WO2016097516A1 - Accumulateur au lithium et son procede de preparation - Google Patents

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Jean-Frédéric Martin
Hugo MAUCHAMP
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a lithium battery whose positive electrode comprises carbon black having previously undergone acid treatment.
  • This type of accumulator is particularly adapted to operate at a potential greater than 4.5 volts.
  • Lithium batteries typically include the following stack:
  • an electrode separator comprising an electrolyte
  • accumulators operate by insertion and de-insertion of lithium ions between the electrode materials. Lithium ions pass from one electrode to another via the electrolyte which, on the other hand, does not allow the conduction of electrons. The electrons are routed to an external circuit by means of current collectors associated with the electrodes.
  • the electrodes In order to optimize the conduction of electrons, the electrodes also include conductive additives such as carbon black. However, these additives promote the degradation of the electrolyte when the battery is used at a high potential, for example above 4.5 volts. Li.
  • the present invention solves this problem, thanks to the use of specific carbon black which drastically reduces high potential degradation phenomena.
  • the Applicant has developed a lithium accumulator implementing a conductive additive allowing its use at high potential without reducing its life.
  • This conductive additive arise directly from a pretreatment in an acidic solution.
  • the present invention relates to a method for preparing a lithium battery comprising the following steps:
  • a positive electrode ink comprising carbon black, a polymeric binder and a lithiated positive electrode active material
  • this positive electrode ink depositing on a first current collector; preparing a negative electrode ink comprising an active material, preferably lithiated, negative electrode and a polymeric binder;
  • this negative electrode ink depositing this negative electrode ink on a second current collector; forming a stack successively comprising the positive electrode, an electrode separator, and the negative electrode;
  • the carbon black of the positive electrode is obtained beforehand by:
  • the first and second current collectors are of course in contact with the face of the electrode opposite to the electrode separator.
  • the invention also relates to the lithium battery resulting from this process.
  • it is a lithium ion battery. It is not a lithium-air accumulator.
  • the positive electrode comprises at least:
  • a positive electrode active material 75 to 98% by weight of a positive electrode active material, preferably 85 to 98% by weight, based on the weight of the electrode;
  • the carbon black of the positive electrode has properties resulting from the acid treatment.
  • This acid treatment modifies the surface of the carbon black, in particular by increasing the number of surface oxygen atoms and the acidification of these groups.
  • the carbon black is advantageously treated by immersion in an aqueous solution comprising an acid chosen from the group comprising nitric acid HNO 3 , sulfuric acid H 2 SO 4 , hydrochloric acid HCl, hydrobromic acid HBr, and hydrofluoric acid HF.
  • the acid is nitric acid.
  • the pH of the acid solution is advantageously less than 4, more preferably less than 2. According to a particular embodiment, 1 to 200 grams of carbon black are immersed in the acid solution per liter of acid solution, more preferably 10 to 100 grams. During the treatment, the pH is maintained between the values indicated above.
  • the duration of the acid treatment of the carbon black is advantageously between 12 and 48 hours, more advantageously between 24 and 36 hours.
  • the temperature of the acid treatment of the carbon black is advantageously between 0 and 40 ° C., more advantageously between 20 and 30 ° C.
  • the carbon black Once the carbon black has been treated with an acid solution, it is separated from the acid solution, advantageously by filtration. The acid-treated carbon black is then rinsed and dried.
  • the rinsing is advantageously carried out with deionized water. Drying can be carried out at a temperature between 80 and 200 ° C. It can especially be carried out under vacuum or in an oven.
  • the acid treatment of the carbon black may comprise the following steps:
  • this acid solution preferably a nitric acid solution
  • the carbon black before or after the acid treatment, is advantageously in the form of a powder.
  • Its specific surface area BET, Brunauer-Emmett-Teller) is advantageously between 10 and 800 m 2 / g, and even more advantageously between 20 and 100 m 2 / g.
  • the positive electrode also comprises an active material. It is a lithiated material, that is to say a material comprising lithium. It can in particular be chosen from the group comprising LMNO ; L1COPO4; Li P0 4 ; Li 3 V 2 (PO 4 ) 3; Li 2 CoP 2 O 7 ; Li 2 MnP 2 O 7 ; Li 2 CoPO 4 F; Li 2 NiPO 4 F; LiCoS0 4 F; LiNiSO 4 F; LiCuS0 4 F; LiCoOSO 4 ; Li OS0 4 ; Li 2 NiSiO 4 ; LiNi 0.5Mn 1.5 O 4; LiCr y Mn 2 _ y 0 4 with y between 0.5 and 1 inclusive; LiCo y Mn 2 _ y 0 4 with y between 0.5 and 1 inclusive; LiFe 0.5 Mn 1.5 O 4; LiCuo.5Mn1.5O4; and L1NIVO4.
  • the electrode separator makes it possible to ensure the reversible passage of the lithium ions between the positive electrode and the negative electrode.
  • the separator may in particular be a material chosen from the group comprising polyolefins, in particular polyethylene or polypropylene; PVDF; and POE (poly (oxyethylene)). It may be a non-woven polypropylene for example.
  • the separator is electronic insulator but ionic conductor thanks to its electrolyte.
  • the separator comprises an electrolyte which is generally a composition containing a lithium salt.
  • the electrolyte may in particular be a composition comprising: a lithium salt which may be chosen from the group comprising in particular
  • a solvent which may be selected from the group consisting of carbonates such as ethylene carbonate, methyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, propylene carbonate, and mixtures thereof; nitriles; esters, ethers; and sulfones.
  • the electrolyte may also include an additive such as VC (vinylenecarbonate) or FEC (fluoroethylenecarbonate)
  • the negative electrode comprises at least one active material. It is a preferably lithiated material, that is to say a material comprising lithium. It may especially be chosen from the group comprising LTO (Li.iTi 5 0 12 ); silicon; graphite carbon; and tin.
  • the negative electrode may also comprise at least one additive that may be selected from the group comprising: carbon black, carbon fiber, graphene, and NTC (carbon nanotubes). It can include carbon black. In this case, the carbon black is not necessarily treated with an acidic solution such as that of the positive electrode.
  • the positive and negative electrodes are made according to the conventional techniques forming part of the knowledge of those skilled in the art. They can in particular be made by depositing on a current collector by inkjet printing or coating, for example.
  • the electrode inks used generally comprise at least:
  • the binder of the electrodes may in particular be chosen from the group comprising: PVDF (polyvinylidene fluoride), CMC (carboxymethylcellulose), Latex-SBR (styrene-butadiene SBR), and polyacrylic acid (styrene-butadiene rubber) .
  • the solvent of the electrode inks may especially be chosen from the group comprising: water, NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), acetone, DMSO (dimethylsulfoxide), MEK (methyl ethyl ketone).
  • the electronic conductive additive can be chosen especially from the group comprising carbon black, carbon fiber, graphene, and NTC (carbon nanotubes).
  • the inks of the positive and negative electrodes do not necessarily include the same binders, solvents and conductive additives.
  • the accumulator according to the invention differs from those of the prior art in that the positive electrode comprises a specific conductive additive.
  • the properties of this additive, acid-treated carbon black result directly from its acidic treatment process. Without making any hypothesis, the Applicant considers that this acid treatment makes it possible to modify the surface functions of the carbon black with the consequence of modifying:
  • the accumulator according to the present invention is particularly adapted to operate at a potential greater than 4.5 V with respect to the potential of the Li / Li + pair, more advantageously between 4.8 and 5.5.
  • the invention also relates to the use (or method of operation) of this accumulator at such a potential.
  • Figure 1 illustrates the thermal analysis curves of the carbon black according to the invention and according to a counterexample, showing the loss of CO.
  • FIG. 2 illustrates the thermal analysis curves of the carbon black according to the invention and according to a counterexample, showing the loss of CO 2 .
  • FIG. 3 illustrates the cyclic voltammetry curves (tenth cycle) between 3.5 V and 5 V for carbon black according to the invention and according to a counterexample.
  • FIG. 4 illustrates the specific discharge capacity, as a function of the number of cycles, of a battery comprising an electrode based on LMNO and carbon black according to the invention and according to a counterexample.
  • FIG. 5 illustrates the coulombic efficiency, as a function of the number of cycles, of a cell comprising an electrode based on LMNO and carbon black according to the invention and according to a counterexample.
  • This mixture (carbon black / acid solution) is kept under mechanical stirring for 8 hours and then allowed to stand for 24 hours, all at room temperature.
  • the carbon black is filtered on a Buchner-type filter and rinsed with the de-ionized water until the filtrate is stabilized.
  • the carbon black is then dried under vacuum at 110 ° C for at least 10 hours.
  • the PZC (zero energy point) calculated according to the conventional titration techniques is equal to 6 for the untreated carbon black while it is equal to 10 for the carbon black treated with the nitric acid solution.
  • the increase in PZC after the acid treatment corresponds to a greater presence of acid sites on the surface of the carbon black.
  • PZC is obtained by conventional techniques, by mass titration.
  • Thermogravimetric analysis coupled with mass spectrometry shows a greater presence of carbonyl groups (CO) from 700 ° K for the acid-treated carbon black according to the invention (C-INV) relative to the untreated carbon black (C-CE) ( Figure 1). In general, this corresponds to a relative increase in ether, carbonyl and / or quinone surface groups.
  • Figure 2 shows the increase in C0 2 starting between 400 ° K and 700 ° K (right) related to the increased presence of carboxyl groups on the surface.
  • the acid-treated carbon black has a greater amount of oxygenated surface function and acidification of these groups, relative to the untreated carbon black.
  • the EC, EMC and DMC components of the electrolyte correspond respectively to ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and ethylmethyl carbonate.
  • LMNO LiNi 4Mni, 6 0 4
  • Latex emulsion in styrene-butadiene water SBR (styrene butadiene rubber)
  • PVdF polyvinylidene fluoride
  • the electrodes of the button cells according to Examples 1 and 2 were prepared according to the following steps:
  • NMP N-methyl-2-pyrrolidone
  • the batteries according to Examples 1 and 2 were mounted in order to achieve symmetrical impedances ( Figures 1-2 and Table 2). The difference in mass of the electrodes between these two examples is less than 10% by weight.
  • the acid treatment hardly modifies the transfer resistance R2 and the double layer capacity Cd1. On the other hand, it modifies the pseudo capacitance Q and the factor n.
  • the reduction in n-factor after acid treatment corresponds to a decrease in surface homogeneity. In other words, the acid treatment does not change the surface of the carbon black continuously, which may be due to the natural asperities and hydrophobicity of the carbon black.
  • the increase in pseudo capacitance corresponds to a greater number of oxygen functions at the surface of the carbon black.
  • Table 2 The data in Table 2 are either measured or modeled variables from the electrochemical impedance results.
  • the RI electrolyte resistance is not useful for this experiment. It is identical in both cases.
  • Figure 3 shows that the oxidation current for Example 3 (INV) begins to drop from the reference to around 4.8V and the difference reaches 20% at 4.9V and about 15% at 5V. This proves that the acid treatment inhibited some of the oxidation reactions occurring at very high potentials (> 4.8V). Impact when using acid-treated carbon black as a conductive additive in a lithium battery
  • the battery electrodes according to Examples 5 and 6 were prepared by coating an aluminum foil with a mixture containing the components of Table 1 in NMP.
  • the potential of the LTO material platter is 1.55V.
  • the N / P balancing (corresponding to the ratio of the negative electrode capacitances on the positive electrode) of the mounted cells has been set to 1.3 in order to ensure that, during charging, the positive electrode reaches the cutoff potential.
  • the positive electrode can go up to 5V.
  • Fig. 4 corresponds to the specific discharge capacity for cycling of 15 cycles by gradually increasing the breaking potential every 5 cycles.
  • FIG. 5 corresponds to coulombic efficiency as a function of the number of cycles (for reasons of reproducibility, two series of tests were carried out for Examples 5 and 5). 6 of Figure 5).
  • the coulombic efficiency is almost identical for the carbon black according to the invention and for the untreated acid carbon black during the cycling up to 4.25V. It drops drastically in the case of untreated carbon black (Example 5) when changing to 4.35V then to 4.45V to stabilize below 98%.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de préparation d'un accumulateur au lithium selon les étapes suivantes: -préparation d'une encre d'électrode positive comprenant du noir de carbone, un liant polymère et un matériau actif lithié d'électrode positive; -dépôt de cette encre d'électrode positive sur un premier collecteur de courant; -préparation d'une encre d'électrode négative comprenant un matériau actif d'électrode négative et un liant polymère; -dépôt de cette encre d'électrode négative sur un deuxième collecteur de courant; -formation d'un empilement comprenant successivement l'électrode positive, un séparateur d'électrodes, et l'électrode négative; -introduction d'un électrolyte dans le séparateur d'électrodes; -obtention de l'accumulateur au lithium; caractérisé en ce que le noir de carbone de l'électrode positive est préalablement obtenu par: -traitement acide du noir de carbone; -rinçage du noir de carbone traité acide avec de l'eau; -séchage du noir de carbone traité acide. L'invention concerne également l'accumulateur au lithium obtenu par ce procédé et son utilisation à un potentiel supérieur à 4,5 V par rapport au potentiel du couple Li/Li+.

Description

ACCUMULATEUR AU LITHIUM ET SON PROCÈDE DE PRÉPARATION
DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un accumulateur au lithium dont l'électrode positive comprend du noir de carbone ayant préalablement subi un traitement acide. Ce type d'accumulateur est particulièrement adapté pour fonctionner à un potentiel supérieur à 4,5 volts. ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE
Les accumulateurs au lithium comprennent généralement l'empilement suivant :
une électrode positive ;
un séparateur d'électrodes comprenant un électrolyte ;
- une électrode négative.
Ces accumulateurs fonctionnent par insertion et désinsertion d'ions lithium entre les matériaux d'électrodes. Les ions lithium passent d'une électrode à l'autre via l'électrolyte qui, en revanche, ne permet pas la conduction d'électrons. Les électrons sont acheminés vers un circuit externe au moyen de collecteurs de courant associés aux électrodes.
Afin d'optimiser la conduction des électrons, les électrodes comprennent également des additifs conducteurs tels que le noir de carbone. Cependant, ces additifs favorisent la dégradation de l'électrolyte lorsque l'accumulateur est utilisé à un potentiel élevé, par exemple au-delà de 4,5 volts vs. Li.
Dans ces conditions d'utilisation, Zhang et al (Journal of Power Sources, 2013, 227) ont notamment mis en évidence :
- la détérioration de la réversibilité de la capacité résultant de la décomposition de l'électrolyte (LiPF6) et l'intercalation d'ions PF6 " ;
la dégradation de la stabilité en cyclage.
Par ailleurs, Zhang et al (Journal of Power Sources, 2013, 227) ont également observé que l'augmentation du nombre d'atomes d'oxygène à la surface du carbone (en l'espèce du graphène) diminue ses performances. Afin d'améliorer les performances des matériaux conducteurs régulièrement utilisés dans les électrodes, des traitements thermiques sous gaz inerte ont été mis au point (US 2005/0063893). Quoi qu'il en soit, il existe toujours un besoin d'améliorer les propriétés et la stabilité des conducteurs électroniques utilisés dans les accumulateurs, notamment pour un potentiel de fonctionnement élevé.
La présente invention permet de résoudre ce problème, grâce à l'utilisation de noir de carbone spécifique qui diminue drastiquement les phénomènes de dégradation à potentiel élevé.
EXPOSE DE L'INVENTION Le Demandeur a développé un accumulateur au lithium mettant en œuvre un additif conducteur permettant son utilisation à potentiel élevé sans diminuer sa durée de vie.
Les propriétés de cet additif conducteur découlent directement d'un traitement préalable dans une solution acide.
Plus précisément, la présente invention concerne un procédé de préparation d'un accumulateur au lithium comprenant les étapes suivantes :
préparation d'une encre d'électrode positive comprenant du noir de carbone, un liant polymère et un matériau actif lithié d'électrode positive ;
- dépôt de cette encre d'électrode positive sur un premier collecteur de courant ; préparation d'une encre d'électrode négative comprenant un matériau actif, de préférence lithié, d'électrode négative et un liant polymère ;
dépôt de cette encre d'électrode négative sur un deuxième collecteur de courant ; formation d'un empilement comprenant successivement l'électrode positive, un séparateur d'électrodes, et l'électrode négative ;
introduction d'un électrolyte dans le séparateur d'électrodes ;
obtention de l'accumulateur au lithium.
Selon l'invention, le noir de carbone de l'électrode positive est préalablement obtenu par :
optionnellement lavage du noir de carbone avec de l'eau ;
traitement acide du noir de carbone optionnellement lavé ; rinçage du noir de carbone traité acide avec de l'eau, avantageusement de l'eau dé-ionisée ;
séchage du noir de carbone traité acide. Dans cet accumulateur, les premier et deuxième collecteurs de courant sont bien entendu en contact avec la face de l'électrode opposée au séparateur d'électrodes.
L'invention concerne également l'accumulateur au lithium résultant de ce procédé. De manière avantageuse, il s'agit d'un accumulateur au lithium ion. Il ne s'agit pas d'un accumulateur lithium-air.
De manière générale, l'électrode positive comprend au moins :
75 à 98 % en poids d'un matériau actif d'électrode positive, avantageusement 85 à 98 % en poids, par rapport au poids de l'électrode ; et
au moins 1 à 15 % en poids de noir de carbone traité acide, avantageusement 1 à 5 % en poids, par rapport au poids de l'électrode.
Le noir de carbone de l'électrode positive présente des propriétés résultant du traitement acide.
Ce traitement acide modifie la surface du noir de carbone en augmentant notamment le nombre d'atomes d'oxygène en surface et l'acidification de ces groupes. Le noir de carbone est avantageusement traité par immersion dans une solution aqueuse comprenant un acide choisi dans le groupe comprenant l'acide nitrique HNO3, l'acide sulfurique H2SO4, l'acide chlor hydrique HC1, l'acide bromhydrique HBr, et l'acide fluorhydrique HF. De manière avantageuse, l'acide est l'acide nitrique.
Le pH de la solution acide est avantageusement inférieur à 4, plus avantageusement inférieur à 2. Selon un mode de réalisation particulier, 1 à 200 grammes de noir de carbone sont immergés dans la solution acide par litre de solution acide, plus avantageusement 10 à 100 grammes. Durant le traitement, le pH est maintenu entre les valeurs indiquées ci-dessus.
La durée du traitement acide du noir de carbone est avantageusement comprise entre 12 et 48 heures, plus avantageusement entre 24 et 36 heures.
La température du traitement acide du noir de carbone est avantageusement comprise entre 0 et 40 °C, plus avantageusement entre 20 et 30 °C.
Une fois le noir de carbone traité avec une solution acide, il est séparé de la solution acide, avantageusement par filtration. Le noir de carbone traité acide est ensuite rincé puis séché.
Comme déjà indiqué, le rinçage est avantageusement réalisé avec de l'eau dé-ionisée. Le séchage peut être réalisé à une température comprise entre 80 et 200 °C. Il peut notamment être réalisé sous vide ou dans une étuve.
Selon un mode de réalisation particulier, le traitement acide du noir de carbone peut comprendre les étapes suivantes :
- préparer une solution acide telle que décrite ci-dessus ;
placer du noir de carbone dans cette solution acide, avantageusement une solution d'acide nitrique ;
maintenir le noir de carbone dans la solution acide sous agitation mécanique pendant une durée comprise entre 5 et 10 heures, et à une température avantageusement comprise entre 0 et 40 °C ;
optionnellement, laisser le noir de carbone dans la solution acide sans agitation mécanique pendant une durée comprise entre 12 et 48 heures, et à une température avantageusement comprise entre 0 et 40 °C ;
filtrer le noir de carbone ;
- rincer le noir de carbone, préférentiellement avec de l'eau pouvant être déionisée ;
sécher le noir de carbone. Le noir de carbone, avant ou après le traitement acide, se présente avantageusement sous la forme d'une poudre. Sa surface spécifique (BET, Brunauer-Emmett-Teller) est avantageusement comprise entre 10 et 800 m2/g, et encore plus avantageusement entre 20 et 100 m2/g.
Comme déjà indiqué, l'électrode positive comprend également un matériau actif. Il s'agit d'un matériau lithié, c'est-à-dire un matériau comprenant du lithium. Il peut notamment être choisi dans le groupe comprenant LMNO
Figure imgf000007_0001
; L1C0PO4 ; Li P04 ; Li3V2(P04)3 ; Li2CoP207 ; Li2MnP207 ; Li2CoP04F ; Li2NiP04F ; LiCoS04F ; LiNiS04F ; LiCuS04F ; LiCoOS04 ; Li OS04 ; Li2NiSi04 ; LiNio.5Mn1.5O4 ; LiCryMn2_y04 avec y compris entre 0.5 et 1 inclus ; LiCoyMn2_y04 avec y compris entre 0.5 et 1 inclus ; LiFeo.5Mn1.5O4 ; LiCuo.5Mn1.5O4 ; et L1NÎVO4.
Le séparateur d'électrodes permet d'assurer le passage réversible des ions lithium entre l'électrode positive et l'électrode négative.
Il s'agit généralement d'un séparateur d'électrodes imbibé d'électrolyte.
Le séparateur peut notamment être en un matériau choisi dans le groupe comprenant les polyoléfïnes, notamment polyéthylène ou polypropylène ; PVDF ; et POE (poly(oxyéthylène)). Il peut s'agir d'un non-tissé en polypropylène par exemple.
Le séparateur est isolant électronique mais conducteur ionique grâce à son électrolyte. Le séparateur comprend un électrolyte qui est généralement une composition contenant un sel de lithium. L' électrolyte peut notamment être une composition comprenant : un sel de lithium pouvant être choisi dans le groupe comprenant notamment
LiPF6 ; L1CIO4 ; LiAsF6 ; LiBF4 ; LiTFSI ; LiBETI ; et LiBOB ;
un solvant pouvant être choisi dans le groupe comprenant les carbonates tels que éthylène carbonate, méthyl carbonate, éthylméthyl carbonate, diméthylcarbonate, diéthylecarbonate, propylènecarbonate, et leurs mélanges ; les nitriles ; les esters, les ethers ; et les sulfones.
L'eletrolyte peut également comprendre un additif comme le VC (vinylènecarbonate) ou le FEC (fluoroéthylènecarbonate) De manière générale, l'électrode négative comprend au moins un matériau actif. Il s'agit d'un matériau de préférence lithié, c'est-à-dire un matériau comprenant du lithium. Il peut notamment être choisi dans le groupe comprenant LTO (Li.iTi5012) ; silicium ; carbone graphite ; et étain.
L'électrode négative peut également comprendre au moins un additif pouvant être choisi dans le groupe comprenant : noir de carbone, fibre de carbone, graphène, et NTC (nanotubes de carbone). Elle peut comprendre du noir de carbone. Dans ce cas, le noir de carbone n'est pas nécessairement traité avec une solution acide comme celui de l'électrode positive.
Les électrodes positive et négative sont réalisées selon les techniques conventionnelles faisant partie des connaissances de l'homme du métier. Elles peuvent notamment être réalisées par dépôt sur un collecteur de courant par impression jet d'encre ou par enduction par exemple.
Les encres d'électrode mises en œuvre comprennent généralement au moins :
un matériau actif d'électrode ;
- un liant ;
un solvant ;
un additif conducteur électronique, en l'occurrence le noir de carbone traité acide pour l'électrode positive. Le liant des électrodes peut notamment être choisi dans le groupe comprenant : PVDF (polyfluorure de vinylidène), CMC (carboxyméthylcellulose), Latex-SBR (styrène- butadiène SBR de l'acronyme anglo-saxon « styrène butadiene rubber »), et acide polyacrylique. Le solvant des encres d'électrodes peut notamment être choisi dans le groupe comprenant : eau, NMP (N-méthyl-2-pyrrolidone), acétone, DMSO (diméthylsulfoxyde), MEK (Méthyl éthyl cétone).
L'additif conducteur électronique peut notamment être choisi dans le groupe comprenant noir de carbone, fibre de carbone, graphène, et NTC (nanotubes de carbone). Outre le matériau actif d'électrode et le noir de carbone traité acide, les encres des électrodes positive et négative ne comprennent pas nécessairement les mêmes liants, solvants et additifs conducteurs. L'accumulateur selon l'invention se distingue de ceux de l'art antérieur en ce que l'électrode positive comprend un additif conducteur spécifique. Comme déjà indiqué, les propriétés de cet additif, noir de carbone traité acide, résultent directement de son procédé de traitement acide. Sans émettre une quelconque hypothèse, le Demandeur considère que ce traitement acide permet de modifier les fonctions de surface du noir de carbone avec pour conséquence la modification de :
la capacitance de double couche, ce qui pourrait être un obstacle pour les molécules susceptibles d'être oxydées ;
- l'interaction du noir de carbone et des ions métalliques ;
du noir de carbone par élimination d'impuretés.
L'accumulateur selon la présente invention est particulièrement adapté pour fonctionner à un potentiel supérieur à 4,5 V par rapport au potentiel du couple Li/Li+, plus avantageusement compris entre 4,8 et 5,5.
Ainsi, l'invention concerne également l'utilisation (ou le procédé de fonctionnement) de cet accumulateur à un tel potentiel. DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des figures et exemples suivants donnés afin d'illustrer l'invention et non de manière limitative.
La figure 1 illustre les courbes d'analyse thermique du noir de carbone selon l'invention et selon un contre-exemple, montrant la perte de CO.
La figure 2 illustre les courbes d'analyse thermique du noir de carbone selon l'invention et selon un contre-exemple, montrant la perte de C02.
La figure 3 illustre les courbes de voltamétrie cyclique (dixième cycle) entre 3.5V et 5V pour du noir de carbone selon l'invention et selon un contre-exemple.
La figure 4 illustre la capacité spécifique de décharge, en fonction du nombre de cycles, d'une pile comprenant une électrode à base de LMNO et de noir de carbone selon l'invention et selon un contre-exemple. La figure 5 illustre l'efficacité coulombique, en fonction du nombre de cycles, d'une pile comprenant une électrode à base de LMNO et de noir de carbone selon l'invention et selon un contre-exemple. EXEMPLES DE REALISATION DE L' INVENTION
Traitement acide du noir de carbone (C-LNV)
8 grammes de noir de carbone (Super P) sont lavés avec 3 litres d'eau dé-ionisée sur un filtre de type Bûchner. Le noir de carbone est ensuite plongé dans une solution acide (2M, HN03) avec un ratio de 10 mL de solution acide par gramme de noir de carbone.
Ce mélange (noir de carbone/solution acide) est maintenu sous agitation mécanique pendant 8 heures puis laissé au repos pendant 24 heures, le tout à la température ambiante.
A l'issue de ce traitement acide, le noir de carbone est filtré sur un filtre de type Bûchner et rincé avec l'eau de-ionisée jusqu'à stabilisation du filtrat.
Le noir de carbone est ensuite séché sous vide à 110°C pendant au moins 10 heures.
Caractérisation du noir de carbone traité acide (C-INV) Le traitement acide ne modifie pas fondamentalement la surface spécifique du noir de carbone (63.6 m2/g contre 61.3 m2/g avant traitement).
Le PZC (point d'énergie zéro) calculé selon les techniques conventionnelles de titration est égal à 6 pour le noir de carbone non traité alors qu'il est égal à 10 pour le noir de carbone traité avec la solution d'acide nitrique. L'augmentation du PZC après le traitement acide correspond à une présence plus importante de sites acides en surface du noir de carbone.
Le PZC est obtenue par les techniques conventionnelles, par titration de masse.
L'analyse thermogravimétrique couplée à la spectrométrie de masse (ATG-MS) montre une présence plus importante de groupes carbonyles (CO) à partir de 700°K pour le noir de carbone traité acide selon l'invention (C-INV) par rapport au noir de carbone non traité (C-CE) (figure 1). En général, cela correspond à une augmentation relative des groupes de surface éthers, carbonyles et/ou quinones. La figure 2 montre l'augmentation du départ de C02 entre 400°K et 700°K (à droite) liée à la présence accrue de groupe carboxyles en surface.
L'analyse par EDX (spectroscopie d'analyse dispersive en énergie) montre l'augmentation du taux d'oxygène sur le noir de carbone, de 1.43% à 3.18% après traitement acide .
En résumé, le noir de carbone traité acide présente une quantité plus importante de fonction oxygénée en surface et une acidification de ces groupements, par rapport au noir de carbone non traité. Préparation de piles boutons - Impact du traitement acide sur Γ électrochimie à potentiel élevé
Pour apprécier l'effet du traitement acide sur le noir de carbone, six piles bouton (exemples 1-6) ont été préparées.
Electrode positive Electrode négative
Exemples Séparateur
(% en poids) (% en poids)
1-INV Super P-A (50) Super P-A (50)
S
(figures 1 et 2) PVdF (50) PVdF (50)
2-CE Super P (50) Super P (50)
S
(figures 1 et 2) PVdF (50) PVdF (50)
3-INV Super P-A (50)
S lithium métal (100) (figure 3) PVdF (50)
4-CE Super P (50)
S lithium métal (100) (figure 3) PVdF (50)
LTO (89)
LMNO (80)
5-INV Super P (5)
Super P-A (10) S
(figures 4 et 5) CMC (2)
PVdF (10)
latex (4)
LTO (89)
LMNO (80)
6-CE Super P (5)
Super P (10) S
(figures 4 et 5) CMC (2)
PVdF (10)
latex (4) Tableau 1 : Composition des piles bouton selon les exemples 1-6
INV = exemple selon l'invention
CE = contre-exemple
S = deux membranes poreuses en polypropylène (Celgard 2400) imbibées d'une solution électrolytique (1M LiPF6 dans un mélange EC:EMC:DMC 1/1/1 vol).
Les composants EC, EMC et DMC de l'électrolyte correspondent respectivement à Péthylène carbonate, le diméthyl carbonate, et l'éthylméthyl carbonate.
LMNO = LiNio,4Mni,604
Figure imgf000012_0001
CMC = carboxyméthylcellulose
Latex = émulsion dans l'eau de styrène-butadiène SBR (de l'acronyme anglo-saxon « styrène butadiene rubber »)
PVdF = polyfluorure de vinylidène
Super P-A = noir de carbone ayant subi un traitement acide selon l'invention
Super P = noir de carbone conventionnel
Les électrodes des piles bouton selon les exemples 1 et 2 ont été préparées selon les étapes suivantes :
préparation d'un mélange de noir de carbone traité acide ou non et de PVdF dans la N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP). Le noir de carbone (lg) est d'abord mélangé à 8.33g d'une solution à 12% en poids de PVdF dans la NMP. Afin d'obtenir une viscosité satisfaisante, 15g de NMP sont rajoutés à l'encre ;
- enduction (hauteur humide de 150μιη) de ce mélange sur une feuille d'aluminium ;
séchage de l'enduction ;
obtention de l'électrode qui n'est pas calandrée ultérieurement. Les piles selon les exemples 1 et 2 ont été montées afin de réaliser des impédances symétriques (figures 1-2 et tableau 2). La différence de masse des électrodes entre ces deux exemples est inférieure à 10% en poids.
Comme le montre le tableau 2, le traitement acide ne modifie pratiquement pas la résistance de transfert R2 et la capacité de double couche Cdl. En revanche, il modifie la pseudo capacitance Q et le facteur n. La diminution du facteur n après traitement acide correspond à une baisse d'homogénéité de surface. En d'autres termes, le traitement acide ne modifie par la surface du noir de carbone de manière continue, ce qui peut être dû aux aspérités et à l'hydrophobicité naturelles du noir de carbone.
L'augmentation de la pseudo capacitance correspond à un plus grand nombre de fonctions oxygénées en surface du noir de carbone.
Figure imgf000013_0002
Tableau 2 : Résistance de transfert R2, pseudo capacitance Q, facteur n et capacité de double couche Cdl de noir de carbone traité selon l'invention ou non
Les données du tableau 2 sont soit mesurées soit des variables obtenues par modélisation à partir des résultats d'impédance électrochimique.
La capacité de double couche Cdi est calculée à partir de la formule Cdi= R2(1"
Figure imgf000013_0001
γΆ vaieur de Cdi étant rapportée à la surface d'électrode.
En outre, la résistance d'électrolyte RI n'est pas utile à cette expérience. Elle est identique dans les deux cas.
Afin de tester la tenue en potentiel du noir de carbone traité acide selon l'invention, des voltamétries cycliques ont été effectuées sur les électrodes positives des exemples 3 et 4 vs. Li métal entre 3.5V et 5V à O.lmV/s.
La figure 3 montre que le courant d'oxydation pour l'exemple 3 (INV) commence à décrocher de la référence aux alentours de 4,8V et la différence atteint 20% à 4,9V et 15% environ à 5V. Ceci prouve que le traitement acide a inhibé une partie des réactions d'oxydation apparaissant au très hauts potentiels (>4.8V). Impact lors de l'utilisation du noir de carbone traité acide en tant qu'additif conducteur dans un accumulateur au lithium
Les électrodes selon des piles selon les exemples 5 et 6 ont été préparées par enduction sur une feuille en aluminium d'un mélange contenant les composants du tableau 1 dans de la NMP.
Le potentiel du plateau du matériau LTO est à 1,55V. L'équilibrage N/P (correspondant au rapport des capacités de l'électrode négative sur l'électrode positive) des piles montées a été fixé à 1,3 afin de garantir que, lors de la charge, ce soit l'électrode positive qui atteigne le potentiel de coupure. Ainsi, lors d'une charge à 3,45V vs. LTO, l'électrode positive peut monter à 5V. La figure 4 correspond à la capacité spécifique en décharge, pour un cyclage de 15 cycles en augmentant graduellement le potentiel de coupure tous les 5 cycles. On peut observer que le passage d'une coupure de 3,25V à 3,45V vs. LTO permet de gagner un peu plus de 5% de capacité de décharge pour la pile. La différence entre un super P traité et un non-traité n'est pas significative.
En revanche, l'effet lié au traitement acide apparaît plus nettement sur la figure 5 qui correspond à l'efficacité coulombique en fonction du nombre de cycles (pour des raisons de reproductibilité, deux séries d'essais ont été réalisées pour les exemples 5 et 6 de la figure 5).
L'efficacité coulombique est quasi identique pour le noir de carbone selon l'invention et pour le noir de carbone non traité acide lors du cyclage jusqu'à 4,25V. Elle chute drastiquement dans le cas du noir de carbone non traité (exemple 5) lors du passage à 4,35V puis à 4,45V pour se stabiliser en dessous de 98%.
Pour le noir de carbone traité acide (exemple 6), l'efficacité coulombique est peu affectée par l'augmentation du potentiel et termine à 99%. Ces exemples confirment que le traitement à l'acide du noir de carbone avant son utilisation dans une électrode permet de limiter les dégradations d'électrolyte lorsque le potentiel dépasse 4,8V.

Claims

REVENDICATIONS
Procédé de préparation d'un accumulateur au lithium comprenant les étapes suivantes :
préparation d'une encre d'électrode positive comprenant du noir de carbone, un liant polymère et un matériau actif lithié d'électrode positive ; dépôt de cette encre d'électrode positive sur un premier collecteur de courant ;
préparation d'une encre d'électrode négative comprenant un matériau actif d'électrode négative et un liant polymère ;
dépôt de cette encre d'électrode négative sur un deuxième collecteur de courant ;
formation d'un empilement comprenant successivement l'électrode positive, un séparateur d'électrodes, et l'électrode négative ;
introduction d'un électrolyte dans le séparateur d'électrodes ;
obtention de l'accumulateur au lithium ;
caractérisé en ce que le noir de carbone de l'électrode positive est préalablement obtenu par :
traitement acide du noir de carbone ;
rinçage du noir de carbone traité acide avec de l'eau ;
séchage du noir de carbone traité acide.
Procédé de préparation d'un accumulateur au lithium selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement acide consiste à immerger le noir de carbone dans une solution aqueuse comprenant un acide choisi dans le groupe comprenant l'acide nitrique, l'acide sulfurique, l'acide chlorhydrique, l'acide bromhydrique, et l'acide fluorhydrique.
Procédé de préparation d'un accumulateur au lithium selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le traitement acide est réalisé pendant une durée comprise entre 12 et 48 heures.
4. Procédé de préparation d'un accumulateur au lithium selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le traitement acide est réalisé à une température comprise entre 0 et 40°C. Procédé de préparation d'un accumulateur au lithium selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le traitement acide du noir de carbone comprend les étapes suivantes :
placer du noir de carbone dans une solution d'acide nitrique ;
maintenir le noir de carbone dans la solution acide sous agitation mécanique pendant une durée comprise entre 5 et 10 heures, et à une température avantageusement comprise entre 0 et 40°C ;
filtrer le noir de carbone ;
rincer le noir de carbone avec de l'eau dé-ionisée ;
sécher le noir de carbone.
Procédé de préparation d'un accumulateur au lithium selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau actif lithié de l'électrode positive est choisi dans le groupe comprenant LfNio,4Mnii604 ; L1C0PO4 ; LiNiP04 ; Li3V2(P04)3 ; Li2CoP207 ; Li2MnP207 ; Li2CoP04F ; Li2NiP04F ; LiCoS04F ; LiNiS04F ; LiCuS04F ; LiCoOS04 ; LiNiOS04 ; Li2NiSi04 ; LiNio.5Mn1.5O4 ; LiCryMn2_y04 avec y compris entre 0.5 et 1 inclus ; LiCoyMn2_ y04 avec y compris entre 0.5 et 1 inclus ; LiFeo.5Mn1.5O4 ; LiCuo.5Mn1.5O4 ; et LiNiV04.
Procédé de préparation d'un accumulateur au lithium selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le séparateur d'électrodes est en un matériau choisi dans le groupe comprenant les polyoléfïnes ; polyfluorure de vinylidène ; et poly(oxyéthylène).
Procédé de préparation d'un accumulateur au lithium selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'électrolyte comprend :
un sel de lithium choisi dans le groupe comprenant LiPF6 ; L1CIO4 ;
LiAsFg ; LiBF4 ; LiTFSI ; LiBETI ; et LiBOB ;
un solvant choisi dans le groupe comprenant ; éthylène carbonate, méthyl carbonate, éthylméthyl carbonate, diméthylcarbonate, diéthylecarbonate, propylènecarbonate, et leurs mélanges ; les nitriles ; les esters, les ethers ; et les sulfones. 9. Procédé de préparation d'un accumulateur au lithium selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le matériau actif lithié de l'électrode négative est choisi dans le groupe comprenant Li.iTi5012 ; silicium ; carbone graphite ; et étain.
10. Accumulateur au lithium obtenu par le procédé objet de l'une des revendications 1 à 9.
11. Utilisation de l'accumulateur au lithium selon la revendication 10 à un potentiel supérieur à 4,5 V par rapport au potentiel du couple Li/Li+, plus avantageusement compris entre 4,8 et 5,5.
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