WO2005051840A1 - Lithiummetallphosphate, verfahren zu deren herstellung und deren verwendung als elektrodenmaterialen - Google Patents

Lithiummetallphosphate, verfahren zu deren herstellung und deren verwendung als elektrodenmaterialen Download PDF

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Lucia Wimmer
Max Eisgruber
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Definitions

  • the present invention relates to a process for the production of lithium iron phosphate, the material of very small particle size and narrow particle size distribution obtainable thereafter and its use, in particular in a secondary battery.
  • JP 2002-151082 A describes lithium iron phosphate, processes for its production and a secondary battery using it.
  • the process for producing lithium iron phosphate is characterized in that a lithium compound, a divalent iron compound and a phosphoric acid compound are mixed so that at least the molar ratio of the divalent iron ions and the phosphoric acid ions is about 1: 1, and the mixture in a temperature range of at least 100 ° C is reacted to a maximum of 200 ° C in a sealed vessel with the addition of a polar solvent and an inactive gas.
  • the lithium iron phosphate thus obtained can then be physically comminuted.
  • useful lithium iron phosphate can already be obtained by the prior art methods, the conventional production methods still have the disadvantage that it is not possible to obtain powdered lithium iron phosphate having a very small particle size and a very narrow particle size distribution.
  • M represents at least one metal of the first transition series.
  • M is selected from at least one metal of the group consisting of Fe, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, 'Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Zr and La. More preferably, M is selected from Fe, Mn, Co and / or Ni. Preferably, however, M comprises at least Fe.
  • M may be two or more transition metals in the compound LiMPO 4;
  • the iron in LiFePO 4 may be partially replaced by one or more other metals selected from the group above, e.g. B. be replaced by Zn.
  • Particularly preferred is LiFePo.
  • LiMPO is preferably recovered in the phase-pure form by the process according to the invention.
  • the use according to the invention of the dispersing or milling treatment of the precursor mixture results in intensive mixing and at the same time deagglomeration or reduction of the particle aggregates in the suspension. This is not accomplished by conventional low speed stirring.
  • each the skilled person can be used as appears suitable apparatus can be produced with the sufficient shearing forces or turbulence an intensive research to micro 'also result in a de-agglomeration or reduction in the particle aggregates in the suspension can, so that a D90 value of less than 50 microns is achieved.
  • Preferred devices include dispersants (with or without pump rotors), Ultraturrax, mills such as colloid mills or Manton-Gaulin mills, intensive mixers, centrifugal pumps, in-line mixers, mixing nozzles such as injector nozzles or ultrasonic devices. Such devices as such are known to the person skilled in the art.
  • the adjustments required to obtain the desired effect on the average particle size in the precursor suspension can be determined by routine experimentation, depending on the type of device.
  • a power input into the precursor suspension within the dispersing or milling treatment according to the invention will be at least 5 kW / m 3 of the mixture or suspension to be treated, in particular at least 7 kW / m 3 .
  • the energy input into the precursor suspension in the dispersing or milling treatment according to the invention will be at least 5 kWh / m 3 of the mixture or suspension to be treated, in particular at least 7 kWh / m 3 .
  • the above values for the power input are met.
  • a particularly preferred embodiment of the invention can thus be used for the dispersion of the precursor mixture or suspension also such devices whose high mixing action (or shearing) sufficient to prevent the formation of large crystallites or crystallite agglomerates in the mixture or suspension and at the same time to lead to a high rate of nucleation.
  • suitable devices have already been mentioned above.
  • the mentioned crystal aggregates or crystal platelets can also be formed by precipitation of a defined precursor (precursor) from a soluble Li + source, a soluble M 2+ source and the (soluble) P0 3 ⁇ source.
  • a defined precursor precursor
  • a soluble Li + source a soluble M 2+ source
  • the (soluble) P0 3 ⁇ source a defined precursor (precursor) from a soluble Li + source, a soluble M 2+ source and the (soluble) P0 3 ⁇ source.
  • an aqueous solution of an Fe 2+ source in particular an aqueous solution of iron (II) sulfate heptahydrate, FeS0 4 ⁇ 7H 2 O, and a liquid P0 4 3 ⁇ source, in particular 85% iger phosphoric acid, presented, and with slow addition of an aqueous Li + source, in particular an aqueous LiOH solution, a fresh precipitate of Vivianit (Fe 3 (P0) 2 hydrate) like.
  • the dispersing or grinding treatment it is preferable in this case for the dispersing or grinding treatment to prevent or reduce the formation of large crystal platelets or crystal agglomerates already from the beginning of the first crystal formation until the conclusion of the precipitation.
  • a homogeneous precursor mixture or suspension preferably with a solid content containing Vivianit (optionally impregnated with Li + ions), lithium phosphate and / or iron hydroxides before.
  • This intermediate (s) need not be isolated.
  • the combination and / or the precipitation of the precursor mixture or suspension can already be carried out in the hydrothermal vessel (one-pot process).
  • the dispersing or grinding treatment according to the invention thus ensures that the precipitation proceeds very homogeneously and a homogeneous mixture of many small, approximately equal-sized crystal nuclei is formed. These crystal nuclei can then be reacted with a very narrow particle size distribution, in particular during a subsequent hydrothermal treatment, to give very uniformly grown crystals of the end product LiMPO 4 .
  • the hydrothermal treatment instead of the hydrothermal treatment also, optionally after separation of the mother liquor, for example by filtration and / or centrifuging, drying and optionally sintering of the precipitate from the precursor mixture according to the invention dispersing or grinding treatment possible.
  • the hydrothermal treatment is preferred and gives the best results.
  • the dispersing or milling treatment according to the invention can therefore preferably be used before or during the precipitation of a precipitate from the precursor mixture in order to prevent the formation of large crystal nuclei or agglomerates or to comminute and homogenize them.
  • a D90 value of the particles in the suspension of less than 50 microns is to be achieved. It is preferred a D90 value of the particles in the precursor suspension of not more than 25 ⁇ m, in particular not more than 20 ⁇ m, particularly preferably not more than 15 ⁇ m, since the best properties of the finished product have been observed.
  • the dispersing or milling treatment according to the invention can also be used after precipitation of a precipitate from the precursor mixture, provided that the above mentioned D90 value is reached.
  • the dispersing or grinding treatment according to the invention should preferably take place before the final conversion to the lithium iron phosphate, in particular before completion of a subsequent to the precipitation of the precursor mixture hydrothermal treatment in order to achieve optimum results.
  • a dispersing or grinding treatment according to the invention both a treatment of a precursor mixture before and during a hydrothermal treatment is considered.
  • a significant advantage of the method according to the invention is that the particle size distribution of the produced LiMP0 4 can be controlled particularly well reproducible, and thus the good electrochemical properties can be stably maintained without great fluctuations.
  • the choice of the Li + source, the M 2+ source and the P0 3 " source is in principle not restricted, and all starting materials which are familiar or suitable for the person skilled in the art can be used.
  • divalent compounds of M and phosphoric acid compounds suitably combined as synthesis basic materials are used.
  • suitable lithium compounds there may be mentioned, without limitation, lithium fluoride, lithium chloride, lithium bromide, lithium iodide, lithium carbonate, lithium hydroxide or lithium phosphate, among others. Particularly preferred is LiOH.
  • M Fe
  • M Fe
  • iron fluoride iron chloride, iron bromide, iron iodide, iron sulfate, iron phosphate, iron nitrate, organyl salts of iron such as iron oxalate or iron acetate. Iron sulfate is particularly preferred. If M is a metal other than Fe, the analog connections can be used.
  • phosphoric acid compounds without limitation, i.a. Orthophosphoric acid, metaphosphoric acid, phosphoric acid, triphosphoric acid, tetraphosphoric acid, hydrogen phosphates or dihydrogen phosphates such as ammonium phosphate or onium dihydrogen phosphate, lithium phosphate or iron phosphate or any mixtures thereof. Phosphoric acid is particularly preferred.
  • LiOH Li + source and phosphoric acid as the P0 4 3 " source
  • addition of LiOH can neutralize the phosphoric acid and thus initiate the precipitation in the precursor mixture.
  • any liquid or fluid mixture comprising at least one Li + source, at least one M 2+ source and at least one P0 4 3 source is regarded as the precursor mixture.
  • any liquid or fluid precursor mixture is considered according to the invention after at least partial precipitation of a precipitate.
  • the precipitate may contain LiMP0 4 or intermediates.
  • the precursor mixture will contain a solvent, in particular a polar solvent.
  • a polar solvent for example, water, methanol, ethanol, 2-propanol, ethylene glycol, propylene glycol, acetone, cyclohexanone, 2-methylpyrrolidone, ethyl methyl ketone, 2-Ethoxiethanol, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, Dimethylf ⁇ rmamid or dimethyl sulfoxide or mixtures thereof may be mentioned.
  • Water is preferred as a solvent.
  • the preferred wet precipitation of the LiMP0 4 from aqueous solution can then take place according to the invention.
  • the temperature in the preparation of the precursor mixture or the combination of the at least one Li + source, the at least one M 2+ source and / or the at least one P0 4 3 " source is preferably in the range between about 20 and 80 ° C , in particular between 25 and 60 ° C, selected.
  • the method according to the invention there is no direct evaporation or drying of the precursor mixture or precursor suspension. Also, according to a preferred embodiment, no sintering of the precursor mixture or precursor suspension takes place, as this may adversely affect the properties of the final product obtained. Rather, it has surprisingly been found that the best results are obtained by a hydrothermal treatment of the precursor mixture or precursor suspension and subsequent drying and optionally sintering of the fully reacted LiFePO.
  • any treatment at a temperature above room temperature and a vapor pressure above 1 bar is considered.
  • the hydrothermal treatment per se can be carried out in a manner known and familiar to the person skilled in the art.
  • a possible hydrothermal process is described for example in JP 2002-151082, the relevant disclosure of which is incorporated herein by reference.
  • the precursor mixture is reacted in a sealed or pressure-resistant vessel.
  • the reaction is preferably carried out in an inert or inert gas atmosphere.
  • Suitable inert gases are, for example, nitrogen, argon, carbon dioxide, carbon monoxide or mixtures thereof.
  • the hydrothermal treatment can be carried out for example for 0.5 to 15 hours, in particular for 3 to 11 hours. Only as a non-limiting example, the following specific conditions can be selected: 1.5 h heating of '50 ° C (temperature of the precursor mixture) to 160 ° C, 10 h hydrothermal treatment at 160 ° C, 3 h cooling from 160 ° C to 30 ° C.
  • the M 2+ source and the P04 3_ source first in an aqueous medium, the M 2+ source and the P04 3_ source, especially under an inert gas atmosphere, mixed and then, preferably again under an inert gas atmosphere, the Li source added.
  • the dispersing or grinding treatment is then started and then the reaction is carried out under hydrothermal conditions.
  • a separation of the LiMPO from the suspension eg via filtration and / or centrifugation, can follow the hydrothermal treatment.
  • the separated LiMPO can be washed, in particular with water, in order to reduce or remove the salt load.
  • Drying and / or sintering of the LiMP0 4 in particular under a protective gas or inert atmosphere, can likewise follow the hydrothermal treatment. Careful drying / drying • is usually required for the electrochemical quality of the final product, since even slight traces of moisture in the electrochemical application of the material in Li-accumulators or Li-batteries can cause problems such as a decomposition of the conductive salt LiPF 6 . Sintering can be done optionally.
  • the drying of the LiMP0 4 can be carried out over a wide temperature range of about 50 to 750 ° C,. the drying temperature also depends on economic considerations. If the preparation of the LiMP0 4 is carried out in the absence of a carbonaceous or electron-conductive substance or a precursor thereof (see below), in most cases a drying between about 50 and 350 ° C, for example for 3 h at 250 ° C under Use of nitrogen 5.0, vacuum or forming gas, be sufficient. As far as the production of the LiMP0 4 in the presence of a carbonaceous or electron-conductive substance or a precursor thereof (see below) is carried out to effect carbon precoating, usually a higher drying temperature, usually above 500 or 700 ° C, selected. In particular, sintering may be carried out, wherein, for example, it may be heated at about 750 ° C for 3 hours using nitrogen 5.0. Only at sufficiently high temperatures is the desired conductive coating of the carbon-containing or electron-conductive substance obtained.
  • the components of the precursor mixture are present in the following stoichiometric ratio: a. 1 mol of Fe 2+ : 1 mol of P0 4 3 ⁇ : 1 mol of Li * (1: 1: 1) b. 1 mol of Fe 2+ : 1 mol of P0 4 3 ⁇ : 3 mol of Li * (1: 1: 3) c. every mixing ratio between a and b
  • At least the molar ratio of M 2+ iron ions to P0 4 3 ⁇ is about 1: 1.
  • the above stoichiometric ratios are also preferred for economic reasons, but not necessarily.
  • LiMP0 4 is formed as the thermodynamically most stable phase preferably, and deviations from the above-mentioned conditions for influencing the precipitation or morphology properties may even be intended in individual cases. As a rule, deviations of 20%, at least about 10% of the above stoichiometric ratios can be tolerated.
  • the hydrothermal process also offers advantages in terms of a greatly reduced shielding gas requirement compared to a alternatively possible sintering process from a dry powder premix or precursor mixture.
  • the particle morphology and particle size distribution can be controlled much more targeted than in a pure sintering process.
  • LiFeP0 particles lead to a kinetically controlled limitation.
  • the specific capacity of the electrode drops sharply at high charge / discharge rates.
  • a sufficient specific capacity is also important at high charge / discharge currents.
  • This material preferably has a D 90 value of the particles of not more than 25 ⁇ m, in particular not more than 20 ⁇ m, particularly preferably not more than 15 ⁇ m.
  • the average (average) particle size (D50 value) is less than 0.8 ⁇ m, preferably less than 0.7 ⁇ m, in particular less than 0.6 ⁇ m, particularly preferably less than 0.5 ⁇ m.
  • the particle size distribution is preferably at least substantially a normal distribution (monomodal).
  • the DIO value in one embodiment is less than 0.35 ⁇ m, preferably less than 0.40 ⁇ m, but may also be higher for narrow particle size distributions, depending on the D90 value.
  • the D90 value is preferably less than 3.0 ⁇ m, preferably less than 2.5 ⁇ m, in particular less than 2.0 ⁇ m.
  • the particle size distribution of the LiMP0 4 according to the invention is preferably very narrow, and according to a particularly preferred embodiment, the difference between the D90 value and the DIO value is not more than 2 ⁇ m, preferably not more than 1.5 ⁇ m, in particular not is more than 1 ⁇ m, more preferably not more than 0.5 ⁇ m.
  • the advantages of the LiMP0 4 according to the invention described above also offer particular advantages in the subsequent processing with other components, for example of carbonaceous materials in the production of electrode materials.
  • the LiMPO owing to its particular particle size distribution, as defined herein, enables better and easier processing into electrode materials and a particularly intimate bond with, for example, the carbonaceous conductive materials.
  • Another aspect of the present invention therefore relates to a composition, in particular electrode material, containing LiMP0 4 as defined herein.
  • LiMP0 4 material as defined above in a lithium secondary battery or a secondary (rechargeable) Li battery as the electrode material.
  • LiMPO 4 produced by the process according to the invention have non-uniformly large primary particles or nonuniform crystal morphologies.
  • the preparation or precipitation of the precursor mixture and / or the reaction takes place under hydrothermal conditions in the presence of further components, in particular an electron-conductive substance.
  • an electron-conductive substance may preferably be a carbonaceous solid such as coal, in particular conductive carbon or carbon fibers. It is also possible to use a precursor of an electron-conducting substance or of the carbonaceous solid which converts to carbon particles during the drying or sintering of the LiMPO 4 , such as a sugar compound. Further examples of suitable organic compounds are mentioned in WO02 / 083555, the relevant disclosure of which is incorporated herein by reference.
  • the carbon particles contained in the final LiMP0 4 product are homogeneously distributed.
  • the carbonaceous solid used is used as a crystallization seed in the reaction of the precursor mixture.
  • any method familiar to the person skilled in the art for introducing carbon or carbonaceous, electrically conductive material or for mixing with other components is suitable.
  • An intensive mixing or grinding of the finished LiMP0 4 with at least one carbonaceous solid such as carbon is possible.
  • Further possible methods are the deposition of carbon particles onto the surface of the LiMP0 4 particles in an aqueous or nonaqueous suspension or the pyrolysis of a mixture of LiMP0 4 powder and a carbon precursor material.
  • the carbon-containing LiMPOi thus obtained for example, generally contains up to 10% by weight, preferably up to 5% by weight, particularly preferably up to 2.5% by weight, of carbon, based on the LiMPO 4 .
  • a pyrolysis process is preferred in which at least one carbon precursor material, preferably a carbohydrate, such as sugar or cellulose and particularly preferably lactose, is mixed with the LiMP0 4 powder according to the invention, eg. B. by kneading, with water can be added as an aid.
  • the carbon precursor material is added to the still undried wet LiMP0 4 filter cake.
  • the mixture of inventive LiMP0 powder and carbon precursor material is dried on inert gas, in air or in vacuo at temperatures of preferably 50 ° C to 200 ° C and inert gas such. B.
  • the BET surface area of the LiMPO 4 used is more than about 3.5 m 2 / g, in particular more than about 4 m 2 / g, particularly preferably more than 5 m 2 / g, more than 10 m 2 / g or even more than 15m 2 / g, determined according to DIN 66131 (multipoint determination).
  • the carbon content also improves the processability of the LiMP04 powder to battery electrodes by changing the surface properties and / or improves the electrical connection in the battery electrode.
  • a further aspect of the invention relates to a Li-accumulator or a Li-secondary battery containing the inventive, given carbon-containing, LiMP0 4th
  • the secondary battery (lithium ion secondary battery) can be manufactured in a manner known per se, for example, as set forth below and described in JP 2002-151082.
  • the lithium iron phosphate of the present invention obtained as above is used at least as a part of the material for the positive pole of the secondary battery.
  • mixing of the lithium iron phosphate of the present invention with, if necessary, electrochemical electrically conductive additives and a binder according to a conventional method for producing the positive electrode of a secondary battery.
  • the secondary battery is then made of this positive electrode, and a commonly used negative electrode material such as metallic lithium or a layered carbon compound such as graphite, further from a commonly used nonaqueous electrolytic solution such as propylene carbonate or ethylene carbonate or the like Lithium salt such as LiBF 4 or LIPF ⁇ is dissolved, prepared as main components.
  • a commonly used negative electrode material such as metallic lithium or a layered carbon compound such as graphite
  • a commonly used nonaqueous electrolytic solution such as propylene carbonate or ethylene carbonate or the like Lithium salt such as LiBF 4 or LIPF ⁇ is dissolved, prepared as main components.
  • the particle size distributions for the precursor suspensions and the generated LiMP0 4 are determined by the light scattering method using commercial equipment. This method is known to the person skilled in the art, and reference is also made to the disclosure in JP 2002-151082 and WO 02/083555 and reference is made. In the present case, the particle size distributions were determined with the aid of a laser diffraction meter (on Mastersizer S, Malvern Instruments GmbH,dorfberg, DE) and the manufacturer's software (version 2.19) with a Malvern S all Volume Sample Dispersion Unit, DIF 2002 as measuring unit. The following measuring conditions were selected: Compressed ranks; acti- ve beam length 2.4 mm; Measuring range: 300 RF; 0.05 to 900 ⁇ m.
  • the sample preparation and measurement was carried out according to the manufacturer's instructions.
  • the D90 value indicates the value at which 90% of the particles in the measured sample have a smaller or equal particle diameter. Accordingly, the D50 value or the DIO value indicate the value at. 50% or 10% of the particles in the measured sample have a smaller or the same particle diameter.
  • the values given in the present description for the DIO values, the D50 values, the D90 values and the difference of the D90 and DIO values relative to the volume fraction of the respective particles in the total volume apply.
  • the hereinabove mentioned D10, D50 and D90 values according to this embodiment of the present invention indicate those values at which 10% by volume, 50% by volume and 90% by volume, respectively. of the particles in the measured sample have a smaller or the same particle diameter.
  • particularly advantageous materials are provided according to the invention and negative influences of relatively coarse particles (with a relatively larger volume fraction) on the processability and the electrochemical product properties are avoided.
  • the values given in the present specification for the DIO values, the D50 values, the D90 values and the difference between the D90 and the DIO values, both based on percent and percent by volume of the particles, are particularly preferred.
  • compositions eg, electrode materials
  • the above light scattering method can lead to misleading results, since the LiMP0 4 particles are affected by the additional (eg, carbonaceous) Material may be connected to larger agglomerates.
  • the particle size distribution of LiMP0 4 in such compositions can be determined from SEM images as follows:
  • a small amount of the powder sample is suspended in acetone and sonicated for 10 minutes. Immediately thereafter, a few drops of the suspension are dropped onto a sample plate of a scanning electron microscope (SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • the solids concentration of the suspension and the number of drops are so dimensioned that a substantially single-layered layer of powder particles (the term "particles" is used as a synonym of "particles") is formed on the support to prevent mutual concealment of the powder particles prevent.
  • the dripping must be done quickly before the particles can separate by sedimentation according to the size. After drying in air, the sample is transferred to the measuring chamber of the SEM.
  • the present example is a device of the type LEO 1530, which is operated with a field emission electrode at 1, 5 kV excitation voltage and a sample distance of 4 mm. From the sample, at least 20 randomized cropping magnifications are recorded at a magnification factor of 20,000. These are each printed on a DIN A4 sheet together with the enlargement scale displayed. If possible, at least 10 freely visible LiMP0 4 particles constituting the powder particles together with the carbonaceous material are randomly selected on each of the at least 20 leaves, the boundary of the LiMP0 4 particles being defined by the absence of solid, direct adhesion bridges , By contrast, bridging by carbon material is counted as particle boundary.
  • the longest and shortest axis in projection is measured off with a ruler. and converted to the real particle dimensions based on the scale ratio.
  • the arithmetic mean ' of the longest and the shortest axis is defined as the particle diameter.
  • the measured LiMP0 4 particles are divided into size classes in analogy to the light scattering measurement. Applying the number of respective associated LiMP0 4 particles over the size class, one obtains the differential particle size distribution based on the number of particles. If the numbers of particles are continuously added up from the small to the large particle classes, one obtains the cumulated particle size distribution, from which D10, D50 and D90 can be read directly on the size axis.
  • the method described also applies to L1MPO 4 -containing battery electrodes. In this case, however, a fresh cut "or fracture surface of the electrode attached instead of a powder sample on the sample carrier and analyzed in the SEM.
  • Fig. 1 (by volume) the particle size distribution a 's LiMP0 according to the invention prepared according to Example 1;
  • FIG. 2 shows the particle size distribution (based on volume) of a LiMPO 4 according to Example 2 not according to the invention
  • Example 3 shows the particle size distribution (by volume) of an L1MPO 4 prepared according to the invention in accordance with Example 3. Examples:
  • Example 1 Preparation of LiFePQ by a process according to the invention including hydrothermal treatment
  • LiFeP0 4 can be stored as a finished product at room temperature in air without oxidation.
  • LiFeP0 4 In the preparation of LiFeP0 4 according to the stated reaction equation is to be noted that the LiFe ⁇ : ⁇ : P0 4 is precipitated from an aqueous Fe ⁇ : r -Precursor mixes.
  • the reaction and drying / sintering should therefore be carried out under protective gas or vacuum in order to avoid partial oxidation of Fe 11 to Fe 111 to form by-products such as Fe 2 O 3 or FePO.
  • a disperser (company IKA, ULTRATURRAX® UTL 25 Basic Inline with dispersing chamber DK 25.11) is connected to the autoclave between the venting valve and the bottom outlet valve.
  • the pumping direction of the disperser is bottom outlet valve - disperser - vent valve.
  • the disperser is started at medium power level (13500 rpm) according to the manufacturer's instructions.
  • the prepared LiOH solution is pumped via the immersion tube into the autoclave with a Prominent membrane pump (stroke 100%, 180 strokes / minute, corresponds to the highest power of the pump) and rinsed with about 500 to 600 ml of distilled water.
  • the process takes about 20 minutes, the temperature of the resulting suspension rises to about 35 ° C.
  • the suspension is heated to 50 ° C. in an autoclave. After addition of the lithium hydroxide precipitates a greenish brown precipitate.
  • the dispersant which is started before the beginning of the LiOH addition, is used for a total of about 1 hour for intensive mixing or grinding of the resulting, very viscous suspension (after pumping the LiOH solution at 50 ° C.).
  • the volume-related D90 value was corresponding.
  • the following procedure can be used to measure the particle sizes in the precursor suspension: With reference to the method for determining the particle size before the examples, (Distribution) are suspended 20 to 40 mg of the suspension in 15 ml of water and dispersed for 5 min with an ultrasonic finger (rated power 25 watts, 60% power). It is then measured immediately in the measuring unit. The correct setting of the sample quantity can be checked in each case on the basis of the display on the measuring device (green measuring range).
  • a dispersant causes an intensive mixing and deagglomeration of the precipitated viscous premix.
  • the premilling or intensive mixing in the disperser produces a homogeneous mixture of many small, approximately equal sized, crystal nuclei. These crystal nuclei crystallize in the subsequent hydrothermal treatment (see below) to very uniformly grown crystals of the final product LiFeP0 with a very narrow particle size distribution.
  • the power or energy input via the dispersing treatment was more than 7 kW / m 3 or more than 7 kWh / m 3 of the treated precursor mixture / suspension.
  • the freshly prepared suspension is hydrothermally treated in a laboratory autoclave. Prior to heating the suspension, the autoclave is purged with nitrogen to displace existing air from the autoclave prior to the hydrothermal process. LiFe-P0 4 forms from Hydrothermaltemperaturen of about 100 to 120 ° C. After the hydrothermal process, the material is filtered off with the Seitz filter and washed.
  • the batch After switching off and disconnecting the dispersant, the batch is heated to 160 ° C in 1.5 hours and a hydrothermal treatment carried out at 160 ° C for 10 hours. It is then cooled to 30 ° C in 3 hours.
  • the LiFeP0 4 can be dried without visible oxidation in air or in a drying oven, for example at mild temperatures (40 ° C).
  • the cooled suspension (max 30 ° C) is pumped under a nitrogen atmosphere through the bottom drain valve of the autoclave into a pressure filter (so-called "Seitz filter”), where the Prominent diaphragm pump is adjusted so that a pressure of 5 bar
  • the filter cake is washed with distilled water until the conductivity of the wash water falls below 200 ⁇ S / c.
  • the filter cake is pre-dried in a vacuum oven at 70 ° C overnight to a residual moisture content below 5% and then in, a protective gas oven ("Linn KS 80-S”) under a Formiergasstrom (90% N 2 /10% - H 2 ) of 2001 / h to a residual moisture content of ⁇ 0.5% at 250 ° C. Subsequently, the LiFeP0 4 is deagglomerated in a laboratory rotor mill ("Fritsch Pulverisette 14") with a 0.08 mm sieve.
  • the resulting typical particle size distribution of the finished LiFeP0 4 (with dispersant treatment, after hydrothermal treatment, drying and deagglomeration as described above) can be seen from FIG.
  • the values relating to the particle fraction (%) were as follows: D50 value less than 0.5 ⁇ m; DIO value less than 0.35 ⁇ m; D90 value less than 2.0 ⁇ m; Difference between the D90 value and the DIO value less than 1.5 ⁇ m.
  • To measure the particle sizes in a powdery sample can proceed as follows: With reference to the specified before the examples method for determining the particle size (distribution) 20 to 40 mg of the powder sample are suspended in 15 ml of water and 5 min with an ultrasonic finger (rated power 25 watts, 60% power). It is then measured immediately in the measuring unit. The correct setting of the sample quantity can be checked in each case on the basis of the display on the measuring device (green measuring range).
  • LiFePO 4 was prepared according to the same synthesis procedure as described in Example 1, but without using the dispersant according to the invention. It was under otherwise the same reaction conditions a much broader particle. size distribution obtained with a larger proportion of intergrown agglomerate. Without the use of a dispersant, the Dgo value (based on volume fraction or particle number) was more than 200 ⁇ m after addition of the LiOH solution. The significantly higher phase purity of the LiFeP0 4 The particle size distribution of the finished LiFePO (after hydrothermal treatment, drying and deagglomeration) is shown in FIG. To illustrate the presence of interfering larger particles, the volume-related data are shown. The D50 value based on the particle fraction (%) was more than 0.8 ⁇ m.
  • Example 3 Preparation of LiFePQ 4 by a process according to the invention including hydrothermal treatment
  • Example 2 The hydrothermal treatment, filtration, drying and deagglomeration were carried out as indicated in Example 1.
  • the resulting typical particle size distribution of the finished LiFePÜ 4 is shown in FIG. 3.
  • the values relating to the particle fraction (%) were as follows: D50 value less than 0.5 ⁇ m; DIO value less than 0.35 ⁇ m; D90 value less than 2.0 ⁇ m; Difference between the D90 value and the DIO value less than 1.0 ⁇ m.
  • the LiFePO 4 of the present invention prepared using the dispersant showed the comparison material prepared without using a dispersant, as well as a pure sintering method according to the prior art
  • the material produced by the technology has the best properties, especially at high charge / discharge rates.
  • Example 4 Preparation of LiFePQ 4 by a process according to the invention including hydrothermal treatment
  • This alkaline solution is fed via a monopump and an injector to the recirculated acidic solution on the pressure side of the centrifugal pump.
  • This process lasts 15 minutes, with the temperature of the pumped solution rising from 18.3 ° C to 42.1 ° C.
  • the resulting suspension is pumped further for 45 min with the centrifugal pump and stirred with the anchor stirrer at 45 rpm, with the temperature further increased to 51.1 ° C.
  • the centrifugal pump with its high turbulence effect during the entire process for the formation of a finely divided suspension, wherein comparable particle size distributions as in Example 1 could be achieved.
  • the power or energy input via the dispersing treatment was more than 7 kW / m 3 or more than 7 kWh / m 3 of the treated precursor mixture / suspension.
  • the autoclave After switching off and disconnecting the external devices, the autoclave is pressure-tight and heated with constant stirring at 90 rpm in 1.5 h at 160 ° C and held for 10h at this temperature. It is then cooled to 20 ° C. within 3 h and the finished LiFeP0 suspension is filtered analogously to Example 1 in the "Seitz filter". The pH of the filtrate is 7.5. It is then washed with deionized water until the filtrate has a conductivity of less than 480 ⁇ S.
  • Example 5 Charring of a material produced by the process according to the invention
  • LiFePO 4 powder from Examples 1 to 4 are intimately mixed with 112 g of lactose monohydrate and 330 g of deionized water and dried overnight in a vacuum drying oven at 70 ° C. and ⁇ 100 mbar to a residual moisture content ⁇ 5%.
  • the brittle-hard drying product is crushed by hand and coarsely ground in a disk mill ("Fritsch Pulverisette 13") with a 1mm disk distance and transferred into stainless steel crucibles in a protective gas chamber furnace ("Linn KS 80-S"). This is heated at a nitrogen flow of 2001 / h within 3 h at 750 ° C, held for 5h at this temperature and cooled to room temperature within about 36 hours.
  • the carbonaceous product is in a Laboratory rotor mill (“Fritsch Pulverisette 14") deagglomerated with a 0.08 mm sieve.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung der Formel LiMPO4 , worin M mindestens ein Metall der ersten Übergangsreihe darstellt, umfassend die folgenden Schritte: a) Herstellen einer Precursormischung, enthaltend mindestens eine Li+-Quelle, mindestens eine M2+-Quelle und mindestens eine PO43--Quelle, um einen Niederschlag zu fällen und somit eine Precursorsuspension herzustellen; b) Dispergier- oder Mahlbehandlung der Precursormischung und/oder der Precursorsuspension, bis der D90-Wert der Teilchen in der Precursorsuspension weniger als 50 µm beträgt; und c) Gewinnung von LiMPO4 aus der gemäss b) erhaltenen Precursorsuspension, vorzugsweise durch Umsetzung unter hydrothermalen Bedingungen. Das danach erhältliche Material weist besonders vorteilhafte Teilchengrössenverteilungen und elektrochemische Eigenschaften bei der Verwendung in Elektroden auf.

Description

LITHIUMMETALLPHOSPHATΞ , VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG UND DEREN VERWENDUNG ALS ELEKTRODENMATERIALIEN
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lithiumeisenphosphat, das danach erhältliche Material mit sehr kleiner Teilchengröße und enger Teilchengrößenverteilung sowie dessen Verwendung insbesondere in einer Sekundärbatterie.
Aus dem Stand der Technik ist die Verwendung von synthetischem Lithiumeisenphosphat (LiFeP0) als alternatives Kathodenmaterial in Lithiumionen-Batterien bekannt. Dies wurde erstmals in A.K. Padhi, K.S. Nanjundaswamy, J.B. Goodenough, J. Electrochem. Soc. Vol. 144 (1977) beschrieben, und ist beispielsweise auch in der US 5,910,382 offenbart.
Die Verwendung von Phosphaten wie Lithiumeisenphosphat als positive Elektrode für sekundäre Lithiumbatterien ist weiterhin in
der WO 02/099913 AI beschrieben, wobei zur Herstellung aus einer äquimolaren wässrigen Lösung von Li+, Fe3+ und P04 3" das Wasser verdampft und dadurch eine Feststoffmischung hergestellt wird, worauf die Feststoffmischung bei einer Temperatur unterhalb von 500°C zersetzt wird, um einen reinen Li- und Fe-Phosphatprecur- sor zu erzeugen, und anschließend durch Umsetzung des Precursors bei einer Temperatur von unter 800°C in reduzierender Atmosphäre ein LiFeP0-Pulver erhalten wird.
Weitere sogenannte Sinterverfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Nachteile sind einerseits die hohen Materialkosten der Ausgangschemikalien (z.B. Eisenoxalat) . Auch ist der Schutzgasverbrauch während des Sinterprozesses erheblich und toxische Nebenprodukte wie CO entstehen bei der Sinterung. Es wurde auch gefunden, dass häufig die Partikelgrößenverteilung des Produkts sehr breit und bimodal ist. Weitere Herstellungsverfahren sind beispielsweise aus der WO 02/083555, der EP 1 094 523 AI, der US 2003/0124423 sowie Franger et al., Journal of Power Sources 119- 121 (2003), S. 252 - 257 bekannt.
Auch die JP 2002-151082 A beschreibt Lithiumeisenphosphat, Verfahren zu seiner Herstellung sowie eine Sekundärbatterie, die es verwendet. Das Verfahren zur Herstellung von Lithiumeisenphosphat ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Lithiumverbindung, eine zweiwertige Eisenverbindung und eine Phosphorsäureverbindung so vermischt werden, dass zumindest das Molverhältnis der zweiwertigen Eisenionen und der Phosphorsäureionen etwa 1:1 beträgt, und das Gemisch in einem Temperaturbereich von mindestens 100°C bis höchstens 200 °C in einem dicht verschlossenen Gefäß unter Beifügen eines polaren Lösungsmittels und eines inaktiven Gases zur Reaktion gebracht wird. Das so erhaltene Lithiumeisenphosphat kann anschließend physikalisch zerkleinert werden. Obwohl mit den Verfahren nach dem Stand der Technik bereits brauchbares Lithiumeisenphosphat erhalten werden kann, weisen die herkömmlichen Herstellungsverfahren dennoch den Nachteil auf, dass es nicht möglich ist, pulverförmiges Lithiumeisenphosphat mit einer sehr geringen Teilchengröße sowie einer sehr engen Teilchengrößenverteilung zu erhalten.
Es besteht daher ein großer Bedarf nach geeigneten Verfahren zur Herstellung eines Lithiumeisenphosphats mit sehr geringer Teilchengröße sowie sehr enger Teilchengrößenverteilung, das gut in das Elektrodenmaterial einer Sekundärbatterie einarbeitbar ist und dort sehr gute elektrochemische Eigenschaften zeigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es somit, ein Verfahren zur Herstellung von Lithiumeisenphosphat bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere für Elektroden wiederaufladbarer Batterien besonders ' geeignetes Material liefert.
Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte bzw. bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann außer zur Herstellung von LiFeP0 auch zur Herstellung von anderen Verbindungen der allgemeinen Summenformel LiMP04, worin M mindestens ein Metall der ersten Übergangsreihe darstellt, eingesetzt werden. Allgemein ist M ausgewählt aus mindestens einem Metall der Gruppe bestehend aus Fe, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, ' Be, Mg, Ca, Sr, Ba, AI, Zr und La. Besonders bevorzugt ist M ausgewählt aus Fe, Mn, Co und/oder Ni. Vorzugsweise umfasst M jedoch zumindest Fe. Auch kann M für zwei oder mehr Übergangsmetalle in der Verbindung LiMP04 stehen; beispielsweise kann das Eisen in LiFeP04 teilweise durch ein oder mehrere andere Metalle, ausgewählt aus der vorstehenden Gruppe, z. B. durch Zn ersetzt sein. Besonders bevorzugt ist LiFeP0. LiMP0 wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt in phasenreiner Form gewonnen.
So wurde erfindungsgemäß überraschend gefunden, dass in einem Verfahren zur Herstellung von LiMP0 durch eine intensive Dispergier- oder Mahlbehandlung einer Precursormischung oder -Suspension, enthaltend mindestens eine Li+-Quelle, mindestens eine M2+-Quelle und mindestens eine P04 3~Quelle, eine sehr enge Teilchengrößenverteilung sowie eine sehr geringe Teilchengröße des Endprodukts, LiMP0, erzielt werden können.
Der erfindungsgemäße Einsatz der Dispergier- oder Mahlbehandlung der Precursormischung' bewirkt eine intensive Mischung und gleichzeitig eine Deagglomeration bzw. Verkleinerung der Teilchenaggregate in der Suspension. Dies .wird durch eine herkömmliches Rühren mit niedriger Geschwindigkeit nicht bewirkt.
Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Dispergier- oder Mahlbehandlung kann jede dem Fachmann als geeignet erscheinende Vorrichtung verwendet werden, mit der ausreichende Scherkräfte oder Turbulenz erzeugt werden können, die zu einer intensiven Mi-' schung und gleichzeitig einer Deagglomeration bzw. Verkleinerung der Teilchenaggregate in der Suspension führen können, so dass ein D90-Wert von weniger als 50 μm erzielt wird. Bevorzugte Vorrichtungen umfassen Dispergatoren (mit oder ohne Pumprotoren) , Ultraturrax, Mühlen wie Kolloidmühlen oder Manton-Gaulin-Mühlen, Intensivmischer, Kreiselpumpen, In-Line-Mischer, Mischdüsen wie Injektordüsen oder Ultraschallgeräte. Solche Vorrichtungen als solche sind dem Fachmann bekannt. Die erforderlichen Einstellungen, um den gewünschten Effekt auf die mittlere Teilchengröße in der Precursor-Suspension (vgl. oben) zu erhalten, können je nach Vorrichtungstyp anhand von routinemäßigen Versuchen bestimmt werden .
In vielen Fällen wird ein Leistungseintrag in die Precursorsuspension im Rahmen der erfindungsgemäßen Dispergier- oder Mahlbehandlung bei mindestens 5 kW/m3 der zu behandelnden Mischung bzw. Suspension, insbesondere mindestens 7 kW/m3 liegen. Dieser Leistungseintrag kann auf bekannte Weise je nach Vorrichtung bestimmt werden, z.B. bei Verwendung eines Ultra-Turrax- Rührers anhand der Formel P = 2'irn"M, wobei M das Drehmoment und n die Drehzahl darstellt.
Nach einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Energieeintrag in die Precursorsuspension im Rahmen der erfindungsgemäßen Dispergier- oder Mahlbehandlung bei mindestens 5 kWh/m3 der zu behandelnden Mischung bzw. Suspension, insbesondere mindestens 7 kWh/m3 liegen. Dabei werden vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, auch die vorstehenden Werte für den Leistungseintrag eingehalten.
Überraschenderweise wurde auch gefunden, dass eine Zerkleinerung des fertigen LiMP04 anstelle der Dispergier- oder Mahlbehandlung bei der Herstellung gemäß der Erfindung nicht zu den entsprechenden vorteilhaften Eigenschaften des LiFeP04-Pulvers führt, auch wenn versucht wird, vergleichbare Teilchengrößenverteilungen zu erhalten.
Es wird angenommen, ohne dass die Erfindung auf diesen theoretischen Mechanismus beschränkt wäre, dass bei der Dispergier- oder Mahlbehandlung gemäß der Erfindung insbesondere die sich zunächst bei der Herstellung der Mischsuspension bildenden großen Kristallagglo erate verhindert werden, oder zumindest nach der Bildung verkleinert werden. Diese Kristallagglomerate können auch (teilweise) auf Phosphate von Li+ und M2+ als Zwischenprodukte zurück zu führen sein, die je nach Konzentration aufgrund der Ausbildung von größeren Kristallplättchen bzw. -agglomeraten zu einem Anstieg der Viskosität führen können. Nach einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform können somit für die Dispergierbehandlung der Precursormischung bzw. - Suspension auch solche Vorrichtungen verwendet werden, deren hohe Mischwirkung (oder Scherwirkung) ausreicht, um die Ausbildung großer Kristallite oder Kristallitagglomerate in der Mischung bzw. Suspension zu verhindern und gleichzeitig zu einer hohen Keimbildungsrate zu führen. Nicht-beschränkende Beispiele geeigneter Vorrichtungen wurden bereits vorstehend genannt.
Die genannten Kristallaggregate oder Kristallplättchen können auch durch eine Fällung eines definierten Vorproduktes (Precur- sors) aus einer löslichen Li+-Quelle, einer löslichen M2+-Quelle und der (löslichen) P03~-Quelle entstehen. Im nachstehenden Erfindungsbeispiel wird z.B. eine wässrige Lösung einer Fe2+- Quelle, insbesondere einer wässrigen Lösung von Eisen (II) sulfat- Heptahydrat, FeS04 • 7 H20, und einer flüssigen P04 3~-Quelle, insbesondere 85%-iger Phosphorsäure, vorgelegt, und bei langsamer Zugabe einer wässrigen Li+-Quelle, insbesondere einer wässrigen LiOH-Lösung, ein frischer Niederschlag von Vivianit (Fe3 (P0 ) 2-Hydrat) gefällt. Es ist dabei vorzuziehen, dass die Dispergier- oder Mahlbehandlung bereits vom Beginn der ersten Kristallbildung bis zum Abschluss der Fällung die Bildung von großen Kristallplättchen bzw. Kristallagglomeraten verhindert bzw. diese verkleinert. Vor einer anschließenden bevorzugten Hydrothermalbehandlung liegt dann unter Verwendung des Dispergier- oder Mahlaggregats eine homogene Precursormischung bzw. -Suspension, vorzugsweise mit einem Feststoffanteil enthaltend Vivianit (ggf. imprägniert mit Li+-ionen) , Lithiumphosphat und/oder Eisenhydroxide, vor. Diese (s) Zwischenprodukt (e) muss (müssen) nicht isoliert werden. Bevorzugt kann die Zusammengabe und/oder die Fällung der Precursormischung bzw. -Suspension bereits im Hydrothermalbehälter ausgeführt werden (Ein-Topfverfahren) .
Durch die Dispergier- oder Mahlbehandlung gemäß der Erfindung wird somit gewährleistet, dass die Fällung sehr homogen abläuft und eine homogene Mischung aus vielen kleinen, etwa gleichgroßen Kristallkeimen entsteht. Diese Kristallkeime können anschließend, insbesondere bei einer anschließenden Hydrothermalbehandlung zu sehr gleichmäßig gewachsenen Kristallen des Endproduktes LiMP04 mit einer sehr engen Partikelgrößenverteilung umgesetzt werden. Prinzipiell ist im Rahmen der Erfindung anstelle der Hydrothermalbehandlung auch, gegebenenfalls nach Abtrennung der Mutterlauge z.B. durch Filtrieren und/oder Zentrifugieren, ein Trocknen und ggf. Sintern des Niederschlags aus der Precursormischung nach der erfindlungsgemäßen Dispergier- oder Mahlbehandlung möglich. Die Hydrothermalbehandlung ist jedoch bevorzugt und liefert die besten Ergebnisse.
Um den gewünschten Effekt zu erzielen, kann die Dispergier- oder Mahlbehandlung gemäß der Erfindung also vorzugsweise vor oder während der Fällung eines Niederschlags aus der Precursormischung einsetzen, um die Bildung großer Kristallkeime oder -agglomerate zu verhindern bzw. diese zu zerkleinern und zu homogenisieren. Dabei soll ein D90-Wert der Teilchen in der Suspension von weniger als 50 μm erreicht werden. Bevorzugt wird ein D90-Wert der Teilchen in der Precursorsuspension von maximal 25 μm, insbesondere maximal 20 μm, besonders bevorzugt maximal 15 μm, da hiermit die besten Eigenschaften des fertigen Produktes beobachtet wurden..
Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Dispergier- oder Mahlbehandlung gemäß der Erfindung auch nach der Fällung eines Niederschlags aus der Precursormischung einsetzen, sofern der o.g. D90-Wert erreicht wird.
Es wurde auch überraschend gefunden, dass die Dispergier- oder Mahlbehandlung gemäß der Erfindung vorzugsweise vor der endgültigen Umsetzung zum Lithiumeisenphosphat, insbesondere vor Ab- schluss einer sich an die Fällung der Precursormischung anschließenden Hydrothermalbehandlung erfolgen sollte, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Als Dispergier- oder Mahlbehandlung gemäß der Erfindung wird jedoch sowohl eine Behandlung einer Precursormischung vor als auch während einer Hydrothermalbehandlung angesehen.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass die Teilchengrößenverteilung des hergestellten LiMP04 besonders gut reproduzierbar gesteuert werden kann, und somit auch die guten elektrochemischen Eigenschaften ohne große Schwankungen stabil eingehalten werden können.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die Wahl der Li+-Quelle, der M2+-Quelle und der P03"-Quelle grundsätzlich nicht beschränkt. Es können alle dem Fachmann geläufigen oder als geeignet erscheinenden Ausgangsmaterialien verwendet werden. Es können verschiedenste Lithiumverbindungen,- zweiwertige Verbindungen von M und Phosphorsäureverbindungen passend kombiniert als Synthese- grundmaterialien eingesetzt werden. Bevorzugt sind lösliche Salze oder Verbindungen von Li μnd M sowie flüssige oder lösliche P04-Quellen. Als Beispiele für geeignete Lithiumverbindungen können, ohne Beschränkung, u.a. Lithiumfluorid, Lithiumchlorid, Lithiumbromid, Lithiumiodid, Lithiumcarbonat, Lithiumhydroxid oder Lithiumphosphat angeführt werden. Besonders bevorzugt ist LiOH.
Als Beispiele für zweiwertige Verbindungen von M, hier beispielsweise mit M = Fe können, ohne Beschränkung, u.a. Eisenflu- orid, Eisenchlorid, Eisenbromid, Eiseniodid, Eisensulfat, Eisenphosphat, Eisennitrat, Organylsalze von Eisen wie Eisenoxalat oder Eisenacetat angeführt werden. Eisensulfat ist besonders bevorzugt. Falls M ein anderes Metall als Fe darstellt, können die analogen Verbindungen verwendet werden.
Als Beispiele für Phosphorsäureverbindungen können, ohne Beschränkung, u.a. Orthophosphorsäure, Metaphosphorsäure, Py- rophosphorsäure, Triphosphorsäure, Tetraphosphorsäure, Hydro- genphosphate oder Dihydrogenphosphate wie Ammoniumphosphat oder Am oniumdihydrogenphosphat, Lithiumphosphat oder Eisenphosphat oder beliebige Mischungen daraus angeführt werden. Phosphorsäure ist besonders bevorzugt .
Bei Verwendung von LiOH als Li+-Quelle sowie Phosphorsäure als P04 3"-Quelle kann zudem durch die Zugabe von LiOH die Phosphorsäure neutralisiert und somit die Fällung in der Precursormischung eingeleitet werden.
Als Precursormischung wird erfindungsgemäß jede flüssige oder fluide Mischung enthaltend mindestens eine Li+-Quelle, mindestens eine M2+-Quelle und mindestens eine P04 3_-Quelle angesehen. Als Precursorsuspension wird erfindungsgemäß jede flüssige oder fluide Precursormischung nach zumindest teilweiser Fällung eines Niederschlags angesehen. Der Niederschlag kann LiMP04 oder Zwischenprodukte enthalten.
In der Regel wird die Precursormischung ein Lösungsmittel enthalten, insbesondere ein polares Lösungsmittel. Als polares Lösemittel können beispielsweise Wasser, Methanol, Ethanol, 2- Propanol, Ethylenglykol, Propylenglykol, Aceton, Cyclohexanon, 2-Methylpyrrolidon, Ethylmethylketon, 2-Ethoxiethanol, Propylen- carbonat, Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat, Dimethylfόrmamid oder Dimethylsulfoxid oder Gemische daraus angeführt werden. Wasser ist als Lösungsmittel bevorzugt. Es kann dann die erfindungsgemäß bevorzugte Nassfällung des LiMP04 aus wässriger Lösung erfolgen. Erfindungsgemäß kann also von den bekannten und dem Fachmann geläufigen Ausgangsstoffen bzw. -lösungen oder -Suspensionen zur Herstellung des LiMP04 ausgegangen werden. Insbesondere können die für eine Nassfällung aus Lösungen bekannten Rezepturen und Verfahren verwendet werden, wobei die Dispergier- oder Mahlbehandlung erfindungsgemäß zusätzlich vorgesehen wird. Die Temperatur bei der Herstellung der Precursormischung bzw. der Zusammengabe der mindestens einen Li+-Quelle, der mindestens einen M2+-Quelle und/oder der mindestens einen P04 3"-Quelle wird vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 20 und 80 °C, insbesondere zwischen 25 und 60 °C, gewählt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt kein direktes Eindampfen oder Trocknen der Precursor-Mischung bzw. Precursorsuspension. Auch erfolgt nach einer bevorzugten Ausführungs orm kein Sintern der Precursormischung bzw. Precursorsuspension, da hierdurch die Eigenschaften des erhaltenen Endproduktes negativ beeinflusst werden können. Vielmehr hat sich überraschend gezeigt, dass die besten Ergebnisse durch eine hydrothermale Behandlung der Precursormischung bzw. Precursorsuspension und anschließende Trocknung und gegebenenfalls Sinterung des fertig umgesetzten LiFeP0 erhalten werden.
Unter einer Umsetzung der Precursormischung unter hydrothermalen Bedingungen .wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung jede Behandlung bei einer Temperatur über Raumtemperatur und einem Dampfdruck über 1 bar angesehen. Die Hydrothermalbehandlung an sich kann in dem Fachmann geläufiger und bekannter Weise durchgeführt werden. Vorzugsweise werden bei den hydrothermalen Bedingungen Temperaturen zwischen 100 bis 250°C, insbesondere 100 bis 180 °C sowie ein Druck von 1 bar bis 40 bar, insbesondere 1 bar bis 10 bar Dampfdruck verwendet. Ein mögliches Hydrothermalverfahren ist beispielsweise in der JP 2002-151082 beschrieben, deren diesbezüglicher Offenbarungsgehalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Dabei wird nach einer Ausführungsform die Precursormischung in einem dicht verschlossenen bzw. druckbeständigen Gefäß zur Reaktion gebracht. Die Umsetzung erfolgt vorzugsweise in einer Inert- oder Schutzgasatmosphäre. Geeignete inerte Gase sind beispielsweise Stickstoff, Argon, Kohlendioxid, Koh- lenmonoxid oder deren Gemische. Die Hydrothermalbehandlung kann beispielsweise über 0,5 bis 15 Stunden, insbesondere über 3 bis 11 Stunden, durchgeführt werden. Nur als nicht beschränkendes Beispiel können folgende konkrete Bedingungen gewählt werden: 1,5 h Aufheizzeit von' 50°C (Temperatur der Precursormischung) auf 160 °C, 10 h Hydrothermalbehandlung bei 160 °C, 3 h Abkühlung von 160°C auf 30°C.
Nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird zunächst in wässrigem Medium die M2+-Quelle und die P043_-Quelle, insbesondere unter Inertgasatmosphäre, gemischt und anschließend, vorzugsweise wiederum unter Inertgasatmosphäre, die Li - Quelle zugegeben. Spätestens mit Einsetzen der Fällung bei zunehmender Neutralisierung der Precursormischung wird dann die Dispergier- oder Mahlbehandlung begonnen und dann die Umsetzung unter hydrothermalen Bedingungen durchgeführt. An die Hydrothermalbehandlung kann sich nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eine Abtrennung des LiMP0 aus der Suspension , z.B. über Filtration und/oder Zentrifugation, anschließen. Weiterhin kann nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform das abgetrennte LiMP0 gewaschen werden, insbesondere mit Wasser, um die Salzfracht zu verringern bzw. zu entfernen. Eine Trocknung und/oder Sinterung des LiMP04, insbesondere unter Schutzgasoder Inertatmosphäre, kann sich ebenfalls an die Hydrothermalbehandlung anschließen. Eine sorgfältige Trocknung/Nachtrocknung • ist für die elektrochemische Qualität des Endproduktes in der Regel erforderlich, da schon geringe Feuchtigkeitsspuren bei der elektrochemischen Anwendung des Materials in Li-Akkumulatoren bzw. Li-Batterien Probleme, wie eine Zersetzung des Leitsalzes LiPF6- bewirken können. Eine Sinterung kann optional vorgenommen werden.
Die Trocknung des LiMP04 kann über einen weiten Temperaturbereich von etwa 50 bis 750°C vorgenommen werden, . wobei die Trocknungstemperatur auch von wirtschaftlichen Erwägungen abhängt. Falls die Herstellung des LiMP04 in Abwesenheit einer kohlenstoffhaltigen oder elektronenleitfähigen Substanz bzw. eines Vorläufers davon (vgl. unten) vorgenommen wird, wird in den meisten Fällen eine Trocknung zwischen etwa 50 und 350 °C, beispielsweise über 3 h bei 250 °C unter Verwendung von Stickstoff 5,0, Vakuum oder Formiergas, ausreichend sein. Soweit die Herstellung des LiMP04 in Anwesenheit einer kohlenstoffhaltigen oder elektronenleitfähigen Substanz bzw. eines Vorläufers davon (vgl. unten) durchgeführt wird, um ein Precoa^ ting mit Kohlenstoff zu bewirken, wird in der Regel eine höhere Trocknungstemperatur, in der Regel oberhalb von 500 bzw. 700 °C, gewählt. Insbesondere kann eine Sinterung erfolgen, wobei beispielsweise 3 h bei etwa 750 °C unter Verwendung von Stickstoff 5.0 erhitzt werden kann. Erst bei ausreichend hohen Temperaturen erhält man dabei den gewünschten leitfähigen Überzug aus der kohlenstoffhaltigen bzw. elektronenleitfähigen Substanz.
Nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform liegen die Komponenten der Precursormischung in folgendem stöchometri- schen Verhältnis vor: a. 1 mol Fe2+ : 1 mol P04 3~ : 1 mol Li* (1:1:1) b. 1 mol Fe2+ : 1 mol P04 3~ : 3 mol Li* (1:1:3) c. jedes Mischungsverhältnis zwischen a und b
Vorzugsweise liegt zumindest das Molverhältnis von M2+ Eisenionen zu P04 3~ bei etwa 1:1 . Die vorstehenden stöchiόmetrischen Verhältnisse sind auch aus wirtschaftlichen Gründen bevorzugt, jedoch nicht zwingend. Gerade im Hydrothermalverfahren bildet sich LiMP04 als thermodynamisch stabilste Phase bevorzugt aus, zudem können Abweichungen von den o.g. Verhältnissen zur Beeinflussung der Fällungs- oder Morphologieeigenschaften im Einzelfall sogar beabsichtigt sein. In der Regel können auch Abweichungen von 20%, zumindest von etwa 10% von den vorstehenden stöchiometrischen Verhältnissen toleriert werden.
Das Hydrothermalverfahren bietet auch Vorteile im Hinblick auf einen stark reduzierten Schutzgasbedarf im Vergleich zu einem alternativ möglichen Sinterverfahren aus einer trockenen Pulvervormischung oder Precursormischung. Außerdem wurde überraschend gefunden, dass die Partikelmorphologie und Partikelgrößenverteilung sehr viel gezielter als bei einem reinen Sinterverfahren gesteuert werden kann.
Zu große LiFeP0 Partikel führen bei hohen Lade-Entladeraten (hohe Lade-/Entladeströmen) zu einer kinetisch kontrollierten Begrenzung .der einem Akkumulator entnehmbaren Kapazität, d.h. die Lithium-Ionen könne beim Entladen nicht mehr schnell genug durch die Grenzschicht LiFeP04/FeP0 wandern, die spezifische Kapazität der Elektrode fällt bei hohen Lade-/Entladeraten stark ab. Für einen kommerziellen Einsatz des Lithiumeisenphosphats ist aber eine ausreichende spezifische Kapazität auch,bei hohen Lade-/Entladeströmen wichtig.
Die Untersuchungen der Erfinder haben auch gezeigt, dass man auch durch bloße Nachvermahlung und/oder Sichtung des fertigen, ohne die erfindungsgemäße Dispergier- oder Mahlbehandlung hergestellten LiMP04 weder die gleiche geringe Teilchengröße und enge Teilchengrößenverteilung, noch die hervorragenden elektrochemischen Eigenschaften erzielen kann. Dies gilt auch gegenüber LiM- P04, das nur durch direkte Sinterung einer Pulver-Precursor- mischung hergestellt worden ist. Es wird angenommen, dass dies auf die gleichmäßigen' und kleinen Kristallisationskeime, zurückzuführen ist, die durch die Dispergier- oder Mahlbehandlung gemäß der Erfindung erzeugt werden und der Umsetzung zum fertigen LiMP04-Produkt zugrunde liegen. Die dadurch erhaltene feinteilige und gleichmäßige Teilchengröße wirkt sich auch im Falle einer Trocknung bzw. Sinterung des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten LiMP0 positiv aus. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft daher LiMP04, das nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhältlich ist. Dieses Material weist vorzugsweise einen D90-Wert der Teilchen von maximal 25 μm, insbesondere maximal 20 μm, besonders bevorzugt maximal 15 μm auf. Die mittlere (durchschnittliche) Teilchengröße (D50-Wert) liegt bei weniger als 0,8 μm, vorzugsweise bei weniger als 0,7 μm, insbesondere bei weniger als 0,6 μm, besonders bevorzugt bei weniger als 0,5 μm. Die Teilchengrößenverteilung ist vorzugsweise zumindest weitgehend eine Normalverteilung (monomodal) . Der DIO-Wert liegt nach einer Ausführungsform bei weniger als 0,35 μm, vorzugsweise bei weniger als 0,40 μm, kann jedoch bei engen Teilchengrößenverteilungen in Abhängigkeit vom dem D90-Wert auch höher liegen. Der D90-Wert liegt vorzugsweise bei weniger als 3,0 μm, vorzugsweise bei weniger als 2,5 μm, insbesondere bei weniger als 2,0 μm.
Die Partikelgrößenverteilung des erfindungemäßen LiMP04 ist, wie vorstehend erwähnt vorzugsweise sehr eng, wobei nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Differenz zwischen dem D90-Wert und dem DIO-Wert nicht mehr als 2 μm, vorzugsweise nicht mehr als 1,5 μm, insbesondere nicht mehr als 1 um, besonders bevorzugt nicht mehr als 0,5 μm beträgt.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass die vorstehend beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen LiMP04 auch bei der anschließenden Verarbeitung mit anderen Komponenten, z.B. von kohlehaltigen Materialien bei der Herstellung von Elektrodenmaterialien besondere Vorteile bieten. So ermöglicht das erfindungsgemäße LiMP0 offenbar aufgrund seiner besonderen Teilchengrößenverteilung wie hierin definiert eine bessere und leichtere Verarbeitung zu Elektrodenmaterialien und einen besonders innigen Verbund z.B. mit den kohlehaltigen Leitmaterialien. Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft daher eine Zusammensetzung, insbesondere Elektrodenmaterial, enthaltend LiMP04 wie hierin definiert.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines LiMP04-Materials wie vorstehend definiert in einem Lithiumakkumulator oder einer sekundären (wiederaufladbaren) Li- Batterie als Elektrodenmaterial. Vorzugsweise sind die Primärpartikel (=Kristallite) des fertigen LiMP04-Produkts in REM- Aufnahmen nach Größe und Morphologie weitgehend einheitlich. Nicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes LiMP04 weisen dagegen uneinheitlich große Primärpartikel oder uneinheitliche Kristallmorphologien auf.
Nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt die Herstellung oder Fällung der Precursor-Mischung und/oder die Umsetzung unter hydrothermalen Bedingungen in Anwesenheit weiterer Komponenten, insbesondere einer elektronenleitfähigen Substanz. Dabei kann es sich vorzugsweise um einen kohlenstoffhaltigen Feststoff wie Kohle, insbesondere Leitkohle oder Kohlefasern handelt. Es kann auch ein Vorläufer einer elektronenleitfähigen Substanz bzw. des kohlenstoffhaltigen Feststoffs eingesetzt werden, der sich bei der Trocknung bzw. Sinterung des LiMP04 in Kohlenstoffpartikel umwandelt, wie eine Zuckerverbindung. Weitere Beispiele geeigneter organischer Verbindungen sind in der WO02/083555 genannt, deren diesbezüglicher Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme hier aufgenommen wird. Vorzugsweise sind die in dem fertigen LiMP04-Produkt enthaltenen Kohlenstoffpartikel homogen verteilt. Nach einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der eingesetzte kohlenstoffhaltige Feststoff als Kristallisationskeim in der Umsetzung der Precursor-Mischung verwendet. Prinzipiell ist jedoch jedes dem Fachmann geläufige Verfahren zur Einbringung von Kohle oder kohlenstoffhaltigem, elektrisch leitfähigen Material bzw. zur Vermischung mit weiteren Komponenten geeignet. Auch eine intensive Vermischung oder Vermählen des fertigen LiMP04 mit mindestens einem kohlenstoffhaltigen Feststoff wie Leitkohle ist möglich. Weitere mögliche Verfahren sind das Aufziehen von Kohlepartikeln auf die Oberfläche der LiMP04- Partikel in einer wässrigen oder nicht-wässrigen Suspension oder die Pyrolyse eines Gemenges aus LiMP04-Pulver und einem Kohlenstoff-Vorläufermaterial. Das beispielsweise so erhaltene kohlenstoffhaltige LiMPOi) enthält in der Regel bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 5 Gew.-%, besonders bevorzugt bis 2,5 Gew.-% Kohlenstoff, bezogen auf das LiMP04.
Technisch bevorzugt ist ein Pyrolyse-Verfahren, bei dem mindestens ein Kohlenstoff-Vorläufermaterial, vorzugsweise ein Kohlenhydrat, wie Zucker oder Cellulose und besonders bevorzugt Lacto- se mit dem erfindungsgemäßen LiMP04-Pulver vermengt wird, z. B. durch Verkneten, wobei Wasser als Hilfsmittel zugegeben werden kann. Nach einer technisch besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Kohlenstoff-Vorläufermaterial dem noch ungetrockneten feuchten LiMP04-Filterkuchen zugegeben. Anschließend wird die Mischung aus erfindungsgemäßem LiMP0-Pulver und Kohlenstoff- Vorläufermaterial an Schutzgas, an Luft oder im Vakuum bei Temperaturen von vorzugsweise 50 °C bis 200 °C getrocknet und an Schutzgas, wie z. B. Stickstoff 5.0 oder Argon auf eine Tempera-- tur zwischen z.B. 500°C und 1000°C, bevorzugt zwischen 700°C und 800 °C erhitzt, wobei das Kohlenstoff-Vorläufermaterial zu Kohle pyrolysiert wird. Anschließend erfolgt vorzugsweise eine Mahloder Deagglomerationsbehandlung. Nach einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt die BET-Oberfläche des verwendeten LiMP04 bei mehr als etwa 3,5 m2/g, insbesondere mehr als etwa 4 m2/g, besonders bevorzugt mehr als 5 m2/g, mehr als 10 m2/g oder sogar mehr als 15m2/g, bestimmt nach DIN 66131 (Mehrpunkt-Bestimmung) .
Eine Verbesserung der Eigenschaften des LiFeP04 durch ein Pre- coating mit Kohlenstoff ist auch beschrieben in: Ravet et al., Abstract No. 127, 196th ECS-Meeting, Honolulu, Hl, Oct. 17-22 (1999) .
Der Kohleanteil verbessert auch die Verarbeitbarkeit des LiMP04- Pulvers zu Batterieelektroden durch Veränderung der Oberflächeneigenschaften und/oder verbessert die elektrische Anbindung in der Batterieelektrode.
Alternativ soll eine deutliche Verbesserung der elektronischen Leitfähigkeit durch gezielte Dotierung mit Mg2+, Al3+, Ti4+, Zr+, Nb5+, W6+ möglich sein (S.Y. Chung, J.T. Bloking, Y.M. Chiang, Nature, Vol. 1, October 2002, 123).
Ein weiterer erfindungsgemäßer Aspekt betrifft einen Li- Akkumulator oder eine Li-Sekundärbatterie enthaltend das erfindungsgemäße, gegebenefalls kohlenstoffhaltige, LiMP04. Die Sekundärbatterie (Lithiumionen-Sekundärbatterie) als solche kann dabei auf an sich bekannte Weise hergestellt werden, beispielsweise wie nachstehend ausgeführt und in der JP 2002-151082 beschrieben. Dabei wird das wie oben erhaltene Lithiumeisenphosphat der vorliegenden Erfindung zumindest als ein Teil des Materials für den positiven Pol der Sekundärbatterie verwendet. In diesem Fall erfolgt zuerst eine Vermischung des Lithiumeisenphosphats der vorliegenden Erfindung mit, falls nötig, elekt- risch leitfähigen Zusatzstoffen und einem Bindemittel gemäß einem üblichen Verfahren zur Herstellung der positiven Elektrode einer Sekundärbatterie. Die Sekundärbatterie wird dann aus dieser positiven Elektrode, und einem üblicherweise verwendeten Material für die negative Elektrode wie etwa metallischem Lithium oder einer schichtförmigen KohlenstoffVerbindung wie z.B. Graphit, ferner aus einer üblicherweise verwendeten nicht- wässrigen Elektrolytlösung, beispielsweise aus Propylencarbonat oder Ethylencarbonat o.a., in dem ein Lithiumsalz wie LiBF4 oder LIPFΘ gelöst ist, als Hauptbestandteile hergestellt.
Bestimmung der Teilchengrößenverteilung:
Die Teilchengrößenverteilungen für die Precursorsuspensionen und das erzeugte LiMP04 wird anhand der Lichtstreuungsmethode unter Verwendung handelsüblicher Vorrichtungen bestimmt. Diese Methode ist dem Fachmann bekannt, wobei auch auf die Offenbarung hierzu in der JP 2002-151082 und der WO 02/083555 verwiesen und Bezug genommen wird. Vorliegend wurden die Teilchengrößenverteilungen mit Hilfe eines Laserbeugungsmessgerätes (auf Mastersizer S, Firma Malvern Instruments GmbH, Herrenberg, DE) und der Software des Herstellers (Version 2.19) mit einem Malvern S all Volume Sample Dispersion Unit, DIF 2002 als Messeinheit bestimmt. Es wurden folgende Messbedingungen gewählt: Compressed ränge; acti- ve beam length 2,4 mm; Messbereich: 300 RF; 0,05 bis 900μm. Die Probenvorbereitung und -messung erfolgte nach den Herstellerangaben . Der D90-Wert gibt den Wert an, bei dem 90% der Teilchen in der gemessenen Probe einen kleineren oder gleichen Teilchendurchmesser aufweisen. Entsprechend geben der D50-Wert bzw. der DIO-Wert den Wert an, bei . dem 50% bzw. 10% der Teilchen in der gemessenen Probe einen kleineren oder gleichen Teilchendurchmesser aufweisen.
Nach einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform gelten die in der vorliegenden Beschreibung genannten Werte für die DIO-Werte, die D50-Werte, die D90-Werte sowie die Differenz der D90- und der DIO-Werte bezogen auf den Volumenanteil der jeweiligen Teilchen am Gesamtvolumen. Danach geben die hierin genannten D10-, D50- und D90-Werte nach dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform diejenigen Werte an, bei dem 10 Volumen-% bzw. 50 Volumen-% bzw. 90 Volumen-%. der Teilchen in der gemessenen Probe einen kleineren oder gleichen Teilchendurchmesser aufweisen. Bei der Einhaltung dieser Werte werden erfindungsgemäß besonders vorteilhafte Materialien bereitgestellt und negative Einflüsse von relativ groben Teilchen (mit verhältnismäßig größerem Volumenanteil) auf die Verarbeitbarkeit und die elektrochemischen Produkteigenschaften vermieden. Besonders bevorzugt gelten die in der vorliegenden Beschreibung genannten Werte für die DIO-Werte, die D50-Werte, die D90-Werte sowie die Differenz der D90- und der DIO-Werte sowohl bezogen auf Prozent als auch Volumenprozent der Teilchen.
Bei Zusammensetzungen (z.B. Elektrodenmaterialien), die neben dem LiMP04 weitere Komponenten enthalten, insbesondere bei kohlehaltigen Zusammensetzungen, kann die vorstehende Lichtstreuungsmethode zu irreführenden Ergebnissen führen, da die LiMP04- Teilchen (Partikel) durch das zusätzliche (z.B. kohlehaltige) Material zu größeren Agglomeraten verbunden sein können. Die Teilchengrößenverteilung des LiMP04 bei solchen Zusammensetzungen kann jedoch anhand von REM-Aufnahmen wie folgt bestimmt werden:
Eine kleine Menge der Pulverprobe wird in Aceton suspendiert und für 10 min mit Ultraschall dispergiert. Sofort danach werden einige Tropfen der Suspension auf einen Probenteller eines Rasterelektronenmikroskops (REM) getropft. Die Feststoffkonzentra- tion der Suspension und die Anzahl der Tropfen werden so bemessen, dass sich eine weitgehend einlagige Schicht aus Pulverpartikeln (der Ausdruck "Partikel" wird als Synonym von "Teilchen" verwendet) auf dem Träger ausbildet, um ein gegenseitiges Verdecken der Pulverpartikel zu verhindern. Das Auftropfen muss rasch erfolgen, bevor sich die Partikel durch Sedimentation nach der Größe trennen können. Nach Trocknen an Luft wird die Probe in die Messkammer des REM überführt. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um ein Gerät des Typs LEO 1530, das mit einer Feldemissionselektrode bei l,5kV AnregungsSpannung und einem Probenabstand von 4 mm betrieben wird. Von der Probe werden mindestens 20 zufällig gelegte Ausschnittsvergrößerungen mit einem Vergrößerungsfaktor von 20000 aufgenommen. Diese werden jeweils auf einem DIN A4-Blatt mitsamt dem eingeblendeten Vergrößerungsmaß- stab ausgedruckt. Auf jedem der mindestens 20 Blätter werden nach Möglichkeit mindestens 10 frei sichtbare LiMP04-Partikel, aus denen die Pulverpartikel zusammen mit dem kohlenstoffhaltigen Material aufgebaut sind, zufällig ausgewählt, wobei die Umgrenzung der LiMP04-Partikel durch das Fehlen fester, direkter Verwachsungsbrücken definiert wird. Verbrückungen durch Kohlen- stoffmaterial hingegen werden zur Partikelgrenze gezählt. Von jedem dieser ausgewählten LiMP04-Partikel wird jeweils die in der Projektion längste und kürzeste Achse mit einem Lineal abge- messen, und anhand des Maßstabsverhältnisses auf die realen Partikelabmessungen umgerechnet. Für jedes ausgemessene LiMP04- Partikel wird der arithmetische Mittelwert' aus der längsten und der kürzesten Achse als Partikeldurchmesser definiert. Anschließend teilt man die ausgemessenen LiMP04-Partikel in Analogie zur Lichtstreuungsmessung in Größenklassen ein. Trägt man die Anzahl der jeweils zugehörigen LiMP04-Partikel über der Größenklasse auf, erhält man die differentielle Partikelgrößenverteilung bezogen auf die Partikelanzahl. Werden die Partikelzahlen fortlaufend von den kleinen zu den großen Partikelklassen hin aufsummiert, erhält man die kumulierte Partikelgrößenverteilung, aus der D10, D50 und D90 auf der Größenachse direkt abgelesen werden können.
Das beschriebene Verfahren findet auch Anwendung auf L1MPO4- haltige Batterieelektroden. In diesem Falle wird jedoch statt einer Pulverprobe eine frische Schnitt-' oder Bruchfläche der Elektrode auf dem Probenträger befestigt und im REM untersucht.
Die Erfindung wird nun anhand der nachstehenden nichtbeschränkenden Beispiele näher erläutert. Die anliegenden Figuren zeigen:
Fig. 1 die Teilchengrößenverteilung (volumenbezogen) eine's erfindungsgemäß hergestellten LiMP0 gemäß Beispiel 1;
Fig. 2 die Teilchengrößenverteilung (volumenbezogen) eines nicht erfindungsgemäß hergestellten LiMP04 gemäß Beispiel 2;
Fig. 3 die Teilchengrößenverteilung (volumenbezogen) eines .erfindungsgemäß hergestellten L1MPO4 gemäß Beispiel 3. Beispiele:
Beispiel 1: Herstellung von LiFePQ nach einem erfindungsgemäßen Verfahren einschließlich Hydrothermalbehandlung
Reaktionsgleichung
FeS04 • 7 H20 + H3P04 + 3 LiOH • H20→ LiFeP04 + Li2S04 + 11 H20
LiFeP04 ist als fertiges Produkt bei Raumtemperatur an Luft ohne Oxidation lagerbar.
Bei der Herstellung von LiFeP04 nach der angegebenen Reaktionsgleichung ist zu beachten, dass das LiFeι:ι:P04 aus einer wässrigen Feι:r-Precursorlösung gefällt wird. Die Umsetzung und Trocknung/Sinterung ist daher unter Schutzgas oder Vakuum durchzuführen, um eine teilweise Oxidation von Fe11 zu Fe111 unter Bildung von Nebenprodukten wie Fe203 oder FeP0 zu vermeiden.
Herstellung und Fällung einer Precursormischung
417,04 g FeS04 • 7 H20 werden in ca. 1 1 destilliertem Wasser gelöst und langsam unter Rühren 172,74 g 85%ige Phosphorsäure zugegeben. Anschließend wird mit • destilliertem Wasser auf 1,5 1 aufgefüllt. Die saure Lösung wird im Laborautoklaven (Volumen: 1 Gallone) bei 400 UPM Rührergeschwindigkeit vorgelegt, der Autoklav über das Tauchrohr mit ca. 6 - 7 bar Stickstoff beaufschlagt und über das Entlüftungsventil wieder entspannt. Die Prozedur wird 2 x wiederholt. 188,82 g Lithiumhydroxid LiOH • H20 werden in 11 destilliertem Wasser gelöst.
Am Autoklaven wird zur Durchführung der Dispergier- oder Mahlbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Dispergator (Firma IKA, ULTRATURRAX® UTL 25 Basic Inline mit Dispergierkammer DK 25.11) zwischen Entlüftungsventil und Bodenablassventil angeschlossen. Die Pumprichtung des Dispergators ist Bodenablassventil - Dispergator - Entlüftungsventil. Der Dispergator wird auf mittlerer Leistungsstufe (13500 UPM) nach den Angaben des Herstellers gestartet.
Anschließend wird die vorbereitete LiOH-Lösung mit einer Prominent-Membranpumpe über das Tauchrohr in den Autoklaven gepumpt (Hub 100%, 180 Hübe/Minute; entspricht höchster Leistung der Pumpe) und mit ca. 500 bis 600 ml destilliertem Wasser nachgespült. Der Vorgang dauert etwa 20 Minuten, wobei die Temperatur der entstandenen Suspension auf ca. 35°C steigt. Nach Zupumpen und Nachspülen wird die Suspension im Autoklaven auf 50 °C erhitzt. Nach Zugabe des Lithiumhydroxids fällt ein grünlichbrauner Niederschlag aus.
Der Dispergator, der vor Beginn der LiOH-Zugabe gestartet wird, wird insgesamt etwa 1 Stunde zur Intensivmischung bzw. Vermahlung der entstandenen, sehr viskosen Suspension eingesetzt (nach Zupumpen der LiOH-Lösung bei 50 °C) . Die Teilchengröße lag danach bei D90= 13,2 μm. Der volumenbezogene D90-Wert lag entsprechend.
Zur Messung der Teilchengrößen in der Precursorsuspension kann wie folgt vorgegangen werden: Unter Bezugnahme auf die vor den Beispielen angegebene Methode zur Bestimmung der Teilchengrö- ßen (Verteilung) werden 20 bis 40 mg der Suspension in 15 ml Wasser suspendiert und 5 min mit einem Ultraschallfinger (Nennleistung 25 Watt, 60% Leistung) dispergiert. Anschließend wird sofort in der Messeinheit gemessen. Die richtige Einstellung der Probenmenge kann im Einzelfall anhand der Anzeige am Messgerät (grüner Messbereich) überprüft werden.
Der Einsatz eines Dispergators bewirkt eine Intensivmischung und Deagglomerierung der gefällten viskosen Vormischung. Bei der dabei ablaufenden Fällung und Kristallisation der Precursorsuspension entsteht durch die Vorvermahlung bzw. Intensivvermischung im Dispergator eine homogene Mischung aus vielen kleinen, etwa gleich großen Kristallkeimen. Diese Kristallkeime kristallisieren bei der anschließenden Hydrothermalbehandlung (siehe unten) zu sehr gleichmäßig gewachsenen Kristallen des Endprodukts LiFeP0 mit einer sehr engen Partikelgrößenverteilung. Der Leistungs- bzw. Energieeintrag über die Dispergierbehandlung lag bei mehr als 7 kW/m3 bzw. mehr als 7 kWh/m3 der behandelten Pre- cursormischung/-suspension.
Hydrothermalbehandlung:
Die jeweils frisch hergestellte Suspension wird im Laborautoklaven hydrothermal behandelt. Vor dem Aufheizen der Suspension wird der Autoklav mit Stickstoff gespült, um vorhandene uft vor dem Hydrothermalprozess aus dem Autoklaven zu verdrängen. LiFe- P04 bildet sich ab Hydrothermaltemperaturen von etwa 100 bis 120 °C. Nach dem Hydrothermalprozess wird das Material mit dem Seitz-Filter abfiltriert und gewaschen. Im einzelnen:
Nach Abschalten und Abklemmen des Dispergators wird der Ansatz in 1,5 Stunden auf 160°C erhitzt und eine Hydrothermalbehandlung über 10 Stunden bei 160 °C durchgeführt. Anschließend wird in 3 Stunden auf 30 °C abgekühlt.
Danach kann das LiFeP04 ohne sichtbare Oxidation an Luft oder im Trockenschrank, z.B. bei milden Temperaturen (40°C) getrocknet werden.
Es kann jedoch auch eine Weiterverarbeitung des wie vorstehend beschrieben erhaltenen Materials erfolgen:
Filtration des Lithiumeisenphosphats LiFeP04
Nach der Hydrothermalbehandlung wird die abgekühlte Suspension (max. 30 °C) unter Stickstoffatmosphäre durch das Bodenablassven- til des Autoklaven in einen Druckfilter gepumpt (sog. „Seitz- Filter") . Dabei wird die Prominent-Membranpumpe so eingestellt, dass ein Druck von 5 bar nicht überschritten wird. Der Filterku- chen wird so lange mit destilliertem Wasser nachgewaschen, bis die Leitfähigkeit des Waschwassers 200 μS/c unterschreitet.
Trocknung und Deagglomeration des Lithiumeisenphosphats LiFeP04
Der Filterkuchen' wird im Vakuumtrockenschrank bei 70 °C über Nacht auf eine Restfeuchte unter 5% vorgetrocknet und anschließend in, einem Schutzgasofen („Linn KS 80-S") unter einem Formiergasstrom (90% N2/10%- H2) von 2001/h bei 250 °C auf eine Restfeuchte <0,5% nachgetrocknet. Anschließend wird das LiFeP04 in einer Labor-Rotormühle ("Fritsch Pulverisette 14") mit einem 0,08 mm Sieb deagglomeriert.
Die sich dabei ergebende typische Partikelgrößenverteilung des fertigen LiFeP04 (mit Dispergator-Behandlung, nach Hydrothermal- behandlung, Trocknen und Deagglomeration wie vorstehend beschrieben) ist aus Fig. 1 ersichtlich. Zur Verdeutlichung der vorteilhaften Partikelgrößenverteilung und der Abwesenheit der störenden größeren Partikel in den erfindungsgemäßen Produkten sind die volumenbezogenen Daten dargestellt. Die auf den Teilchenanteil (%) bezogenen Werte waren wie folgt: D50-Wert kleiner 0,5 μm; DIO-Wert kleiner 0,35 μm; D90-Wert kleiner 2,0 μm; Differenz zwischen dem D90-Wert und dem DIO-Wert kleiner 1,5 μm.
Zur Messung der Teilchengrößen in einer pulverförmigen Probe kann wie folgt vorgegangen werden: Unter Bezugnahme auf die vor den Beispielen angegebene Methode zur Bestimmung der Teilchengrößen (Verteilung) werden 20 bis 40 mg der Pulverprobe in 15 ml Wasser suspendiert und 5 min mit einem Ultraschällfinger (Nennleistung 25 Watt, 60% Leistung) dispergiert. Anschließend wird sofort in der Messeinheit gemessen. Die richtige Einstellung der Probenmenge kann im Einzelfall anhand der Anzeige am Messgerät (grüner Messbereich) überprüft werden.
Beispiel 2 : Herstellung von LiFePQ4 ohne Dispergatorbehandlung (Vergleich)
Zum Vergleich wurde LiFeP04 nach dem gleichen Syntheseverfahren wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, jedoch ohne erfindungsgemäßen Einsatz des Dispergators. Es wurde unter sonst gleichen Reaktionsbedingungen eine deutlich breitere Partikel- . größenverteilung mit einem größeren Anteil an verwachsenen Ag- glomeratstrukturen erhalten. Ohne den Einsatz eines Dispergators lag der Dgo-Wert (auf Volumenanteil oder auf Teilchenzahl bezogen) nach Zugabe der LiOH-Lösung bei mehr als 200 μm. Die trotz der ebenfalls erzielten Phasenreinheit des LiFeP04 deutlich grö- bere Partikelgrößenverteilung des fertigen LiFeP0 (nach Hydrothermalbehandlung, Trocknen und Deagglomeration) ist in Fig. 2 dargestellt. Zur Verdeutlichung der Anwesenheit störender größerer Partikel sind die volumenbezogenen Daten dargestellt. Der auf den Teilchenanteil (%) bezogene D50-Werte lag über 0,8 μm.
Auch ein gemäß der US2003/0124423, Seite 10, Absatz [0015], hergestelltes LiFeP04 konnte trotz intensiver Vermahlung mit einem Mörser nicht auf die Teilchengrößenverteilung der erfindungsgemäßen Produkte gebracht werden; es konnte kein D50-Wert kleiner 0,8 μm und keine Differenz des D90- und des DlO-Wertes von 2 μm oder darunter erzielt werden.
Beispiel 3 : Herstellung von LiFePQ4 nach einem erfindungsgemäßen Verfahren einschließlich Hydrothermalbehandlung
Es wurde LiFeP0 nach dem gleichen Syntheseverfahren wie in Beispiel' 1 beschrieben hergestellt, jedoch wurde der Dispergator (Firma IKA, ULTRATURRAX® UTL 25 Basic Inline mit Dispergierkam- mer DK 25.11) auf der höchsten Leistungsstufe betrieben. Der Leistungs- bzw. Energieeintrag über die Dispergierbehandlung lag bei mehr als 10 kW/m3 bzw. mehr als 10 kWh/m3 der behandelten Precursormischung/-suspension. Die Teilchengröße der Suspension nach der Dispergatorbehandlung lag bei Dgo^ 10,8 μm. Der volumenbezogene D90-Wert lag etwas darunter.
Die Hydrothermalbehandlung, Filtration, Trocknung und Deagglomeration erfolgte wie in Beispiel 1 angegeben. Die sich dabei ergebende typische Partikelgrößenverteilung des fertigen LiFePÜ4 ist aus Fig. 3 ersichtlich. Zur Verdeutlichung der vorteilhaften Partikelgrößenverteilung und der Abwesenheit der störenden größeren Partikel in den erfindungsgemäßen Produkten sind die volumenbezogenen Daten dargestellt. Die auf den Teilchenanteil (%) bezogenen Werte waren wie folgt: D50-Wert kleiner 0,5 μm;. DIO- Wert kleiner 0,35 μm; D90-Wert kleiner 2,0 μm; Differenz zwischen dem D90-Wert und dem DIO-Wert kleiner 1,0 μm.
In elektrochemischen Tests zeigte das unter Verwendung des Dispergators hergestellte erfindungsgemäße LiFeP04 gegenüber dem ohne Verwendung eines Dispergators hergestellten Vergleichsmaterial sowie einem durch ein reines Sinterverfahren gemäß Stand der Technik hergestellten Material die besten Eigenschaften, insbesondere bei hohe Lade/Entladeraten.
Beispiel 4 : Herstellung von LiFePQ4 nach einem erfindungsgemäßen Verfahren einschließlich Hydrothermalbehandlung
21,894 kg FeS04* 7H20 werden in 42 1 deionisiertem Wasser gelöst und langsam unter Rühren 9,080 kg 85%ige Phosphorsäure zugegeben. Die saure Lösung wird in einem emaillierten 2001 Autoklaven mit Ankerrührer vorgelegt und bei 45 UPM gerührt. Der Kopfräum des Autoklaven wird vor dem Verschließen mit Stickstoff gespült. Die saure Lösung wird über eine Kreiselpumpe mit ca. 5kW Leistungsaufnahme und mit einer gemessenen Durchflussleistung von durchschnittlich 70001/h umgepumpt. Dabei wird die Lösung über das Bodenablassventil des Autoklaven entnommen und über einen Deckelflansch wieder zugeführt. 10,289 kg LiOH*H0 werden in 621 deionisiertem Wasser gelöst. Diese alkalische Lösung wird über eine Monopumpe und eine Injektordüse der umgepumpten sauren Lösung auf der Druckseite der Kreiselpumpe zugeführt. Dieser Vorgang dauert 15 min, wobei die Temperatur der umgepumpten Lösung von 18,3°C auf 42,1°C ansteigt. Die dabei entstehende Suspension wird weiter für 45 min mit der Kreiselpumpe umgepumpt und mit dem Ankerrührer bei 45 UPM gerührt, wobei sich die Temperatur auf 51,1°C weiter erhöht. Die Kreiselpumpe sorgt erfindungsgemäß während des gesamten Vorganges mit ihrer hohen Turbulenzwirkung für die Bildung einer feinteiligen Suspension, wobei vergleichbare Teilchengrößenverteilungen wie in Beispiel 1 erzielt werden konnten. Der Leistungs- bzw. Energieeintrag über die Dispergierbehandlung lag bei mehr als 7 kW/m3 bzw. mehr als 7 kWh/m3 der behandelten Precursormischung/-suspension. - -
Nach Abschalten und Abklemmen der externen Geräte wird der Autoklav druckfest verschlossen und unter ständigem Rühren bei 90 UPM in 1,5h auf 160°C aufgeheizt und für 10h auf dieser Temperatur gehalten. Danach wird er innerhalb von 3h auf 20°C abgekühlt und die fertige LiFeP0-Suspension analog zu Beispiel 1 im "Seitz-Filter" filtriert. Der pH-Wert des Filtrats liegt bei 7,5. Anschließend wird mit deionisiertem Wasser gewaschen, bis das Filtrat einen Leitwert von weniger als 480μS hat. Der weißlich-graue, feste und zum Zerfließen neigende Filterkuchen wird bei 70°C über Nacht im Vakuumtrockenschrank bei <100mbar getrocknet und in einer Labor-Rotormühle ("Fritsch Pulverisette 14") mit einem 0,08mm Sieb deagglomeriert. Die danach erhaltenen Teilchengrößenverteilungen lagen im selben Bereich wie in Beispiel 1 angegeben.
Beispiel 5 : Verkohlung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Materials
lkg trockenes LiFeP04 Pulver aus den Beispielen 1 bis 4 werden mit 112 g Lactose-Monohydrat und 330g deionisiertem Wasser innig vermengt und über Nacht im Vakuumtrockenschrank bei 70 °C und <100mbar auf eine Restfeuchte <5% getrocknet. Das sprödharte Trocknungsprodukt wird von Hand gebrochen und in einer Scheibenmühle („Fritsch Pulverisette 13") mit 1mm Scheibenabstand grob gemahlen und in Edelstahltiegeln in einen Schutzgas-Kammerofen („Linn KS 80-S") überführt. Dieser wird bei einem Stickstoff- Strom von 2001/h innerhalb von 3h auf 750°C aufgeheizt, für 5h auf dieser Temperatur gehalten und innerhalb ca. 36h auf Raumtemperatur abgekühlt . Das kohlehaltige Produkt wird in einer Labor-Rotormühle ("Fritsch Pulverisette 14") mit einem 0,08mm Sieb deagglomeriert.
Die REM-Analyse der Teilchengrößenverteilung wie vor den Beispielen für kohlehaltige Masterialien beschrieben ergab folgende Werte: D50-Wert kleiner 0,6 μm, Differenz zwischen D90-Wert und DIO-Wert kleiner 1,5 μm.
In elektrochemischen Tests an Dünnfilmelektrode, wie sie beispielsweise in Anderson et al . , Electrochem. And Solid State Letters 3 (2) (2000), Seiten 66-68 offenbart sind, zeigte das kohlehaltige erfindungsgemäße Material (ausgehend von dem Produkt der Beispiele 1, 3 und 4) gegenüber dem ohne Verwendung eines Dispergators hergestellten Vergleichsmaterial sowie einem durch ein reines Sinterverfahren gemäß Stand der Technik hergestellten Material die besten Eigenschaften, insbesondere bei hohen Lade/Entladeraten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung der Formel LiMP04, worin M mindestens ein Metall der ersten Übergangsreihe darstellt, umfassend die folgenden Schritte:
a. Herstellen einer Precursormischung, enthaltend mindestens eine Li+-Quelle, mindestens eine M2+-Quelle und mindestens eine P04 3_-Quelle, um einen Niederschlag zu fällen und somit eine Precursorsuspension herzustellen;
b. Dispergier- oder Mahlbehandlung der Precursormischung .. und/oder der Precursorsuspension, bis der D90-Wert der Teilchen in der Precursorsuspension weniger als 50 um beträgt;
c. Gewinnung von LiMP04 aus der gemäß b) erhaltenen Precursorsuspension, vorzugsweise durch Umsetzung unter hydrothermalen Bedingungen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, "'dass der D90-Wert der Teilchen in der Suspension bei maximal 25 μm, insbesondere maximal 20 • μm, besonders bevorzugt maximal 15 μm liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass M zumindest Fe umfasst oder Fe darstellt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass M Fe, Mn, Co und/oder Ni umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das LiMP04 in phasenreiner Form gewonnen wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispergier- oder Mahlbehandlung vor oder während der Fällung der Precursormischung einsetzt und bis zum Abschluss der Fällung fortgesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispergierbehandlung vor der Fällung der Precursormischung einsetzt, um eine hohe Kristallkeimbildung zu gewährleisten und die Bildung großer Kristalle und Kristallagglomerate zu verhindern.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Umsetzung der Precursormischung oder -Suspension unter hydrothermalen Bedingungen kein Eindampfen erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Umsetzung der Precursormischung oder -Suspension unter hydrothermalen Bedingungen kein Sintern erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Umsetzung unter hydrothermalen Bedingungen eine Trocknung des LiMP04 erfolgt. - -
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Precursormischung bzw. -Suspension oder die Umsetzung unter hydrothermalen Bedingungen in Anwesenheit mindestens einer weiteren Komponente, insbesondere einer kohlenstoffhaltigen oder elektronenleitfähigen Substanz oder dem Vorläufer einer elektronenleitfähigen Substanz erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der elektronenleitfähigen Substanz um Kohle, insbesondere Leitkohle oder Kohlefasern handelt.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch . gekennzeichnet, dass es sich bei dem Vorläufer einer elektronenleitfähigen Substanz um eine kohlenstoffhaltige Substanz, insbesondere eine Zuckerverbindung handelt.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Lithiumquelle LiOH oder LiC03 verwendet wird.
15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fe2+-Quelle ein Fe2+-Salz, insbesondere FeS0, FeCl2, FeN03,' Fe3(P0)2 oder ein Organylsalz von Eisen verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch" gekennzeichnet, dass als P04 3_-Quelle Phosphorsäure, ein Metallphosphat, Hydrogenphosphat oder Dihydrogenphosphat verwendet wird. - -
17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Precursor-Mischung Wasser als Lösungsmittel verwendet wird.
18. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Li+-Quelle, die M2+-Quelle in Form von wässrigen Lösungen eingesetzt werden, und die Pθ4 3--Quelle in Form einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Lösung eingesetzt wird.
19. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Precursorsuspension gebildete Niederschlag mindestens einen Precursor von L1MPO4, insbesondere Vivianit, umfasst, und vorzugsweise anschließend unter hydrothermalen Bedingungen die Umsetzung in LiMP04 erfolgt.
20. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei den hydrothermalen Bedingungen. Temperaturen zwischen 100 bis 250 °C, insbesondere 100 bis 180 °C sowie ein Druck von 1 bar bis 40 bar, insbesondere 1 bar bis 10 bar Dampfdruck verwendet werden.
21. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten der Precursormischung in folgendem stöchometrischen Verhältnis vorliegen: a. 1 mol Fe2+ : 1 mol P04 3- : 1 mol Li* (1:1:1) b. 1 mol Fe2+ : 1 mol P04 3~ : 3 mol Li* (1:1:3) c. jedes Mischungsverhältnis zwischen a und b.
22. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammengabe oder Umsetzung der Precursormischung oder -Suspension unter hydrothermalen Bedingungen unter Inertgasatmosphäre erfolgt, vorzugsweise in demselben Gefäß .
23. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst in wässrigem Lösungsmittel die M2+-Quelle und die P04 3~-Quelle, insbesondere unter I- nertgasatmosphäre, gemischt werden, anschließend, vorzugsweise wiederum unter Schutzgas- oder Inertatmosphäre, die Li+-Quelle zugegeben wird und dann die Umsetzung unter hydrothermalen Bedingungen erfolgt.
24. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Dispergier- oder Mahlbehandlung um eine Behandlung mit Dispergatoren (mit oder ohne Pumprotor) , Ultraturrax, Mühlen wie Kolloidmühlen oder Manton-Gaulin-Mühlen, Intensivmischern, Kreiselpumpen, In-Line-Mischern, Mischdüsen wie Injektordüsen oder Ultraschallgeräten handelt.
25. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur hochscherenden Behandlung gemäß Anspruch lb ein Rührwerk oder dergleichen, insbesondere ein Ultra-Turrax-Rührer verwendet wird, wobei der Leistungseintrag, berechnet nach der Formel P = 2 π n M, wobei M das Drehmoment und n die Drehzahl darstellt bei mindestens 5 kW/m3, insbesondere mindestens 7 kW/m3 liegt.
26. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Komponente gemäß An- spruch 11 oder 12 als Kristallisationskeim in der Fällung bzw. Umsetzung der Precursormischung verwendet wird.
27. LiMP04, insbesondere LiFeP04, erhältlich nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche.
28. L1MPO4, insbesondere gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Teilchengröße (D50- Wert) bei weniger als 0,8 μm, vorzugsweise bei weniger als 0,7 μm, insbesondere bei weniger als 0,6 μm, besonders bevorzugt bei weniger als 0,5 μm liegt.
29. LiMP0 gemäß Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass der DIO-Wert der Teilchen bei weniger als 0,4 μm, vorzugsweise bei weniger als 0,35 μm liegt, und weiter bevorzugt der D90-Wert bei weniger als 3,0 μm, insbesondere bei weniger als 2,5 μm, am meisten bevorzugt bei weniger als 2,0 μm liegt.
30. LiMP04 gemäß einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen dem D90-Wert und dem DIO-Wert der Teilchen nicht mehr als 2 um, vorzugsweise nicht mehr als 1,5 um, insbesondere nicht mehr als 1 μm, besonders bevorzugt nicht mehr als 0, 5 μm beträgt.
31. L1MPO4 gemäß einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass dass die BET-Oberflache mehr als 3,5 m2/g, insbesondere mehr als 4 m2/g, besonders bevorzugt mehr als 5 m2/g, weiter bevorzugt mehr als 10 m2/g, am meisten bevorzugt mehr als 15 m2/g beträgt.
32. Zusammensetzung, insbesondere Elektrodenmaterial, enthaltend LiMP04 gemäß einem der Ansprüche 27 bis 31.
33. Zusammensetzung nach Anspruch 32, weiterhin enthaltend mindestens einer weiteren Komponente, insbesondere eine kohlenstoffhaltige oder elektronenleitfähige Substanz oder den Vorläufer einer elektronenleitfähigen Substanz, besonders bevorzugt Kohle, Leitkohle oder Kohlefasern.
34. Sekundäre Batterie, enthaltend eine Zusammensetzung, insbesondere ein Elektrodenmaterial nach Anspruch 32 oder 33.
35. Verwendung von LiMP0 gemäß einem der Ansprüche 27 bis 31 als Elektrodenmaterial.
36.. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Hydrothermalbehandlung das LiMP04 abgetrennt wird, insbesondere durch Filtration und/oder Zentrifugation, gegebenenfalls getrocknet und gegebenenfalls deagglomeriert wird.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Hydrothermalbehandlurig erhaltene LiMP0 in einem Pyrolyse-Verfahren, bei dem mindestens ein Kohlenstoff-Vorläufermaterial, vorzugsweise ein Kohlenhydrat wie Zucker oder Cellulose und besonders bevorzugt Lactose, mit dem LiMP04 vermengt wird, z. B. durch Verkneten, wobei Wasser als Hilfsmittel zugegeben werden kann .
38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoff-Vorläufermaterial dem nach der Hydrothermalsynthese durch Abtrennung erhaltenen feuchten LiMP04- Filterkuchen zugegeben wird, die Mischung aus LiMP04 und Kohlenstoff-Vorläufermaterial getrocknet und auf eine Temperatur zwischen 500°C und 1000°C, bevorzugt zwischen 700 °C und 800 °C erhitzt wird, wobei das Kohlenstoff- Vorläufermaterial zu Kohle pyrolysiert wird.
39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Pyrolyse eine Mahl- oder Deagglomerationsbe- handlung anschließt.
40. Verfahren nach Anspruch 38 oder 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung vorzugsweise an Schutzgas, an Luft oder im Vakuum bei Temperaturen von vorzugsweise 50°C bis 200°C erfolgt, und die Pyrolyse unter Schutzgas durchgeführt wird.
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