowie Adv. Mater. 15, 2003, S.627 ff., US 6,316,141 und dort zitierte Literatur verwiesen.Lithium-ion batteries and magnesium-ion batteries, in particular secondary cells, the anode of which comprises at least one particulate titanium (IV) oxide material according to the invention usually have, in addition to such an anode, at least one cathode and one non-aqueous electrolyte which contains lithium ions or magnesium ions, on. Concerning. the cathode materials, the electrolyte systems and the structure of the batteries are based on the relevant prior art, for example on Wakihara et al. (loc. cit.) and Adv. Mater. 15, 2003, p.627 ff., US 6,316,141 and literature cited therein.
Die folgenden Figuren dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung:The following figures serve to further explain the invention:
Figur 1: Cyclovoltammogramm von Material Nr. 21: Elektrolyt-Lösung: 1M LiN(CS3SO2)2 in Ethylencarbonat/Dimethoxyethan (1:1 v:v) bei einer Scan- Geschwindigkeit von 0.1 mV/s. sowie eine Auftragung des anodischen Peak- Stroms versus Scan-GeschwindigkeitFigure 1: Cyclic voltammogram of material no. 21: Electrolyte solution: 1M LiN (CS 3 SO 2 ) 2 in ethylene carbonate / dimethoxyethane (1: 1 v: v) at a scan speed of 0.1 mV / s. and a plot of the anodic peak current versus scan speed
Figur 2: Auftragung des kapazitiven Ladungsanteils der S-Peaks, bestimmt durch Integration der S-Peaks des anodischen Zweigs eines Cyclovoltammograms, wie in Figur 1 gezeigt, in Abhängigkeit von dem Anteil der Phasenbereiche B und bezogen auf die Gesamtkapazität. Figur 3: relative Ladungskapazität (bestimmt durch Integration des anodischen Zweigs eines Cyclovoltammograms, wie in Figur 1 gezeigt und normiert auf die Ladungskapazität bei 0,1 mV/sec), aufgetragen als Funktion der Scan- Geschwindigkeit, für die Materialien Nr. 7 (Kreise), Material Nr. 8 (Quadrate), kommerzieller nanokristalliner Anatas C 240, hergestellt nach JES 143 (1996) S. 395.FIG. 2: plot of the capacitive charge component of the S peaks, determined by integrating the S peaks of the anodic branch of a cyclic voltammogram, as shown in FIG. 1, as a function of the proportion of the phase regions B and based on the total capacity. Figure 3: Relative charge capacity (determined by integrating the anodic branch of a cyclic voltammogram, as shown in Figure 1 and normalized to the charge capacity at 0.1 mV / sec), plotted as a function of the scan speed, for materials No. 7 (circles ), Material No. 8 (squares), commercial nanocrystalline anatase C 240, manufactured according to JES 143 (1996) p. 395.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, sind jedoch nicht einschränkend zu verstehen.The following examples are intended to explain the invention, but are not to be understood as restrictive.
Beispiel 1: Synthese von Natriumtitanat-Fasern ausgehend von TiCI4 Example 1: Synthesis of sodium titanate fibers starting from TiCl 4
8 ml (72,9 mmol) TiCI4 wurden in 20 ml demineralisiertem Wasser hydrolysiert und mit 10 N Natronlauge auf 150 ml aufgefüllt. Die Reaktionsmischung wurde in ein 250 ml fassendes Teflongefäß gegeben und 6 h auf 250 °C erhitzt. Das Produkt bestand aus Natriumtitanat-Fasern mit einer Länge von < 100 μm und einem Durchmesser von 30 bis 1000 nm, im Mittel etwa 300 nm.8 ml (72.9 mmol) of TiCl 4 were hydrolyzed in 20 ml of demineralized water and made up to 150 ml with 10 N sodium hydroxide solution. The reaction mixture was placed in a 250 ml Teflon vessel and heated to 250 ° C for 6 h. The product consisted of sodium titanate fibers with a length of <100 μm and a diameter of 30 to 1000 nm, on average about 300 nm.
Beispiel 2: Synthese von Natriumtitanat-Fasern ausgehend von TitanalkoxidExample 2: Synthesis of sodium titanate fibers starting from titanium alkoxide
21,6 g (72,9 mmol) Tetraisopropyl-Orthotitanat wurden unter Rühren in 50 ml 10 N Natronlauge getropft, mit 10 N Natronlauge auf 100 ml Gesamtvolumen aufgefüllt und in einem 200 ml fassenden Teflongefäß im Autoklav 12 h auf 250 °C erhitzt. Das Produkt bestand aus Natriumtitanat-Fasern mit einer Länge von < 100 μm und einem Durchmesser von 30 bis 1000 nm, im Mittel etwa 300 nm.21.6 g (72.9 mmol) of tetraisopropyl orthotitanate were added dropwise with stirring in 50 ml of 10 N sodium hydroxide solution, made up to 100 ml total volume with 10 N sodium hydroxide solution and heated in a 200 ml Teflon vessel in an autoclave at 250 ° C. for 12 hours. The product consisted of sodium titanate fibers with a length of <100 μm and a diameter of 30 to 1000 nm, on average about 300 nm.
Beispiel 3: Synthese von Natriumtitanat-Fasern ausgehend von TitanoxidsulfatExample 3: Synthesis of sodium titanate fibers starting from titanium oxide sulfate
20 g (125 mmol) Titanoxidsulfat wurden in 40 ml Wasser suspendiert. Die Suspension wurde in ein 200 ml fassendes Teflongefäß gegeben und mit 10 N Natronlauge auf 150 ml aufgefüllt. Anschließend wurde im Autoklav 12 h auf 250 °C erhitzt. Das Produkt bestand aus Natriumtitanat-Fasern mit einer Länge von < 100 μm und einem Durchmesser von 30 bis 1000 nm, im Mittel etwa 300 nm. Beispiel 4: Synthese von Natriumtitanat-Fasern ausgehend von Anatas20 g (125 mmol) of titanium oxide sulfate were suspended in 40 ml of water. The suspension was placed in a 200 ml Teflon vessel and made up to 150 ml with 10 N sodium hydroxide solution. The mixture was then heated to 250 ° C. in the autoclave for 12 h. The product consisted of sodium titanate fibers with a length of <100 μm and a diameter of 30 to 1000 nm, on average about 300 nm. Example 4: Synthesis of sodium titanate fibers starting from anatase
In einem 200 ml fassenden Teflongefäß wurden 5 g (62,5 mmol) Anatas mit 10 ml 10 N Natronlauge in einem Autoklaven für 96 h auf 250 °C erhitzt. An der Wand des Gefäßes hatte sich ein zusammenhängendes Vlies aus Fasern mit einer Länge von > 1 mm und einem Durchmesser von 300 bis 3000 nm abgeschieden.In a 200 ml Teflon vessel, 5 g (62.5 mmol) of anatase with 10 ml of 10 N sodium hydroxide solution were heated in an autoclave at 250 ° C. for 96 h. A continuous fleece of fibers with a length of> 1 mm and a diameter of 300 to 3000 nm had deposited on the wall of the vessel.
Beispiel 5: Synthese von Zr-dotierten Natriumtitanat-FasernExample 5: Synthesis of Zr-doped sodium titanate fibers
8 ml (72,9 mmol) TiCI4 wurden in einer Lösung von 1 g (4,35 mmol ) ZrCI4 in 20 ml demineralisiertem Wasser hydrolysiert und mit 10 N Natronlauge auf 150 ml aufgefüllt. Die Reaktionsmischung wurde in ein 250 ml fassendes Teflongefäß gegeben und 6 h auf 250 °C erhitzt. Das Produkt bestand aus dotierten Natriumtitanat- Fasern mit einer Länge von < 100 μm und einem Durchmesser von 30 bis 1000 nm, im Mittel etwa 300 nm.8 ml (72.9 mmol) of TiCl 4 were hydrolyzed in a solution of 1 g (4.35 mmol) of ZrCl 4 in 20 ml of demineralized water and made up to 150 ml with 10 N sodium hydroxide solution. The reaction mixture was placed in a 250 ml Teflon vessel and heated to 250 ° C for 6 h. The product consisted of doped sodium titanate fibers with a length of <100 μm and a diameter of 30 to 1000 nm, on average about 300 nm.
Beispiel 6: Synthese von Sn-dotierten Natriumtitanat-FasernExample 6: Synthesis of Sn-doped sodium titanate fibers
8 ml (72,9 mmol) TiCI4 wurden in einer Lösung von 1,7 g (4,35 mmol) SnCl4*5H2O in 20 ml demineralisiertem Wasser hydrolysiert und mit 10 N Natronlauge auf 150 ml aufgefüllt. Die Reaktionsmischung wurde in ein 250 ml fassendes Teflongefäß gegeben und 6 h auf 250 °C erhitzt. Das Produkt bestand aus dotierten Natriumtitanat-Fasern mit einer Länge von < 100 μm und einem Durchmesser von 30 bis 1000 nm, im Mittel etwa 300 nm.8 ml (72.9 mmol) of TiCl 4 were hydrolyzed in a solution of 1.7 g (4.35 mmol) of SnCl 4 * 5H 2 O in 20 ml of demineralized water and made up to 150 ml with 10 N sodium hydroxide solution. The reaction mixture was placed in a 250 ml Teflon vessel and heated to 250 ° C for 6 h. The product consisted of doped sodium titanate fibers with a length of <100 μm and a diameter of 30 to 1000 nm, on average about 300 nm.
Beispiel 7: Umwandlung von Natriumtitanat-Fasern in Titanoxidhydrat-FasernExample 7: Conversion of sodium titanate fibers to titanium oxide hydrate fibers
Natriumtitanat-Fasern, hergestellt nach Beispiel 1 - 6, werden mehrfach mit wässriger Salzsäure (5 N) gewaschen. Hierbei werden die Natriumionen gegen Protonen ausgetauscht. Anschließend werden die auf diese Weise erhaltenen Titanoxidhydrat-Fasern mit Wasser neutral gewaschen. Bei Verwendung der Natriumtitanate der Beispiele 1 bis 3, 5 und 6 erhielt man Ti- tan(IV)oxidhydrat-Fasern mit einer Länge von < 100 μm und einem Durchmesser von 30 bis 1000 nm, im Mittel etwa 300 nm. Die BET-Oberfläche der so erhaltenen Materialien lag in allen Fällen im Bereich von 5 bis 25 m2/g.Sodium titanate fibers, produced according to Examples 1-6, are washed several times with aqueous hydrochloric acid (5 N). Here, the sodium ions are exchanged for protons. The titanium oxide hydrate fibers obtained in this way are then washed neutral with water. When using the sodium titanates of Examples 1 to 3, 5 and 6, titanium (IV) oxide hydrate fibers with a length of <100 μm and a diameter of 30 to 1000 nm were obtained, on average about 300 nm. The BET surface area the materials thus obtained were in the range of 5 to 25 m 2 / g in all cases.
Beispiele 8 bis 24:Examples 8 to 24:
Herstellung des erfindungsgemäßen Titan(IV)oxid-MaterialsProduction of the titanium (IV) oxide material according to the invention
Natriumtitanat-Fasern, hergestellt nach Beispiel 1 oder nach Beispiel 5, wurden wie in Beispiel 7 beschrieben in das Oxidhydrat übergeführt. Die Oxidhydrat- Fasern wurden in einer Flüssigkeit suspendiert und im Autoklaven erhitzt. Einzelheiten können der unten stehenden Tabelle 1 entnommen werden. Die Produkte bestanden aus Fasern mit einer Länge < 60 μm und einem Durchmesser von 20 bis 600 nm, im Mittel 150 nm. Sodium titanate fibers, produced according to Example 1 or according to Example 5, were converted into the oxide hydrate as described in Example 7. The hydrated oxide fibers were suspended in a liquid and heated in an autoclave. Details can be found in Table 1 below. The products consisted of fibers with a length of <60 μm and a diameter of 20 to 600 nm, on average 150 nm.
Tabelle 1:Table 1:
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Vergleichcomparison
* Als Ausgangsmaterial diente das Zr-dotierte Natriumtitanat aus Beispiel 5.* The Zr-doped sodium titanate from Example 5 was used as the starting material.
1) Der Anteil der von Anatas verschiedenen Phase B wurde mittels Pulverrönt- gendiffraktometrie gemäß dem Verfahren von Banfield et al. (H. Zang, M. Fine- gann und J.F. Banfield, Nanoletters, 1 , 81 (2001)) ermittelt, wobei man als internen Standard Rutil mit 3,7 Gew.-% Anatas als Verunreinigung verwendete (Bayer R-U-F). Die pulverröntgendiffraktometrischen Untersuchungen wurden mit einem Siemens D-5000 Diffraktometer unter Verwendung von CuKα-Strahlung durchgeführt. 2) Die BET-Oberfläche der Proben 12 bis 24 wurde mit einem Gerät ASAP 2010 Micrometrics bestimmt (Bestimmung der Stickstoffadsorptionsisotherme bei 77 K).1) The proportion of phase B different from anatase was determined by means of powder X-ray diffractometry in accordance with the method of Banfield et al. (H. Zang, M. Finegann and JF Banfield, Nanoletters, 1, 81 (2001)), using rutile as an internal standard with 3.7% by weight of anatase as an impurity (Bayer RUF). The powder X-ray diffractometric tests were carried out with a Siemens D-5000 diffractometer using CuK α radiation. 2) The BET surface area of samples 12 to 24 was determined using an ASAP 2010 Micrometrics instrument (determination of the nitrogen adsorption isotherm at 77 K).
Vergleichsbeispiel 1 : Hydrothermale Umsetzung von KaliumoctatitanatComparative Example 1: Hydrothermal conversion of potassium octatitanate
5 g (6,8 mmol) Kaliumoctatitanat (Otsuka Chemicals, Lot 2A96I) wurden wie in Beispiel 7 schrieben mit Salzsäure behandelt und anschließend in einem Autoklav mit 100 ml 0,1 N Salzsäure 1 h auf 250 °C erhitzt. Im Röntgenpulverdiagramm (XRD) wurden keine Reflexe von Anatas beobachtet.5 g (6.8 mmol) of potassium octatitanate (Otsuka Chemicals, Lot 2A96I) were treated with hydrochloric acid as described in Example 7 and then heated in an autoclave with 100 ml of 0.1 N hydrochloric acid at 250 ° C. for 1 hour. No reflexes of anatase were observed in the X-ray powder diagram (XRD).
Vergleichsbeispiel 2: Hydrothermale Umsetzung von Kaliumtitanat (hergestellt nach CN 1151969)Comparative Example 2: Hydrothermal Reaction of Potassium Titanate (Produced According to CN 1151969)
1 ,53 g (19 mmol) Anatas (Acros, Lo A014127201), 26,93 g (480 mmol) Kaliumhydroxid (Riedel de Haen, Lot 92990) und 16 ml Wasser wurden in einem Autoklav 4 h auf 200 °C erhitzt. Das Produkt enthielt neben Fasern wasserlösliche kristalline Bestandteile. Das Produkt wurde wie in Beispiel 7 beschrieben, in das Oxidhydrat übergeführt und in einem Autoklav mit 100 m 0,1 N Salzsäure 1 h auf 200 °C erhitzt. Das Produkt bestand nach XRD aus phasenreinem Anatas, Fasern wurden im TEM jedoch nicht mehr beobachtet, statt dessen bestand die Probe aus Plättchen mit einer mittleren Kantenlänge von 60 nm.1.53 g (19 mmol) of anatase (Acros, Lo A014127201), 26.93 g (480 mmol) of potassium hydroxide (Riedel de Haen, Lot 92990) and 16 ml of water were heated in an autoclave at 200 ° C. for 4 h. In addition to fibers, the product contained water-soluble crystalline components. The product was converted into the oxide hydrate as described in Example 7 and heated in an autoclave with 100 m 0.1 N hydrochloric acid at 200 ° C. for 1 h. After XRD, the product consisted of phase-pure anatase, but fibers were no longer observed in the TEM, instead the sample consisted of platelets with an average edge length of 60 nm.
Elektrochemische Untersuchungen:Electrochemical investigations:
1. Herstellung der Elektroden1. Manufacture of the electrodes
Pulverproben wurden gemäß bekannten Verfahren in wässrigem Medium zu viskosen Pasten verarbeitet (L. Kavan, B. O'Regan, A. Kay and M. Grätzel, J. Electroanal. Chem., 346, 291 (1993); M. K. Nazeeruddin, A. Kay, I. Rodi- cio, R. Humphry-Baker, E. Mueller, P. Liska, N. Vlachopolous and M. Grätzel, J. Am. Chem. Soc, 115, 6382 (1993)). Hierzu wurden 0,3 g des Pulvers unter Rühren mit 0,8 ml einer 10 gew.- %igen, wässrigen Lösung von Acetylaceton vermischt. Hierzu gab man unter Rühren 0,8 ml einer 4 gew.-%igen, wässrigen Lösung von Hydroxypropylcel- lulose (Mw 100000 Dalton) und danach 0,4 ml einer 10 gew.-%igen wässrigen Lösung von Triton-X100 (Fluka). Anschließend wurde die so erhaltene Aufschlämmung sorgfältig unter Rühren homogenisiert und gegebenenfalls mit etwas Wasser verdünnt. Als Elektrodenträger dienten Titannetze (5 x 15 mm, Goodfellow). Die Titannetze wurden in Aufschlämmung des Titanoxid- Materials eingetaucht, so dass die beschichtete Fläche etwa eine Größe von 5 x 5 mm aufwies. Die so erhaltenen Elektroden wurden an der Luft getrocknet und anschließend unter Luftzutritt bei 450 °C 30 Minuten kalziniert.Powder samples were processed in aqueous medium to viscous pastes according to known methods (L. Kavan, B. O'Regan, A. Kay and M. Grätzel, J. Electroanal. Chem., 346, 291 (1993); MK Nazeeruddin, A. Kay, I. Rodicio, R. Humphry-Baker, E. Mueller, P. Liska, N. Vlachopolous and M. Grätzel, J. Am. Chem. Soc, 115, 6382 (1993)). For this purpose, 0.3 g of the powder was mixed with 0.8 ml of a 10% strength by weight aqueous solution of acetylacetone. 0.8 ml of a 4% strength by weight aqueous solution of hydroxypropyl cellulose (M w 100000 Dalton) and then 0.4 ml of a 10% strength by weight aqueous solution of Triton-X100 (Fluka ). The resulting slurry was then carefully homogenized with stirring and, if necessary, diluted with a little water. Titanium mesh (5 x 15 mm, Goodfellow) served as the electrode carrier. The titanium nets were immersed in slurry of the titanium oxide material so that the coated area was approximately 5 x 5 mm in size. The electrodes thus obtained were dried in air and then calcined at 450 ° C. for 30 minutes while admitting air.
Außerdem stellte man Elektroden her, indem man die Aufschlämmung auf eine Schicht eines leitfähigen Glases (F-dotiertes Sn02 : TEC 8 der Firma Libbey-Owens-Ford, 8 Ω/cm2) wobei man eine Rakeltechnik (S. D. Burnside, J. Moser, K. Brooks, M. Grätzel and D. Cahen, J. Phys. Chem. B, 103, 9328 (1999)) anwendete. Der Träger aus leitfähigem Glas wies eine Größe von 3 x 5 x 0,3 cm3 auf. Ein Klebeband an beiden Enden des Trägers (0,5 cm) gab zum einen die Beschichtungsdicke vor und ließ Teile des Trägers zu Zwecken des elektrischen Kontakts unbedeckt. Die auf diesem Träger aufgebrachte Beschichtung wurde anschließend 30 Minuten bei 450 °C kalziniert. Der so beschichtete Träger wurde in 10 Elektroden der Größe 1 ,5 x 1 cm2 zerschnitten. Die Fläche der Beschichtung lag bei etwa 1 x 1 cm2.Electrodes were also made by placing the slurry on a layer of conductive glass (F-doped Sn0 2 : TEC 8 from Libbey-Owens-Ford, 8 Ω / cm 2 ) using a doctor blade technique (SD Burnside, J. Moser , K. Brooks, M. Grätzel and D. Cahen, J. Phys. Chem. B, 103, 9328 (1999)) applied. The carrier made of conductive glass had a size of 3 x 5 x 0.3 cm 3 . An adhesive tape on both ends of the carrier (0.5 cm) on the one hand gave the coating thickness and left parts of the carrier uncovered for the purpose of electrical contact. The coating applied to this support was then calcined at 450 ° C. for 30 minutes. The support coated in this way was cut into 10 electrodes of size 1.5 × 1 cm 2 . The area of the coating was approximately 1 x 1 cm 2 .
2. Cyclovoltammetrische Untersuchungen2. Cyclic voltammetric studies
Die elektrochemischen Untersuchungen wurden in einer Zelle mit einem Kompartiment vorgenommen, wobei man einen Potentiostaten Autolab Pgstat-20 (Ecochemie) mit einer GPES-4 Software verwendete. Als Referenz und Hilfselektroden dienten Lithiummetall, so dass die Potentiale auf Li/Li+ (1 M) als Referenzelektrode bezogen sind. Das verwendete LiN(CF3S02)2 (Flu- orad HQ 115 der Firma 3M) wurde bei 130°C und 1mPa getrocknet. Ethylen- carbonat und 1 ,2-Dimethoxyethan wurden über 4A Molekularsieb (Union Carbide) getrocknet.The electrochemical investigations were carried out in a cell with a compartment, using a potentiostat Autolab Pgstat-20 (ecochemistry) with GPES-4 software. Lithium metal served as reference and auxiliary electrodes, so that the potentials are related to Li / Li + (1 M) as reference electrode. The LiN (CF 3 S0 2 ) 2 used (Fluorad HQ 115 from 3M) was dried at 130 ° C. and 1 mPa. ethylene Carbonate and 1,2-dimethoxyethane were dried over 4A molecular sieve (Union Carbide).
Als Elektrolyt-Lösung diente eine 1 molare Lösung von LiN(CF3S02)2 in Ethy- lencarbonat/Dimethoxyethan (1 :1 v:v), die 15 bis 40 ppm Wasser enthielt (bestimmt mittels Karl Fischer Titration). Alle Untersuchungen wurden in einer "Glove-Box" vorgenommen.A 1 molar solution of LiN (CF 3 S0 2 ) 2 in ethylene carbonate / dimethoxyethane (1: 1 v: v), which contained 15 to 40 ppm water, was used as the electrolyte solution (determined by Karl Fischer titration). All investigations were carried out in a "glove box".
Figur 1 zeigt das Ergebnis einer cyclovoltametrischen Untersuchung des Materials Nr. 21. Das Cyclovoltammogramm zeigt im Unterschied zu Voltam- mogrammen des normalen Anatas 2 Paare von Peaks (S1 und S2). Die Potentiale von S1 und S2 sind 1.52 und 1.59 vs. Li/Li+. Das verbleibende Peak- Paar bei etwa 1 ,8 V wird üblicherweise in Anatase-Elektroden beobachtet.FIG. 1 shows the result of a cyclovoltametric examination of material no. 21. In contrast to voltammograms of normal anatase, the cyclic voltammogram shows 2 pairs of peaks (S1 and S2). The potentials of S1 and S2 are 1.52 and 1.59 vs. Li / Li + . The remaining pair of peaks at about 1.8 V is usually observed in anatase electrodes.
Die in Tabelle 2 angegebenen Materialien 13 bis 22 zeigen 2 Peaks bei etwa 1 ,52 und 1 ,59 V in unterschiedlicher Intensität. Ein derartiger Peak wird für Material 12 nicht beobachtet. In dem Zirkon-dotierten Material 23 beobachtet man diese Peaks ebenso wie in dem Titanoxidhydrat-Material 24.The materials 13 to 22 given in Table 2 show 2 peaks at approximately 1.52 and 1.59 V with different intensities. Such a peak is not observed for material 12. These peaks are observed in the zirconium-doped material 23 as well as in the titanium oxide hydrate material 24.
Eine Auftragung der Größe der kapazitiven Ladungsanteils der S1/S2-Peaks, bestimmt durch Integration der S1/S2-Peaks des anodischen Zweigs eines Cyclovoltammograms (bezogen auf die Gesamtladungskapazität) als Funktion des Anteils der Bestandteile B in dem jeweiligen Material zeigt, dass mit zunehmendem Anteil von B der kapazitiven Ladungsanteils der S1/S2-Peaks zunimmt (siehe Figur 2).A plot of the size of the capacitive charge component of the S1 / S2 peaks, determined by integrating the S1 / S2 peaks of the anodic branch of a cyclic voltammogram (based on the total charge capacity) as a function of the proportion of components B in the respective material, shows that with increasing B component of the capacitive charge component of the S1 / S2 peaks increases (see FIG. 2).
In Figur 3 wird die Gesamtladungskapazität (bestimmt durch Integration des anodischen Zweigs eines Cyclovoltammograms, wie in Figur 1 gezeigt) der Materialien Nr. 18, 19 und 21 gegen die Scan-Geschwindigkeit aufgetragen. Zu Vergleichszwecken wurde die gleiche Kurve ebenfalls für nanokristallinen Anatas (C 240, 89 m2/g), hergestellt durch ein Sol-Gel-Verfahren, dargestellt. Da die absolute Ladungskapzität jeder Testelektrode variierte (zwischen 100 und 180 mC) wurden die in Figur 3 gezeigten Daten auf die tatsächliche La- dung der jeweiligen Elektrode bei niedrigster Scan-Geschwindigkeit (0,1 mV/S) normiert.In Figure 3, the total charge capacity (determined by integrating the anodic branch of a cyclic voltammogram as shown in Figure 1) of Materials Nos. 18, 19 and 21 is plotted against the scan speed. For comparison purposes, the same curve was also shown for nanocrystalline anatase (C 240, 89 m 2 / g), produced by a sol-gel process. Since the absolute charge capacity of each test electrode varied (between 100 and 180 mC), the data shown in FIG. standardization of the respective electrode at the lowest scan speed (0.1 mV / S).
Aus Figur 3 geht hervor, dass die erfindungsgemäßen Materialien Nr. 18, 19 und 21 diese Ladung auch bei hohen Scan-Geschwindigkeiten von 1 bis 2 mV/S gewährleisten. Demgegenüber zeigt das ausschließlich aus Anatas bestehende Material eine abnehmende Kapazität mit zunehmender Scan- Geschwindkeit.It can be seen from FIG. 3 that materials 18, 19 and 21 according to the invention ensure this charge even at high scanning speeds of 1 to 2 mV / S. In contrast, the material, which consists exclusively of anatase, shows a decreasing capacity with increasing scanning speed.
Zur Untersuchung der Zyklenstabilität wurden in der oben beschriebenen Weise Cyclovoltammogramme im Bereich von 1 ,2 V bis 2,5 V mehrfach hintereinander aufgenommen und die spezifische Kapazität der S-Peaks bestimmt. Im Falle des undotierten Materials betrug die Abnahme der spezifischen Kapazität nach 20 Cyclen weniger als 10 % und im Falle des Zirkon- dotierten Materials 23 weniger als 5 %. Für Titan(IV)oxidhydrat aus Beispiel 24 wurde selbst nach 35 Cyclen keine signifikante Abnahme der Kapazität beobachtet. Für ein lediglich aus Anatas bestehendes Material wie Material 12 lag die Abnahme nach 20 Cyclen mehr als 30 %. To investigate the cycle stability, cyclic voltammograms in the range from 1.2 V to 2.5 V were recorded several times in succession and the specific capacity of the S peaks was determined. In the case of the undoped material, the decrease in the specific capacity after 20 cycles was less than 10% and in the case of the zirconium-doped material 23 it was less than 5%. No significant decrease in capacity was observed for titanium (IV) oxide hydrate from Example 24 even after 35 cycles. For a material consisting only of anatase, such as material 12, the decrease after 20 cycles was more than 30%.

Claims

Patentansprüche claims
1. Teilchenförmiges Titan(IV)oxidmaterial mit einer BET-Oberfläche oberhalb 30 m2/g, erhältlich durch ein Verfahren, bei dem man1. Particulate titanium (IV) oxide material with a BET surface area above 30 m 2 / g, obtainable by a process in which
i) ein dotiertes oder undotiertes Natriumtitanat mit faserförmiger Morphologie bereitstellt, ii) das dotierte oder undotierte Natriumtitanat in ein dotiertes oder undotiertes Titanoxidhydrat überführt und iii) das Produkt aus Schritt ii) unter hydrothermalen Bedingungen mit Wasser oder einer verdünnten wässrigen Säure behandelt.i) providing a doped or undoped sodium titanate with a fibrous morphology, ii) converting the doped or undoped sodium titanate into a doped or undoped titanium oxide hydrate, and iii) treating the product from step ii) with water or a dilute aqueous acid under hydrothermal conditions.
2. Teilchenförmiges Titan(IV)oxidmaterial nach Anspruch 1, umfassend:2. A particulate titanium (IV) oxide material according to claim 1 comprising:
a) kristalline Bereiche A aus gegebenenfalls dotiertem Titandioxid mit Anatas-Struktur und b) davon verschiedene Bereiche B, die aus einem oxidischen, gegebenenfalls dotierten Titan(IV)material bestehen, das von Titandioxid mit Anatas-, Brookit- oder Rutilstruktur verschieden ist,a) crystalline regions A of optionally doped titanium dioxide with anatase structure and b) different regions B thereof, which consist of an oxidic, optionally doped titanium (IV) material which is different from titanium dioxide with anatase, brookite or rutile structure,
3. Teilchenförmiges Titan(IV)oxidmaterial nach Anspruch 2, umfassend 1 bis 80 Gew.-% kristalline Bereiche A und 20 bis 99 Gew.-% Bereiche B.3. Particulate titanium (IV) oxide material according to claim 2, comprising 1 to 80% by weight of crystalline regions A and 20 to 99% by weight of regions B.
4. Teilchenförmiges Titan(IV)oxidmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer BET-Oberfläche von wenigstens 40 m2/g.4. Particulate titanium (IV) oxide material according to one of the preceding claims with a BET surface area of at least 40 m 2 / g.
5. Titan(IV)oxidmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend neben Titan wenigstens ein Dotiermetall, das ausgewählt ist unter Hafnium, Zirkon, Zinn, Germanium, Aluminium und Niob.5. Titanium (IV) oxide material according to one of the preceding claims, containing, in addition to titanium, at least one doping metal which is selected from hafnium, zirconium, tin, germanium, aluminum and niobium.
6. Teilchenförmiges Titan(IV)oxidmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Teilchen des Titan(IV)oxidmaterials aus Agglomeraten von Primärteilchen bestehen, worin 90% der Primärteilchen einen Teilchendurchmesser im Bereich von 5 bis 500 nm aufweisen.6. Particulate titanium (IV) oxide material according to one of the preceding claims, wherein the particles of the titanium (IV) oxide material from agglomerates consist of primary particles in which 90% of the primary particles have a particle diameter in the range from 5 to 500 nm.
7. Teilchenförmiges Titan(IV)oxidmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine faserförmige Morphologie aufweist, worin nicht mehr als 10% der Teilchen Faserlängen oberhalb 100 μm aufweisen und das Verhältnis von Länge zu Durchmesser wenigstens 10:1 beträgt.7. Particulate titanium (IV) oxide material according to one of the preceding claims, which has a fibrous morphology, wherein no more than 10% of the particles have fiber lengths above 100 microns and the ratio of length to diameter is at least 10: 1.
8. Titan(IV)oxidmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens 70% der Faserteilchen des in Schritt i) eingesetzten dotierten o- der undotierten Natriumtitanats eine Länge unterhalb 100 μm bei einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von wenigstens 10 aufweisen.8. Titanium (IV) oxide material according to one of the preceding claims, wherein at least 70% of the fiber particles of the doped or undoped sodium titanate used in step i) have a length below 100 μm with a ratio of length to diameter of at least 10.
9. Titan(IV)oxidmaterial nach Anspruch 8, wobei man in Schritt i) ein dotiertes oder undotiertes Natriumtitanat bereitstellt durch Behandeln einer hydrolysierbaren Titan(IV)verbindung umfassend kovalente Titan(IV)Verbindungen und hydrolysierbare Titan(IV)salze oder einer Mischung aus einer hydrolysierbaren Titan(IV)verbindung mit wenigstens einer hydrolysierbaren Verbindung eines Dotiermetalls mit wässriger Natronlauge unter hydrothermalen Bedingungen.9. titanium (IV) oxide material according to claim 8, wherein in step i) a doped or undoped sodium titanate is provided by treating a hydrolyzable titanium (IV) compound comprising covalent titanium (IV) compounds and hydrolyzable titanium (IV) salts or a mixture of a hydrolyzable titanium (IV) compound with at least one hydrolyzable compound of a doping metal with aqueous sodium hydroxide solution under hydrothermal conditions.
10. Verfahren zur Herstellung eines Titan(IV)oxidmaterials gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend:10. A method for producing a titanium (IV) oxide material according to any one of the preceding claims, comprising:
i) Bereitstellung eines dotierten oder undotierten Natriumtitanats mit faserförmiger Morphologie, ii) Überführen des dotierten oder undotierten Natriumtitanats in ein dotiertes oder undotiertes Titanoxid hyd rat und iii) Behandeln des Produkts aus Schritt ii) unter hydrothermalen Bedingungen mit Wasser oder einer wässrigen Säure. i) providing a doped or undoped sodium titanate with a fibrous morphology, ii) converting the doped or undoped sodium titanate into a doped or undoped titanium oxide hydrate and iii) treating the product from step ii) under hydrothermal conditions with water or an aqueous acid.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei man in Schritt iii) bei Temperaturen im Bereich von 100 bis 300 °C durchführt.11. The method according to claim 10, wherein in step iii) at temperatures in the range of 100 to 300 ° C.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei man Schritt iii) Wasser oder eine wässrige Säure mit einer Konzentration von wenigstens 0,01 mol/l einsetzt.12. The method according to claim 10 or 11, wherein step iii) water or an aqueous acid is used at a concentration of at least 0.01 mol / l.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei man in Schritt i) ein dotiertes oder undotiertes Natriumtitanat bereitstellt durch Behandeln einer hydrolysierbaren Titan(IV)verbindung umfassend kovalente Ti- tan(IV)Verbindungen und hydrolysierbare Titan(IV)salze oder einer Mischung aus einer hydrolysierbaren Titan(IV)verbindung mit wenigstens einer hydrolysierbaren Verbindung eines Dotiermetalls mit wässriger Natronlauge unter hydrothermalen Bedingungen.13. The method according to any one of claims 10 to 12, wherein in step i) a doped or undoped sodium titanate is provided by treating a hydrolyzable titanium (IV) compound comprising covalent titanium (IV) compounds and hydrolyzable titanium (IV) salts or one Mixture of a hydrolyzable titanium (IV) compound with at least one hydrolyzable compound of a doping metal with aqueous sodium hydroxide solution under hydrothermal conditions.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Behandlung mit der wässrigen Natronlauge bei Temperaturen im Bereich von 150 bis 350 °C erfolgt.14. The method according to claim 13, wherein the treatment with the aqueous sodium hydroxide solution is carried out at temperatures in the range from 150 to 350 ° C.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Natronlauge eine Konzentration von 2 mol/l bis 13 mol/l aufweist.15. The method according to claim 13 or 14, wherein the sodium hydroxide solution has a concentration of 2 mol / l to 13 mol / l.
16. Natriumtitanat mit faserförmiger Morphologie, das gegebenenfalls dotiert ist, worin wenigstens 70% der Faserteilchen eine Länge unterhalb 100 μm bei einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von wenigstens 10 aufweisen.16. Sodium titanate with fibrous morphology, which is optionally doped, wherein at least 70% of the fiber particles have a length below 100 microns with a ratio of length to diameter of at least 10.
17. Verfahren zur Herstellung eines Natriumtitanats gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass man wenigstens eine hydrolysierbare Ti- tan(IV)verbindung umfassend kovalente Titan(IV)Verbindungen und hydrolysierbare Titan(IV)salze oder eine Mischung aus wenigstens einer hydrolysierbaren Titan(IV)verbindung und wenigstens einer hydrolysierbaren Verbindung eines Dotiermetalls mit wässriger Natronlauge unter hydrothermalen Bedingungen behandelt. 17. A process for producing a sodium titanate according to claim 16, characterized in that at least one hydrolyzable titanium (IV) compound comprising covalent titanium (IV) compounds and hydrolyzable titanium (IV) salts or a mixture of at least one hydrolyzable titanium (IV ) compound and at least one hydrolyzable compound of a doping metal treated with aqueous sodium hydroxide solution under hydrothermal conditions.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrolysierbare Titan(IV)verbindung ausgewählt ist unter Titan(IV)halogeniden, Ti- tan(IV)alkoholaten Titan(IV)sulfat und Titanylsulfat.18. The method according to claim 17, characterized in that the hydrolyzable titanium (IV) compound is selected from titanium (IV) halides, titanium (IV) alcoholates, titanium (IV) sulfate and titanyl sulfate.
19. Titan(IV)oxidhydrat mit faserförmiger Morphologie, das gegebenenfalls dotiert ist, worin wenigstens 70% der Faserteilchen eine Länge unterhalb 100 μm bei einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von wenigstens 10 aufweisen.19. Titanium (IV) oxide hydrate with a fibrous morphology, which is optionally doped, wherein at least 70% of the fiber particles have a length below 100 μm with a ratio of length to diameter of at least 10.
20. Titan(IV)oxidhydrat mit einer BET-Oberfläche von wenigstens 40 m2/g.20. Titanium (IV) oxide hydrate with a BET surface area of at least 40 m 2 / g.
21. Verfahren zur Herstellung eines Titan(IV)oxidhydrats gemäß Anspruch 19, umfassend21. A method for producing a titanium (IV) oxide hydrate according to claim 19, comprising
i) Bereitstellung eines dotierten oder undotierten Natriumtitanats mit faserförmiger Morphologie, worin wenigstens 70% der Faserteilchen eine Länge unterhalb 100 μm bei einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von wenigstens 10 aufweisen ii) Überführen des dotierten oder undotierten Natriumtitanats in ein dotiertes oder undotiertes Titanoxidhydrat durch Behandlung mit Säure.i) providing a doped or undoped sodium titanate with a fibrous morphology, wherein at least 70% of the fiber particles have a length below 100 μm with a length to diameter ratio of at least 10 ii) converting the doped or undoped sodium titanate into a doped or undoped titanium oxide hydrate by treatment with acid.
22. Verfahren nach Anspruch 23, wobei man zur Herstellung des Natriumtitanats in Schritt i) wenigstens eine hydrolysierbare Titan(IV)verbindung umfassend kovalente Titan(IV)Verbindungen und hydrolysierbare Titan(IV)salze oder eine Mischung aus wenigstens einer hydrolysierbaren Titan(IV)verbindung und wenigstens einer hydrolysierbaren Verbindung eines Dotiermetalls mit wässriger Natronlauge unter hydrothermalen Bedingungen behandelt. 22. The method according to claim 23, wherein to produce the sodium titanate in step i) at least one hydrolyzable titanium (IV) compound comprising covalent titanium (IV) compounds and hydrolyzable titanium (IV) salts or a mixture of at least one hydrolyzable titanium (IV) compound and at least one hydrolyzable compound of a dopant treated with aqueous sodium hydroxide solution under hydrothermal conditions.
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