DE102023104776A1 - Process for the production of iron-containing layered oxides - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren eisenhaltiger Schichtoxide der Formel LiM1-x-yFexMeyO2wobei 0,01 ≤ x ≤ 0,99 und 0 ≤ y ≤ 0,99, M ein Übergangsmetall ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ni, Mn, Ti und Co und Me ein Metall ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend Mn, Ni, Ti, Cu, Co, Sn und Zn, umfassend die folgenden Schritte: a) Mischen eines Eisensalzes und eines Salzes des Übergangsmetalls und optional eines weiteren Metallsalzes in einem Lösungsmittel; b) Co-Präzipitieren eines eisenhaltigen Präkursors als Hydroxid, Abtrennen und Trocknen des eisenhaltigen Präkursors M1-x-yFexMey(OH)2; c) Kalzinieren des eisenhaltigen Präkursors M1-x-yFexMey(OH)2aus Schritt b) mit LiOH oder einem Lithiumsalz, wobei man den Reaktionsbehälter für die Kalzinierung auf eine Temperatur bei oder oberhalb des Schmelzpunktes von LiOH oder Lithiumsalzes temperiert und LiOH oder das Lithiumsalz und den eisenhaltigen Präkursor M1-x-yFexMey(OH)2in den temperierten Reaktionsbehälter einbringt oder man LiOH, oder wobei man das Lithiumsalz im Reaktionsbehälter vorlegt und den eisenhaltigen Präkursor M1-x-yFexMey(OH)2bei einer Temperatur bei oder oberhalb des Schmelzpunktes von LiOH oder des Lithiumsalzes in den Reaktionsbehälter einbringt.The invention relates to a process for iron-containing layered oxides of the formula LiM1-x-yFexMeyO2where 0.01 ≤ x ≤ 0.99 and 0 ≤ y ≤ 0.99, M is a transition metal selected from the group comprising Ni, Mn, Ti and Co and Me is a metal selected from the group comprising Mn, Ni, Ti, Cu, Co, Sn and Zn, comprising the following steps: a) mixing an iron salt and a salt of the transition metal and optionally a further metal salt in a solvent; b) co-precipitating an iron-containing precursor as a hydroxide, separating and drying the iron-containing precursor M1-x-yFexMey(OH)2; c) Calcining the iron-containing precursor M1-x-yFexMey(OH)2from step b) with LiOH or a lithium salt, wherein the reaction vessel for the calcination is heated to a temperature at or above the melting point of LiOH or lithium salt and LiOH or the lithium salt and the iron-containing precursor M1-x-yFexMey(OH)2 are introduced into the heated reaction vessel or LiOH, or wherein the lithium salt is initially introduced into the reaction vessel and the iron-containing precursor M1-x-yFexMey(OH)2 is introduced into the reaction vessel at a temperature at or above the melting point of LiOH or the lithium salt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eisenhaltiger Schichtoxide.The invention relates to a process for producing iron-containing layered oxides.
Schichtoxide LiMeO2 mit R-3m Struktur, wobei das Metall Kobalt, Nickel, Mangan, Aluminium oder Magnesium in verschiedenen stöchiometrischen Verhältnissen sein kann, bilden aufgrund ihrer Energiedichte (> 600 Wh/kg) derzeit das am häufigsten verwendete Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien. Insbesondere für mobile Anwendungen wie in elektrifizierten Fahrzeugen ist die Energiedichte bei gleichzeitiger, exzellenter Zyklenstabilität der entscheidende Faktor für ein Kathodenmaterial. Eine ernstzunehmende Alternative zu den Schichtoxiden bildet lediglich LiFePO4 mit Pnma Struktur, welches zwar eine geringere Energiedichte aufweist (~ 300 Wh/kg), aber ohne die Übergangsmetalle Nickel und Kobalt auskommt. Insbesondere die Verwendung von Kobalt ist umstritten und die Automobilindustrie sucht den Anteil an Kobalt zu senken.Layered oxides LiMeO 2 with R-3m structure, where the metal can be cobalt, nickel, manganese, aluminum or magnesium in various stoichiometric ratios, are currently the most commonly used cathode material in lithium-ion batteries due to their energy density (> 600 Wh/kg). Especially for mobile applications such as in electrified vehicles, the energy density combined with excellent cycle stability is the decisive factor for a cathode material. The only serious alternative to layered oxides is LiFePO 4 with Pnma structure, which has a lower energy density (~ 300 Wh/kg) but does not contain the transition metals nickel and cobalt. The use of cobalt in particular is controversial and the automotive industry is trying to reduce the proportion of cobalt.
Kobaltfreie Schichtoxide sind bekannt und für Anwendungen in der Batterietechnologie untersucht. So beschreiben
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bereit zu stellen, das zur Herstellung eisenhaltiger Schichtoxide mit einer phasenreinen R-3m Struktur in einem industriell relevanten Prozess geeignet ist.The present invention was therefore based on the object of providing a process which is suitable for the production of iron-containing layered oxides with a phase-pure R-3m structure in an industrially relevant process.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eisenhaltiger Schichtoxide der Formel LiM1-x-yFexMeyO2 wobei 0,01 ≤ x ≤ 0,99 und 0 ≤ y ≤ 0,99, M ein Übergangsmetall ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ni, Mn, Ti oder Co und Me ein Metall ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend Mn, Ni, Ti, Cu, Co, Sn und Zn, umfassend die folgenden Schritte:
- a) Mischen eines Eisensalzes und eines Salzes des Übergangsmetalls (M = Ni, Co) und optional eines weiteren Metallsalzes in einem Lösungsmittel;
- b) Co-Präzipitieren eines eisenhaltigen Präkursors als Hydroxid (M1-x-yFexMey(OH)2), Abtrennen und Trocknen des eisenhaltigen Präkursors M1-x-yFexMey(OH)2;
- c) Kalzinieren des eisenhaltigen Präkursors M1-x-yFexMey(OH)2 aus Schritt b) mit LiOH oder einem Lithiumsalz,
- a) mixing an iron salt and a salt of the transition metal (M = Ni, Co) and optionally another metal salt in a solvent;
- b) co-precipitating an iron-containing precursor as hydroxide (M 1-xy Fe x Me y (OH) 2 ), separating and drying the iron-containing precursor M 1-xy Fe x Me y (OH) 2 ;
- c) calcining the iron-containing precursor M 1-xy Fe x Me y (OH) 2 from step b) with LiOH or a lithium salt,
Es wurde überraschend festgestellt, dass der erfindungsgemäße Kalzinierungsprozess die Herstellung eisenhaltiger Schichtoxide mit einer R-3m Struktur und einem Eisenanteil x > 0,02 in einem industriell anwendbaren Verfahren erlaubt. So wurde festgestellt, dass die Bildung von Eisenoxid-Verunreinigungen vermieden wird, wenn das Reaktionsgefäß über den Schmelzpunkt von Lithiumhydroxid (LiOH) (> 446 °C) vorgeheizt und das Präkursor/LiOH- oder Präkursor/Lithiumsalz-Gemisch bei diesen Temperaturen eingebracht wird oder wenn der eisenhaltige Präkursor erst in das Reaktionsgefäß eingebracht wird, wenn bereits geschmolzenes LiOH oder Lithiumsalz vorliegt. Ohne auf eine bestimmte Theorie festgelegt zu sein, wird angenommen, dass in der Schmelze Lithium-Ionen sofort in die Präkursor-Struktur interkaliert werden können und dieser Prozess schneller abläuft als die Bildung von Eisenoxidverunreinigung und somit die Ausbildung einer rhomboedrischen Schichtoxidstruktur aus dem eisenhaltigen Präkursor stabilisiert. Energiedispersive Röntgenspektroskopie-Aufnahmen von hergestellten Lithium-Nickel-Eisenoxiden, beispielsweise beispielsweise LiNi0,6Fe0,4O2, LiNi0,7Fe0,3O2, LiNi0,8Fe0,2O2, LiNi0,9Fe0,1O2 oder LiNi0,98Fe0,01O2, zeigten, dass Eisen homogen in den erhaltenen Partikeln enthalten war. Somit kann ein Verfahren zur Synthese von LiNi1-xFexO2 (LNFO) und anderen, eisenhaltigen Oxiden LiM1-x-yFexMeyO2 (M = Ni, Mn, Ti, Co) mit einer R-3m Struktur zur Verfügung gestellt werden, das für die Schichtoxide eine Steuerung von Partikelgröße und Morphologie erlaubt, die Bildung von Eisenoxid-Verunreinigungen hingegen unterdrückt. Insbesondere kann ein industriell anwendbarer Prozess zur Verfügung gestellt werden, der es erlaubt, die Morphologie des Aktivmaterials zu steuern.It was surprisingly found that the calcination process according to the invention allows the production of iron-containing layered oxides with an R-3m structure and an iron content x > 0.02 in an industrially applicable process. It was found that the formation of iron oxide contamination is avoided if the reaction vessel is preheated above the melting point of lithium hydroxide (LiOH) (> 446 °C) and the precursor/LiOH or precursor/lithium salt mixture is introduced at these temperatures or if the iron-containing precursor is only introduced into the reaction vessel when molten LiOH or lithium salt is already present. Without being bound to a specific theory, it is assumed that lithium ions can be immediately intercalated into the precursor structure in the melt and that this process takes place faster than the formation of iron oxide contamination and thus stabilizes the formation of a rhombohedral layered oxide structure from the iron-containing precursor. Energy dispersive X-ray spectroscopy images of prepared lithium nickel iron oxides, for example LiNi 0.6 Fe 0.4 O 2 , LiNi 0.7 Fe 0.3 O 2 , LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 , LiNi 0.9 Fe 0.1 O 2 or LiNi 0.98 Fe 0.01 O 2 , showed that iron was contained homogeneously in the obtained particles. Thus, a process for the synthesis of LiNi 1-x Fe x O 2 (LNFO) and other iron-containing oxides LiM 1-xy Fe x Me y O 2 (M = Ni, Mn, Ti, Co) with an R-3m structure can be provided, which allows control of particle size and morphology for the layered oxides, but suppresses the formation of iron oxide impurities. In particular, an industrially applicable process can be provided that allows the morphology of the active material to be controlled.
Wesentlich ist die durch den Schmelzpunkt von LiOH oder des verwendeten Lithiumsalzes bestimmte untere Temperaturgrenze der Kalzinierung, die bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von LiOH oder des Lithiumsalzes durchgeführt wird. Hierzu kann das Reaktionsgefäß, beispielsweise ein Rohrofen, auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von LiOH (ca. 446 °C) oder des Lithiumsalzes vorgeheizt werden. In den temperierten Reaktionsbehälter wird die eisenhaltige Präkursorverbindung eingebracht. Dies kann gemeinsam mit der Lithiumverbindung erfolgen oder LiOH bzw. Lithiumsalz und eisenhaltiger Präkursor werden getrennt eingebracht.The lower temperature limit of the calcination, which is determined by the melting point of LiOH or the lithium salt used, is essential. The calcination is carried out at a temperature above the melting point of LiOH or the lithium salt. For this purpose, the reaction vessel, for example a tube furnace, can be preheated to a temperature above the melting point of LiOH (approx. 446 °C) or the lithium salt. The iron-containing precursor compound is introduced into the temperature-controlled reaction vessel. This can be done together with the lithium compound, or LiOH or lithium salt and iron-containing precursor are introduced separately.
In bevorzugten Ausführungsformen heizt man das Reaktionsgefäß vor und LiOH oder das Lithiumsalz und der eisenhaltige Präkursor M1-x-yFexMey(OH)2 werden gemeinsam in den temperierten Reaktionsbehälter eingebracht. Diese Variante des parallelen Einbringens hat den Vorteil, dass LiOH bzw. Lithiumsalz und der eisenhaltige Präkursor vor der Reaktion besser homogenisiert werden können. In anderen Ausführungsformen bringt man zunächst LiOH bzw. Lithiumsalz ein, heizt dann das Reaktionsgefäß enthaltend LiOH oder das Lithiumsalz vor, und bringt den eisenhaltigen Präkursor in das geschmolzene LiOH oder Lithiumsalz ein. Auch gemäß dieser Ausführungsform kann das Ausfallen von Eisenoxidverunreinigungen vermieden werden.In preferred embodiments, the reaction vessel is preheated and LiOH or the lithium salt and the iron-containing precursor M 1-xy Fe x Me y (OH) 2 are introduced together into the temperature-controlled reaction vessel. This variant of parallel introduction has the advantage that LiOH or lithium salt and the iron-containing precursor can be better homogenized before the reaction. In other embodiments, LiOH or lithium salt is introduced first, then the reaction vessel containing LiOH or the lithium salt is preheated, and the iron-containing precursor is introduced into the molten LiOH or lithium salt. According to this embodiment, too, the precipitation of iron oxide impurities can be avoided.
Als Quelle für Lithiumionen kann LiOH oder ein Lithiumsalz dienen. Bevorzugt sind in Wasser lösliche Lithiumsalze. In Ausführungsformen ist das Lithiumsalz ausgewählt aus der Gruppe umfassend Lithiumacetat, Lithiumcarbonat, Lithiumnitrat und Lithiumsulfat. Besonders bevorzugt wird LiOH verwendet.LiOH or a lithium salt can serve as a source of lithium ions. Water-soluble lithium salts are preferred. In embodiments, the lithium salt is selected from the group comprising lithium acetate, lithium carbonate, lithium nitrate and lithium sulfate. LiOH is particularly preferably used.
Die Kalzinierung wird bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von LiOH oder des Lithiumsalzes durchführt. In bevorzugten Ausführungsformen führt man die Kalzinierung unter Verwendung von LiOH bei einer Temperatur im Bereich von ≥ 500 °C bis ≤ 1000 °C, bevorzugt im Bereich von ≥ 600 °C bis ≤ 900 °C, vorzugsweise im Bereich von ≥ 700 °C bis ≤ 900 °C, insbesondere im Bereich von ≥ 750 °C bis ≤ 800 °C durch. Besonders bevorzugt führt man die Kalzinierung unter Verwendung von LiOH bei einer Temperatur um oder von 800 °C durch. Eine Kalzinierung bei 800 °C (20 h) ergab eisenhaltige Schichtoxide mit einer R-3m Struktur und einer sehr niedrigen Metall/Lithium-Unordnung, beispielsweise < 2%, unabhängig vom Ni:Fe-Verhältnis.The calcination is carried out at a temperature above the melting point of LiOH or the lithium salt. In preferred embodiments, the calcination is carried out using LiOH at a temperature in the range of ≥ 500 °C to ≤ 1000 °C, preferably in the range of ≥ 600 °C to ≤ 900 °C, preferably in the range of ≥ 700 °C to ≤ 900 °C, in particular in the range of ≥ 750 °C to ≤ 800 °C. Calcination is particularly preferably carried out using LiOH at a temperature around or equal to 800 °C. Calcination at 800 °C (20 h) yielded iron-containing layered oxides with an R-3m structure and a very low metal/lithium disorder, for example < 2%, independent of the Ni:Fe ratio.
Unter Verwendung von Lithiumcarbonat führt man die Kalzinierung vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von ≥ 800 °C bis ≤ 1000 °C durch. Unter Verwendung von Lithiumnitrat führt man die Kalzinierung vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von ≥ 255 °C bis ≤ 1000 °C durch.When using lithium carbonate, the calcination is preferably carried out at a temperature in the range of ≥ 800 °C to ≤ 1000 °C. When using lithium nitrate, the calcination is preferably carried out at a temperature in the range of ≥ 255 °C to ≤ 1000 °C.
In Ausführungsformen führt man die Kalzinierung zweischrittig durch, wobei man vor der Kalzinierung eine Präkalzinierung bei einer Temperatur durchführt, die niedriger ist als die Temperatur der Kalzinierung jedoch oberhalb des Schmelzpunktes von LiOH oder des Lithiumsalzes liegt. Eine Präkalzinierung zeigt insbesondere Vorteile bei Verwendung von Metall- und Übergangsmetallsalzen, in denen das Metall oder Übergangsmetall in einer niedrigeren Oxidationsstufe als im herzustellenden eisenhaltigen Schichtoxid vorliegt und während der Reaktion oxidiert wird. Ein Beispiel hierfür sind Nickel-reiche Schichtoxide (LiNi1-x-yFexMeyO2 mit x + y ≤ 0,2 wobei Ni von einem 2+ Oxidationszustand in einen 3+ Zustand überführt werden muss. Eine Oxidation läuft bei niedrigen Temperaturen besser ab, während bei hohen Temperaturen der Gitteraufbau schneller verläuft. Somit kann durch eine Präkalzinierung für diese Salze die Reinheit des herzustellenden eisenhaltigen Schichtoxid erhöht werden. Üblicherweise verwendetes Co und Mn, (Kobalt- und Mangansalze, wobei Co und Mn jeweils im Oxidationszustand +2 vorliegen) wird schon bei Temperaturen unterhalb von 250 °C sehr schnell oxidiert In Ausführungsformen zur Herstellung von Eisen-Mangan-Schichtoxiden wurde keine Erhöhung der Reinheit der erhaltenen Oxide durch eine Präkalzinierung festgestellt.In embodiments, the calcination is carried out in two steps, with a precalcination being carried out before the calcination at a temperature that is lower than the temperature of the calcination but above the melting point of LiOH or the lithium salt. A precalcination is particularly advantageous when using metal and transition metal salts in which the metal or transition metal is present in a lower oxidation state than in the iron-containing layered oxide to be produced and is oxidized during the reaction. An example of this are nickel-rich layered oxides (LiNi 1-xy Fe x Me y O 2 with x + y ≤ 0.2 where Ni has to be converted from a 2+ oxidation state to a 3+ state. Oxidation proceeds better at low temperatures, while at high temperatures the lattice structure proceeds more quickly. Thus, the purity of the iron-containing layered oxide to be produced can be increased by precalcining these salts. Commonly used Co and Mn (cobalt and manganese salts, where Co and Mn are each in the +2 oxidation state) are oxidized very quickly even at temperatures below 250 °C. In embodiments for the production of iron-manganese layered oxides, no increase in the purity of the oxides obtained was found by precalcining.
In Ausführungsformen führt man die Präkalzinierung unter Verwendung von LiOH bei einer Temperatur im Bereich von ≥ 460 °C bis ≤ 500 °C durch. In diesen Ausführungsformen führt man die nachfolgende Kalzinierung bevorzugt im Bereich von ≥ 500 °C bis ≤ 1000 °C, bevorzugt im Bereich von ≥ 600 °C bis ≤ 900 °C, vorzugsweise im Bereich von ≥ 700 °C bis ≤ 900 °C, insbesondere im Bereich von ≥ 750 °C bis ≤ 800 °C durch.In embodiments, the precalcination is carried out using LiOH at a temperature in the range of ≥ 460 °C to ≤ 500 °C. In these embodiments, the subsequent calcination is preferably carried out in the range of ≥ 500 °C to ≤ 1000 °C, preferably in the range of ≥ 600 °C to ≤ 900 °C, preferably in the range of ≥ 700 °C to ≤ 900 °C, in particular in the range of ≥ 750 °C to ≤ 800 °C.
Die Dauer der Präkalzinierung wird insbesondere von dem im Metallsalz vorliegenden und dem zu erreichenden Oxidationszustand des Metallions bestimmt. In Ausführungsformen führt man die Präkalzinierung in einem Zeitraum im Bereich von ≥ 30 min bis ≤ 8 h, vorzugsweise im Bereich von ≥ 2 h bis ≤ 5 h durch. Ist der Unterschied gering und/oder lässt sich das Metallion schnell oxidieren kann ein Zeitraum vom 30 Minuten ausreichen. Zumeist wird ein Zeitraum von 2 Stunden als ausreichend angesehen.The duration of the precalcination is determined in particular by the oxidation state of the metal ion present in the metal salt and the oxidation state to be achieved. In embodiments, the precalcination is carried out in a period in the range of ≥ 30 min to ≤ 8 h, preferably in the range of ≥ 2 h to ≤ 5 h. If the difference is small and/or the metal ion can be oxidized quickly, a period of 30 minutes may be sufficient. A period of 2 hours is usually considered sufficient.
In Ausführungsformen führt man die Kalzinierung in einem Zeitraum im Bereich von ≥ 5 h bis ≤ 20 h, vorzugsweise im Bereich von ≥ 10 h bis ≤ 20 h durch. Die Dauer des Kalzinierungsschritts kann Auswirkung auf die Metall/Lithium-Unordnung des herzustellenden eisenhaltigen Schichtoxids zeigen. Insbesondere für die Herstellung von Schichtoxiden, die in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden sollen, ist eine hohe oder sehr hohe Ordnung vorteilhaft, da dies die Effizienz der Batterie erhöht. Eine Kalzinierungsdauer von 10 Stunden führt zu Schichtoxiden mit einer hohen Reinheit, die bei Anwendungen in Lithium-Ionen-Batterien eine gute Effizienz zeigen. Kalzinierungszeiten unter 5 Stunden sind ebenfalls zur Herstellung von eisenhaltigen Schichtoxiden geeignet, diese können jedoch Unsauberkeiten im Schichtaufbau bzw. Schichtgitter (Metall/Lithium-Unordnung) zeigen, die zumindest für eine Anwendung in Lithium-Ionen-Batterien wenig vorteilhaft ist. Eine Kalzinierungszeit von 20 Stunden führte zu Eisen-Nickel-, Eisen-Nickel-Mangan, und Eisen-Nickel-Titan-Schichtoxiden mit sehr hoher Ordnung (Metall/Lithium-Unordnung < 5%), die eine sehr hohe Effizienz in einer Lithium-Ionen-Batterie zeigten.In embodiments, the calcination is carried out in a period in the range from ≥ 5 h to ≤ 20 h, preferably in the range from ≥ 10 h to ≤ 20 h. The duration of the calcination step can have an effect on the metal/lithium disorder of the iron-containing layered oxide to be produced. A high or very high order is particularly advantageous for the production of layered oxides to be used in lithium-ion batteries, as this increases the efficiency of the battery. A calcination time of 10 hours leads to layered oxides with a high purity, which show good efficiency in applications in lithium-ion batteries. Calcination times of less than 5 hours are also suitable for the production of iron-containing layered oxides, but these can show impurities in the layer structure or layer lattice (metal/lithium disorder), which is at least not very advantageous for use in lithium-ion batteries. A calcination time of 20 hours resulted in iron-nickel, iron-nickel-manganese, and iron-nickel-titanium layered oxides with very high order (metal/lithium disorder < 5%), which showed very high efficiency in a lithium-ion battery.
In bevorzugten Ausführungsformen führt man die Kalzinierung in einem Zeitraum im Bereich von ≥ 8 h bis ≤ 10 h oder in einem Bereich von ≥ 10 h bis ≤ 20 h durch. So wurde beispielsweise bei der Herstellung von Eisen-Nickel-Schichtoxiden festgestellt, dass eine Kalzinierungsdauer von 20 Stunden bei einer Temperatur von 800 °C die geringste Li/Metall-Unordnung, unabhängig vom Ni:Fe Verhältnis, zeigte. Eine Erhöhung der Kalzinierungsdauer von 10 h auf 20 h bei der Herstellung von Eisen-Nickel-Schichtoxiden führt je nach Stöchiometrie der Übergangsmetalle zu einer Verbesserung der Li/Metall-Ordnung von bis zu 50%.In preferred embodiments, the calcination is carried out in a period of time in the range of ≥ 8 h to ≤ 10 h or in a range of ≥ 10 h to ≤ 20 h. For example, in the production of iron-nickel layered oxides, it was found that a calcination time of 20 hours at a temperature of 800 °C showed the lowest Li/metal disorder, regardless of the Ni:Fe ratio. Increasing the calcination time from 10 h to 20 h in the production of iron-nickel layered oxides leads to an improvement in the Li/metal order of up to 50%, depending on the stoichiometry of the transition metals.
In Ausführungsformen führt man die Präkalzinierung in einem Zeitraum im Bereich von ≥ 30 min bis ≤ 8 h, vorzugsweise im Bereich von ≥ 2 h bis ≤ 5 h durch und die Kalzinierung in einem Zeitraum im Bereich von ≥ 5 h bis ≤ 20 h, vorzugsweise im Bereich von ≥ 10 h bis ≤ 20 h.In embodiments, the precalcination is carried out in a period in the range of ≥ 30 min to ≤ 8 h, preferably in the range of ≥ 2 h to ≤ 5 h, and the calcination in a period in the range of ≥ 5 h to ≤ 20 h, preferably in the range of ≥ 10 h to ≤ 20 h.
In Ausführungsformen beträgt die Heizrate zwischen der Präkalzinierung und der Kalzinierung 4°C/min oder langsamer, beispielsweise 2°C/min. Es ist bevorzugt, dass die Heizrate zwischen der Präkalzinierung und der Kalzinierung langsam ist, da auch hierdurch die Ordnung der entstehenden Schichtoxide erhöht werden kann. So wurde festgestellt, dass bei einer Heizrate zwischen Präkalzinierung und Kalzinierung von 4°C/min oder langsamer eisenhaltige Schichtoxide von hoher Ordnung im Schichtaufbau bzw. Schichtgitter herstellbar waren.In embodiments, the heating rate between precalcination and calcination is 4°C/min or slower, for example 2°C/min. It is preferred that the heating rate between precalcination and calcination is slow, since this can also increase the order of the resulting layered oxides. It was found that with a heating rate between precalcination and calcination of 4°C/min or slower, iron-containing layered oxides with a high order in the layer structure or layer lattice could be produced.
Schichtoxide können mittels Kalzinierung hergestellt werden, indem ein Übergangsmetall zunächst als Hydroxid-Präkursor aus einer Übergangsmetallsalzlösung ausgefällt werden. Dabei kann je nach Fällungsart die Größe und Morphologie der Sekundär- und Primärpartikel eingestellt werden. Der so entstandene Hydroxid-Präkursor kann beispielsweise durch Filtration oder Zentrifugieren vom Lösungsmittel wie Wasser getrennt und getrocknet werden. Diese Fällungsreaktion funktioniert für Übergangsmetalle, deren Löslichkeitsprodukt in Wasser bei einem gegebenen pH ausreichend gering ist. Der Präkursor wird dann mit Lithiumhydroxid (LiOH) oder einem anderen Lithiumsalz kalziniert.Layered oxides can be produced by calcination by first precipitating a transition metal as a hydroxide precursor from a transition metal salt solution. Depending on the type of precipitation, the size and morphology of the secondary and primary particles can be adjusted. The resulting hydroxide precursor can be separated from the solvent such as water by filtration or centrifugation and dried. This precipitation reaction works for transition metals whose solubility product in water is sufficiently low at a given pH. The precursor is then calcined with lithium hydroxide (LiOH) or another lithium salt.
Zur Herstellung eisenhaltiger Schichtoxide werden in Schritt a) zunächst ein Eisensalz und ein Salz eines Übergangsmetalls (M = Ni, Mn, Ti, Co) sowie optional eines weiteren Metallsalzes (Me = Mn, Ni, Ti, Cu, Co, Sn, Zn) in einem Lösungsmittel vermischt. Vorzugsweise erfolgt das Lösen in wässeriger Lösung insbesondere in Wasser. Bevorzugt ist das Lösungsmittel daher Wasser. Das Metall- bzw. Übergangsmetallsalz sollte sich in Wasser oder wässeriger Lösung lösen. Daher ist das Salz des Metalls bzw. Übergangsmetalls vorzugsweise ein Sulfat, Acetat oder Carbonat. Vorzugsweise werden die Salze im entsprechenden stöchiometrischen Verhältnis des herzustellenden eisenhaltigen Schichtoxids gemischt. Gegebenenfalls können Komplexbildner wie Ammoniumhydroxid (NH4OH) oder Ethylendiamintetraacetat (EDTA) zugegeben werden.To produce iron-containing layered oxides, in step a) an iron salt and a salt of a transition metal (M = Ni, Mn, Ti, Co) and optionally another metal salt (Me = Mn, Ni, Ti, Cu, Co, Sn, Zn) are first mixed in a solvent. Dissolving is preferably carried out in an aqueous solution, in particular in water. The solvent is therefore preferably water. The metal or transition metal salt should dissolve in water or an aqueous solution. The salt of the metal or transition metal is therefore preferably a sulfate, acetate or carbonate. The salts are preferably mixed in the corresponding stoichiometric ratio of the iron-containing layered oxide to be produced. Complexing agents such as ammonium hydroxide (NH 4 OH) or ethylenediaminetetraacetate (EDTA) can be added if necessary.
In Schritt b) wird der eisenhaltige Präkursor M1-x-yFexMey(OH)2 aus der Mischung aus Schritt a) co-präzipitiert, abgetrennt und anschließend getrocknet. In Ausführungsformen führt man das Co-Präzipitieren in Schritt b) bei ≥ pH 8 durch, vorzugsweise im Bereich von ≥ pH 9 bis ≤ pH 12, bevorzugt im Bereich von ≥ pH 11 bis ≤ pH 12. Der pH-Wert kann beispielsweise mittels Zugabe einer NaOH- und/oder NH3-Lösung eingestellt werden. Vorzugsweise erfolgt die Zugabe unter Rühren oder die Lösungen werden in einen Reaktor gepumpt. Die Fällung kann beispielsweise in einem kontinuierlichen gerührten Tankreaktor oder einem Taylor-Reaktor durchgeführt werden. Nach Beenden der Fällung kann die entstandene Suspension beispielsweise für einen Zeitraum von weiteren 1 bis 6 Stunden gerührt werden. Über die Rührgeschwindigkeit, die Pumpgeschwindigkeit bei der Zugabe der Metallsalz- und NaOH/NH3 Lösung sowie die Dauer des Rührens nach Beenden der Fällung kann die Größe und Morphologie der herzustellenden Schichtoxide eingestellt werden. Die Steuerung von Größe und Form der Sekundär- und Primärpartikel (Morphologie) ist für die Anwendung als Kathodenmaterial sehr vorteilhaft, weil sich dadurch Überspannungen im Betrieb der Batterien minimieren lassen und so die Materialien mit relativ hohen Stromraten belegt werden können.In step b), the iron-containing precursor M 1-xy Fe x Me y (OH) 2 is co-precipitated from the mixture from step a), separated and then dried. In embodiments, the co-precipitation in step b) is carried out at ≥ pH 8, preferably in the range from ≥ pH 9 to ≤ pH 12, preferably in the range from ≥ pH 11 to ≤ pH 12. The pH can be adjusted, for example, by adding a NaOH and/or NH 3 solution. The addition is preferably carried out with stirring or the solutions are pumped into a reactor. The precipitation can be carried out, for example, in a continuous stirred tank reactor or a Taylor reactor. After the precipitation has ended, the resulting suspension can be stirred, for example, for a further period of 1 to 6 hours. The size and morphology of the layered oxides to be produced can be adjusted by the stirring speed, the pumping speed when adding the metal salt and NaOH/NH 3 solution and the duration of stirring after precipitation has ended. Controlling the size and shape of the secondary and primary particles (morphology) is very advantageous for use as cathode material because it minimizes overvoltages during battery operation and allows the materials to be charged with relatively high current rates.
Der Hydroxid-Präkursor kann dann beispielsweise durch Filtrieren oder Zentrifugieren vom Lösungsmittel, insbesondere Wasser, abgetrennt und getrocknet werden. Der abgetrennte Hydroxid-Präkursor kann gewaschen werden, beispielsweise mittels einer wässrigen Lösung eines pH-Wertes im Bereich von pH 7 bis pH 11. Nach der Abtrennung und vor der Kalzinierung wird der Präkursor getrocknet. Vorzugsweise wird der Hydroxid-Präkursor bei einer Temperatur im Bereich von 60°C bis 80°C getrocknet.The hydroxide precursor can then be separated from the solvent, in particular water, for example by filtration or centrifugation, and dried. The separated hydroxide precursor can be washed, for example by means of an aqueous solution with a pH value in the range from pH 7 to pH 11. After separation and before calcination, the precursor is dried. Preferably, the hydroxide precursor is dried at a temperature in the range from 60°C to 80°C.
In Schritt c) wird der erhaltene eisenhaltige Präkursors M1-x-yFexMey(OH)2 mit LiOH oder einem Lithiumsalz kalziniert. Vorzugsweise wird der Präkursor mit einem Überschuss an Lithiumhydroxid (LiOH) oder Lithiumsalz, insbesondere Nitrat, Sulfat, Acetat oder Carbonat, kalziniert. Der Überschuss an Lithiumhydroxid (LiOH) oder Lithiumsalz liegt vorzugsweise im Bereich von 3 bis 10 Mol.-%, bezogen auf das stöchiometrische Verhältnis von Lithium zu Metall.In step c), the resulting iron-containing precursor M 1-xy Fe x Me y (OH) 2 is calcined with LiOH or a lithium salt. Preferably, the precursor is calcined with an excess of lithium hydroxide (LiOH) or lithium salt, in particular nitrate, sulfate, acetate or carbonate. The excess of lithium hydroxide (LiOH) or lithium salt is preferably in the range of 3 to 10 mol%, based on the stoichiometric ratio of lithium to metal.
Vorzugsweise wird der Präkursor mit Lithiumhydroxid (LiOH) oder einem anderen Lithiumsalz wie Lithiumnitrat, Lithiumsulfat oder Lithiumcarbonat je nach gewünschter, späterer Morphologie des herzustellenden Materials, gemahlen, beispielsweise in einem Mörser. Alternativ können Lithiumhydroxid (LiOH) bzw. Lithiumsalz und der Präkursor auch in einer Aceton-Suspension vermengt werden, wobei das Aceton durch Trocknung, beispielsweise bei 80 °C, vor der Kalzinierung wieder entfernt wird.Preferably, the precursor is ground with lithium hydroxide (LiOH) or another lithium salt such as lithium nitrate, lithium sulfate or lithium carbonate, for example in a mortar, depending on the desired subsequent morphology of the material to be produced. Alternatively, lithium hydroxide (LiOH) or lithium salt and the precursor can also be mixed in an acetone suspension, with the acetone being removed again by drying, for example at 80 °C, before calcination.
Der erfindungsgemäße Kalzinierungsprozess erlaubt die Herstellung von eisenhaltigen Schichtoxiden mit R-3m Struktur mit einem hohen Eisenanteil in hoher Reinheit und Ordnung. So wiesen Ergebnisse von Pulverdiffraktionsmessungen auf eine phasenreine R-3m-Schichtsstruktur von hergestellten Eisen-Nickel-Schichtoxiden LiNi1-xFexO2 (LNFO) mit x = 0,1, 0,2, 0,4, 0,5 und 0,6 hin. Ferner konnten auch Mangan-haltige und Titan-haltige Eisen-Nickel-Schichtoxide LiNi1-x-yFexMnyO2 und LiNi1-x-yFexTiyO2 phasenrein hergestellt werden.The calcination process according to the invention allows the production of iron-containing layered oxides with R-3m structure with a high iron content in high purity and order. Results of powder diffraction measurements indicated a phase-pure R-3m layer structure of produced iron-nickel layered oxides LiNi 1-x Fe x O 2 (LNFO) with x = 0.1, 0.2, 0.4, 0.5 and 0.6. Furthermore, manganese-hal Titanium-containing iron-nickel layered oxides LiNi 1-xy Fe x Mn y O 2 and LiNi 1-xy Fe x Ti y O 2 can be produced in pure phases.
Insbesondere können durch das Verfahren eisenhaltige Schichtoxide LiM1-x-yFexMeyO2 mit R-3m-Struktur sowohl mit geringem wie insbesondere auch mit einem hohen oder sehr hohen Eisenanteil 0,02 ≤ x ≤ 0,99 hergestellt werden. Vorzugsweise liegt der Eisenanteil der eisenhaltigen Schichtoxide LiM1-x-yFexMeyO2 im Bereich von 0,02 ≤ x ≤ 0,6.In particular, the process can be used to produce iron-containing layered oxides LiM 1-xy Fe x Me y O 2 with R-3m structure with both a low and, in particular, a high or very high iron content 0.02 ≤ x ≤ 0.99. The iron content of the iron-containing layered oxides LiM 1-xy Fe x Me y O 2 is preferably in the range of 0.02 ≤ x ≤ 0.6.
M ist ein Übergangsmetall ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ni, Mn, Ti und Co. M kann ausgewählt sein aus Ni oder Co. Vorzugsweise ist M ist ein Übergangsmetall ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ni, Mn und Ti. Die Herstellung von Kobaltarmen oder Kobaltfreien Schichtoxiden ist insbesondere für eine Verwendung als Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen Batterien bevorzugt. Bevorzugt ist M Nickel. Eisen-Nickel-Schichtoxide mit R-3m-Struktur konnten mit variablem Eisengehalt in sehr guter Reinheit und Ordnung hergestellt werden.M is a transition metal selected from the group comprising Ni, Mn, Ti and Co. M can be selected from Ni or Co. Preferably, M is a transition metal selected from the group comprising Ni, Mn and Ti. The production of low-cobalt or cobalt-free layered oxides is particularly preferred for use as cathode materials for lithium-ion batteries. Preferably, M is nickel. Iron-nickel layered oxides with R-3m structure could be produced with variable iron content in very good purity and order.
Ein bevorzugter eisenhaltigen Präkursor ist Ni1-xFex(OH)2 mit 0,02 ≤ x ≤ 0,9, vorzugsweise 0,02 ≤ x ≤ 0,9, bevorzugt 0,02 ≤ x ≤ 0,6, weiter bevorzugt 0,02 ≤ x ≤ 0,4. In bevorzugten Ausführungsverfahren stellt man ein eisenhaltiges Schichtoxid der Formel LiNi1-xFexO2 wobei 0,02 ≤ x ≤ 0,9, vorzugsweise 0,02 ≤ x ≤ 0,9, bevorzugt 0,02 ≤ x ≤ 0,6, weiter bevorzugt 0,1 ≤ x ≤ 0,5, insbesondere bevorzugt x = 0,1, 0,2, 0,4, 0,5 oder 0,6, mit R-3m-Struktur her. In Ausführungsverfahren zur Herstellung eisenhaltiger Schichtoxide der Formel LiNi1-xFexO2 kann vorzugsweise eine Präkalzinierung vorgesehen sein. Bevorzugte Nickel-Eisen-Schichtoxide Ni1-x-yFexO2 herstellbar mit dem beschriebenen Verfahren sind ausgewählt aus LiNi0,9Fe0,1O2 (LNFO91), LiNi0,8Fe0,2O2 (LNFO82), LiNi0,6Fe0,4O2 (LNFO64), und LiNi0,3Fe0,3O2 (LNFO55).A preferred iron-containing precursor is Ni 1-x Fe x (OH) 2 with 0.02 ≤ x ≤ 0.9, preferably 0.02 ≤ x ≤ 0.9, more preferably 0.02 ≤ x ≤ 0.6, more preferably 0.02 ≤ x ≤ 0.4. In preferred embodiments, an iron-containing layered oxide of the formula LiNi 1-x Fe x O 2 is produced, where 0.02 ≤ x ≤ 0.9, preferably 0.02 ≤ x ≤ 0.9, preferably 0.02 ≤ x ≤ 0.6, more preferably 0.1 ≤ x ≤ 0.5, particularly preferably x = 0.1, 0.2, 0.4, 0.5 or 0.6, with R-3m structure. In embodiments for producing iron-containing layered oxides of the formula LiNi 1-x Fe x O 2 , precalcination can preferably be provided. Preferred nickel-iron layered oxides Ni 1-xy Fe x O 2 that can be produced using the described process are selected from LiNi 0.9 Fe 0.1 O 2 (LNFO91), LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82), LiNi 0.6 Fe 0.4 O 2 (LNFO64), and LiNi 0.3 Fe 0.3 O 2 (LNFO55).
Eisenhaltiger Schichtoxide LiNi1-xFexO2 mit x = 0,1, 0,2, 0,4 und 0,5 mit R-3m-Struktur wurden mit hoher Reinheit und Ordnung hergestellt und als Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien getestet. Hierbei konnte gezeigt werden, dass auch nach zahlreichen Ladezyklen die Kapazität vergleichbar mit herkömmlichen NCMs war. Das hergestellte LiNi1-xFexO2 kann somit analog zu den viel verwendeten NCMs verwendet werden. Iron-containing layered oxides LiNi 1-x Fe x O 2 with x = 0.1, 0.2, 0.4 and 0.5 with R-3m structure were produced with high purity and order and tested as cathode material in lithium-ion batteries. It was shown that even after numerous charging cycles, the capacity was comparable to conventional NCMs. The LiNi 1-x Fe x O 2 produced can therefore be used analogously to the widely used NCMs.
Elektrochemische Halbzellenmessungen zeigten, dass die Kapazität der Materialien vergleichbar mit denen der bereits kommerziell eingesetzten Kathodenmaterialien war, wobei die mittlere Entladespannung bei einigen Schichtoxiden sogar höher lag. Weiterhin haben Versuche gezeigt, dass bei bestimmter Zusammensetzung die Kapazität sogar größer war als die der herkömmlichen kobalthaltigen Materialien bei vergleichbarer Zyklenstabilität.Electrochemical half-cell measurements showed that the capacity of the materials was comparable to that of the cathode materials already in commercial use, with the average discharge voltage being even higher for some layered oxides. Furthermore, tests have shown that for certain compositions the capacity was even higher than that of conventional cobalt-containing materials with comparable cycle stability.
Ebenfalls konnten mit weiteren Übergangsmetallen dotierte Eisen-Nickel-Schichtoxide in sehr guter Reinheit und Ordnung hergestellt werden. Das weitere enthaltene Metall Me kann ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Mn, Ni, Ti, Cu, Co, Sn und Zn. Vorzugsweise ist das weitere enthaltene Metall Me ausgewählt aus der Gruppe umfassend Mn, Ti und Cu. Die Herstellung von Kobaltfreien Schichtoxiden ist insbesondere für eine Verwendung als Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen Batterien bevorzugt. Bevorzugt ist Me ausgewählt aus Mn und Ti.Iron-nickel layered oxides doped with other transition metals could also be produced in very good purity and order. The additional metal Me contained can be selected from the group comprising Mn, Ni, Ti, Cu, Co, Sn and Zn. The additional metal Me contained is preferably selected from the group comprising Mn, Ti and Cu. The production of cobalt-free layered oxides is particularly preferred for use as cathode materials for lithium-ion batteries. Me is preferably selected from Mn and Ti.
Vorzugsweise ist M ausgewählt aus Ni oder Co und Me ausgewählt aus der Gruppe umfassend Mn, Ti, Cu, Sn und Zn. Bevorzugt ist M Nickel und Me ausgewählt aus der Gruppe umfassend Mn, Ti, Cu, Sn und Zn. Besonders bevorzugt ist M Nickel und Me ausgewählt aus der Gruppe umfassend Mn, Ti und Cu.Preferably, M is selected from Ni or Co and Me is selected from the group comprising Mn, Ti, Cu, Sn and Zn. Preferably, M is nickel and Me is selected from the group comprising Mn, Ti, Cu, Sn and Zn. Particularly preferably, M is nickel and Me is selected from the group comprising Mn, Ti and Cu.
In bevorzugten Ausführungsformen ist M Ni und Me ist Mn oder Ti. Mangan-haltige und Titan-haltige Eisen-Nickel-Schichtoxide mit R-3m-Struktur konnten mit variablem Eisengehalt in sehr guter Reinheit und Ordnung hergestellt werden. Weitere bevorzugte eisenhaltige Präkursoren sind entsprechend ausgewählt aus Ni1-x-yFexMny(OH)2 und Ni1-x-yFexTiy(OH)2 mit 0,02 ≤ x ≤ 0,99, vorzugsweise 0,02 ≤ x ≤ 0,9, bevorzugt 0,02 ≤ x ≤ 0,6, weiter bevorzugt 0,02 ≤ x ≤ 0,4, mehr bevorzugt 0,02 ≤ x ≤ 0,2 und 0,02 ≤ y ≤ 0,99, vorzugsweise 0,02 ≤ y ≤ 0,9, bevorzugt 0,02 ≤ y ≤ 0,6, weiter bevorzugt 0,02 ≤ y ≤ 0,4, mehr bevorzugt 0,02 ≤ y ≤ 0,2.In preferred embodiments, M is Ni and Me is Mn or Ti. Manganese-containing and titanium-containing iron-nickel layered oxides with R-3m structure could be produced with variable iron content in very good purity and order. Further preferred iron-containing precursors are selected accordingly from Ni 1-xy Fe x Mn y (OH) 2 and Ni 1-xy Fe x Ti y (OH) 2 with 0.02 ≤ x ≤ 0.99, preferably 0.02 ≤ x ≤ 0.9, preferably 0.02 ≤ x ≤ 0.6, further preferably 0.02 ≤ x ≤ 0.4, more preferably 0.02 ≤ x ≤ 0.2 and 0.02 ≤ y ≤ 0.99, preferably 0.02 ≤ y ≤ 0.9, preferably 0.02 ≤ y ≤ 0.6, further preferably 0.02 ≤ y ≤ 0.4, more preferably 0.02 ≤ y ≤ 0.2.
In weiter bevorzugten Ausführungsformen stellt man ein eisenhaltiges Schichtoxid der Formel LiNi1-x-yFexMnyO2 wobei 0,02 ≤ x ≤ 0,6 und 0,02 ≤ y ≤ 0,6, vorzugsweise 0,02 ≤ x ≤ 0,4 und 0,02 ≤ y ≤ 0,4, bevorzugt 0,02 ≤ x ≤ 0,2 und 0,02 ≤ y ≤ 0,2, mit R-3m-Struktur her. Mangan-haltige Nickel-Eisen-Schichtoxide Ni1-x-yFexMnyO2 mit x = 0,02, 0,1 und 0,2 und y = 0,02, 0,1 und 0,2 mit R-3m-Struktur konnten mit hoher Reinheit hergestellt und als Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien getestet werden. Hierbei zeigte sich, dass insbesondere Ni1-x-yFexMnyO2 hervorragende Eigenschaften als Kathodenmaterial zeigte. Bevorzugte Mangan-haltige Nickel-Eisen-Schichtoxide Ni1-x-yFexMnyO2 herstellbar mit dem beschriebenen Verfahren sind ausgewählt aus LiNi0,96Fe0,02Mn0,02O2 (NFM9622), LiNi0,8Fe0,1Mn0,1O2 (NFM811) und LiNi0,6Fe0,2Mn0,2O2 (NFM622).In further preferred embodiments, an iron-containing layered oxide of the formula LiNi 1-xy Fe x Mn y O 2 where 0.02 ≤ x ≤ 0.6 and 0.02 ≤ y ≤ 0.6, preferably 0.02 ≤ x ≤ 0.4 and 0.02 ≤ y ≤ 0.4, preferably 0.02 ≤ x ≤ 0.2 and 0.02 ≤ y ≤ 0.2, with R-3m structure is prepared. Manganese-containing nickel-iron layered oxides Ni 1-xy Fe x Mn y O 2 with x = 0.02, 0.1 and 0.2 and y = 0.02, 0.1 and 0.2 with R-3m structure could be produced with high purity and tested as cathode material in lithium-ion batteries. It was shown that Ni 1-xy Fe x Mn y O 2 in particular showed excellent properties as a cathode material. Preferred manganese Gan-containing nickel-iron layered oxides Ni 1-xy Fe x Mn y O 2 that can be produced using the described process are selected from LiNi 0.96 Fe 0.02 Mn 0.02 O 2 (NFM9622), LiNi 0.8 Fe 0.1 Mn 0.1 O 2 (NFM811) and LiNi 0.6 Fe 0.2 Mn 0.2 O 2 (NFM622).
In weiter bevorzugten Ausführungsverfahren stellt man ein eisenhaltiges Schichtoxid der Formel LiNi1-x-yFexTiyO2 wobei 0,02 ≤ x ≤ 0,6 und 0,02 ≤ y ≤ 0,6, vorzugsweise 0,02 ≤ x ≤ 0,4 und 0,02 ≤ y ≤ 0,4, bevorzugt 0,02 ≤ x ≤ 0,2 und 0,02 ≤ y ≤ 0,2, mit R-3m-Struktur her. Titan-haltige Nickel-Eisen-Schichtoxide Ni1-x-yFexTiyO2 mit x = 0,02, 0,1 und 0,2 und y = 0,02, 0,1 und 0,2 mit R-3m-Struktur konnten mit hoher Reinheit hergestellt und als Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Zellen getestet werden. Hierbei zeigte sich, dass die hergestellten phasenreinen Ti-substituierten Schichtoxide ein weiteres Kathodenmaterial, welches vielversprechende, elektrochemische Eigenschaften ausweist, bilden. Für diese Materialien wurde eine gute Zyklenstabilität festgestellt. Bevorzugte Titan-haltige Nickel-Eisen-Schichtoxide Ni1-x-yFexTiyO2 herstellbar mit dem beschriebenen Verfahren sind ausgewählt aus LiNi0,96Fe0,02 Ti0,02O2 (NFT9622), LiNi0,8Fe0,1 Ti0,1O2 (NFT811) und LiNi0,6Fe0,2Ti0,2O2 (NFT622).In further preferred embodiments, an iron-containing layered oxide of the formula LiNi 1-xy Fe x Ti y O 2 where 0.02 ≤ x ≤ 0.6 and 0.02 ≤ y ≤ 0.6, preferably 0.02 ≤ x ≤ 0.4 and 0.02 ≤ y ≤ 0.4, preferably 0.02 ≤ x ≤ 0.2 and 0.02 ≤ y ≤ 0.2, with R-3m structure is produced. Titanium-containing nickel-iron layered oxides Ni 1-xy Fe x Ti y O 2 with x = 0.02, 0.1 and 0.2 and y = 0.02, 0.1 and 0.2 with R-3m structure were produced with high purity and tested as cathode material in lithium-ion cells. It was shown that the phase-pure Ti-substituted layered oxides produced form another cathode material that exhibits promising electrochemical properties. Good cycle stability was found for these materials. Preferred titanium-containing nickel-iron layered oxides Ni 1-xy Fe x Ti y O 2 that can be produced using the described process are selected from LiNi 0.96 Fe 0.02 Ti 0.02 O 2 (NFT9622), LiNi 0.8 Fe 0.1 Ti 0.1 O 2 (NFT811) and LiNi 0.6 Fe 0.2 Ti 0.2 O 2 (NFT622).
Beispiele und Figuren, die der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung dienen, sind nachstehend angegeben.Examples and figures serving to illustrate the present invention are given below.
Hierbei zeigen die Figuren:The figures show:
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1 zeigt in den1a) ,1b) und1c ) Röntgendiffraktogramme erfindungsgemäß hergestellter Schichtoxide LiNi0,9Fe0,1O2 (LNFO91), LiNi0,8Fe0,2O2 (LNFO82) und LiNi0,6Fe0,4O2 (LNFO64) sowie die jeweilige Rietveld-Verfeinerung mit der R-3m-Raumgruppe.1 shows in the1a) ,1b) and1c ) X-ray diffractograms of layered oxides LiNi 0.9 Fe 0.1 O 2 (LNFO91), LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82) and LiNi 0.6 Fe 0.4 O 2 (LNFO64) prepared according to the invention as well as the respective Rietveld refinement with the R-3m space group. -
2 zeigt in den2a) ,2b) und2c ) Pulverdiffraktionsdaten und Verfeinerungen erfindungsgemäß hergestellter Schichtoxide LiNi0,96Fe0,02Mn0,02O2 (NFM9622), LiNi0,8Fe0,1Mn0,1O2 (NFM811) und LiNi0.6Fe0,2Mn0,2O2 (NFM622), synthetisiert bei 800 °C für 20 h.2 shows in the2a) ,2b) and2c ) Powder diffraction data and refinements of layered oxides LiNi 0.96 Fe 0.02 Mn 0.02 O 2 (NFM9622), LiNi 0.8 Fe 0.1 Mn 0.1 O 2 (NFM811) and LiNi 0.6 Fe 0.2 Mn 0.2 O 2 (NFM622) prepared according to the invention, synthesized at 800 °C for 20 h. -
3 zeigt in den3a) ,3b) und3c ) Pulverdiffraktionsdaten und Verfeinerungen von LiNi0,96Fe0,02Ti0,02O2 (NFT9622), LiNi0,8Fe0,1Ti0,1O2 (NFT811) und LiNi0.6Fe0.2Ti0.2O2 (NFT622), kalziniert bei 800 °C für 20 h.3 shows in the3a) ,3b) and3c ) Powder diffraction data and refinements of LiNi 0.96 Fe 0.02 Ti 0.02 O 2 (NFT9622), LiNi 0.8 Fe 0.1 Ti 0.1 O 2 (NFT811) and LiNi 0.6 Fe 0.2 Ti 0.2 O 2 (NFT622), calcined at 800 °C for 20 h. -
4 zeigt Röntgendiffraktogramme des Nickel-Eisen-Schichtoxids LiNi0,8Fe0,2O2 (LNFO82) als Funktion der Kalzinierungstemperatur.4 shows X-ray diffractograms of the nickel-iron layered oxide LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82) as a function of the calcination temperature. -
5 zeigt Pulverdiffraktogramme von LiNi0.9Fe0,1O2 (LNFO91), LiNi0.8Fe0,2O2 (LNFO82), LiNi0.6Fe0.4O2 (LNFO64) und LiNi0.5Fe0.5O2 (LNFO55), kalziniert bei 500 °C für 20 h im Vergleich zu LNFO82, synthetisiert ohne Vorheizen mit einer Präkalzinierung bei 500 °C (2 h) und einer Kalzinierung bei 800 °C (20 h).5 shows powder diffractograms of LiNi 0.9 Fe 0.1 O 2 (LNFO91), LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82), LiNi 0.6 Fe 0.4 O 2 (LNFO64) and LiNi 0.5 Fe 0.5 O 2 (LNFO55) calcined at 500 °C for 20 h in comparison to LNFO82, synthesized without preheating with a precalcination at 500 °C (2 h) and a calcination at 800 °C (20 h). -
6 zeigt die Me/Li-Fehlordnung (Me=Ni und Fe) als Funktion der Kalzinierungstemperatur von LiNixFe1-xO2 (x=0,9 (LNFO91), 0.8 (LNFO82), 0,6 (LNFO64) und 0,5 (LNFO55)).6 shows the Me/Li disorder (Me=Ni and Fe) as a function of the calcination temperature of LiNi x Fe 1-x O 2 (x=0.9 (LNFO91), 0.8 (LNFO82), 0.6 (LNFO64) and 0.5 (LNFO55)). -
7 zeigt Pulverdiffraktogramme von LiNi0.8Fe0,2O2 (LNFO82) kalziniert bei 800 °C während 10 h in7a) und20 h in7b) .7 shows powder diffractograms of LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82) calcined at 800 °C for 10 h in7a) and20 hrs in7b) . -
8 Pulverdiffraktogramme von LiNi0.9Fe0,1O2 (LNFO91) in8a) , LiNi0.8Fe0,2O2 (LNFO82) in8b) , LiNi0.6Fe0.4O2 (LNFO64) in8c ) und LiNi0.5Fe0.5O2 (LNFO55) in8d ), synthetisiert mit Vorheizen auf 800 °C und Kalzinierung bei 800 °C für 20 h im Vergleich zu Vorheizen auf 500 °C, Präkalzinierung bei 500 °C für 2 h und anschließende Kalzinierung bei 800 °C für 20 h.8 Powder diffractograms of LiNi 0.9 Fe 0.1 O 2 (LNFO91) in8a) , LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82) in8b) , LiNi 0.6 Fe 0.4 O 2 (LNFO64) in8c ) and LiNi 0.5 Fe 0.5 O 2 (LNFO55) in8d ), synthesized with preheating to 800 °C and calcination at 800 °C for 20 h compared to preheating to 500 °C, precalcination at 500 °C for 2 h and subsequent calcination at 800 °C for 20 h. -
9 in5a) das Kapazitätsverhalten von Elektroden enthaltend NCM811 (LiNi0,8Co0,1Mn0,1O2) als Referenz, LiNi0,8Fe0,1Mn0,1O2 (NFM811), LiNi0,8Fe0,1Ti0,1O2 (NFT811), LiNiO2 (LNO) als Referenz, LiNi0,98Fe0,02O2 (LNFO982), LiNi0,9Fe0,1O2 (LNFO91), LiNi0,8Fe0,2O2 (LNFO82); in9b) das Spannungsprofil, und in9c ) die differentielle Kapazität des ersten Lade- und Entladezyklus.9 in5a) the capacity behavior of electrodes containing NCM811 (LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 ) as reference, LiNi 0.8 Fe 0.1 Mn 0.1 O 2 (NFM811), LiNi 0.8 Fe 0.1 Ti 0.1 O 2 (NFT811), LiNiO 2 (LNO) as reference, LiNi 0.98 Fe 0.02 O 2 (LNFO982), LiNi 0.9 Fe 0.1 O 2 (LNFO91), LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82); in9b) the voltage profile, and in9c ) the differential capacity of the first charge and discharge cycle. -
10 in10a) das Kapazitätsverhalten von Elektroden enthaltend LNO (LiNiO2) als Referenz, LiNi0,96Fe0,02Mn0,02O2 (NFM9622), LiNi0,8Fe0,1Mn0,1O2 (NFM811) und LiNi0,6Fe0,2Mn0,2O2 (NFM622). In10b) das Spannungsprofil, und in10c ) die differentielle Kapazität des ersten Lade- und Entladezyklus der Kathoden.10 in10a) the capacity behavior of electrodes containing LNO (LiNiO 2 ) as reference, LiNi 0.96 Fe 0.02 Mn 0.02 O 2 (NFM9622), LiNi 0.8 Fe 0.1 Mn 0.1 O 2 (NFM811) and LiNi 0.6 Fe 0.2 Mn 0.2 O 2 (NFM622). In10b) the voltage profile, and in10c ) the differential capacitance of the first charge and discharge cycle of the cathodes. -
11 zeigt in11a) Pulverdiffraktionsdaten von LiNi0,8Fe0,2O2 (LNFO82) während des Ladens und Entladens.11b) zeigt Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) Spektren von LiNi0,8Fe0,2O2 (LNFO82) bei 100%, 90%, 85 %, 75 %, 40%, 25 % und 0% Ladezustand.11 shows in11a) Powder diffraction data of LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82) during charging and discharging.11b) shows near-edge X-ray absorption spectroscopy (NEXAFS) spectra of LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82) at 100%, 90%, 85%, 75%, 40%, 25% and 0% charge state.
Beispiel 1Example 1
Herstellung von Nickel-Eisen-Schichtoxiden LiNi1-xFexO2 Production of nickel-iron layered oxides LiNi 1-x Fe x O 2
Co-Präzipitieren und Trocknen des Präkursors Ni1-xFex(OH)2 Co-precipitation and drying of the precursor Ni 1-x Fe x (OH) 2
Zunächst wurde eine 1,5 molare, wässrige Lösung (100 mL) einer stöchiometrischen Menge von Eisensulfat und Nickelsulfat in deionisiertem Wasser (Millipore) hergestellt. Ferner wurden 110 mL einer 4.875 molaren NaOH Lösung und 100 ml einer 12 Gew.-% NH3 Lösung zusammen gegeben. In einem Rundkolben wurden 10 mL einer 4.875 molaren NaOH Lösung vorgelegt. Aus dieser Lösung wurde Sauerstoff unter Rühren entfernt, indem die Lösung 1 h mit gasförmigem Stickstoff durchströmt wurde. Unter weiterem Stickstoffstrom und kontinuierlichem Rühren wurden dann die Metallsalz- und die NaOH/NH3 Lösung über eine Dauer von 2 h im Verhältnis 1:1,2 in die Lösung gepumpt. Dabei fielen die Metallsalze als Hydroxid-Präkursor (Ni1-xFex(OH)2) aus. Während der gesamten Zugabe der Metallsalz- und der NaOH/NH3 Lösung wurde der pH-Wert nach Bedarf durch Zugabe einer 4.875 molaren NaOH-Lösung konstant bei pH 11 gehalten. Nach Beenden der Zugabe der Metallsalz- und der NaOH/NH3 Lösung wurde die Suspension weitere 4 h unter Stickstoffstrom gerührt. Anschließend wurde der Präkursor durch Vakuumfiltration von der wässrigen Phase getrennt und bei 80 °C in einem Trockenschrank (Binder E53) über Nacht getrocknet.First, a 1.5 molar aqueous solution (100 mL) of a stoichiometric amount of iron sulfate and nickel sulfate in deionized water (Millipore) was prepared. In addition, 110 mL of a 4.875 molar NaOH solution and 100 ml of a 12 wt.% NH 3 solution were added together. 10 mL of a 4.875 molar NaOH solution were placed in a round-bottomed flask. Oxygen was removed from this solution with stirring by flowing gaseous nitrogen through the solution for 1 h. With a further nitrogen flow and continuous stirring, the metal salt and the NaOH/NH 3 solution were then pumped into the solution over a period of 2 h in a ratio of 1:1.2. The metal salts precipitated as hydroxide precursors (Ni 1-x Fe x (OH) 2 ). During the entire addition of the metal salt and the NaOH/NH 3 solution, the pH was kept constant at pH 11 by adding a 4.875 molar NaOH solution as required. After the addition of the metal salt and the NaOH/NH 3 solution had been completed, the suspension was stirred for a further 4 h under a stream of nitrogen. The precursor was then separated from the aqueous phase by vacuum filtration and dried overnight at 80 °C in a drying oven (Binder E53).
KalzinierungCalcination
Der Präkursor wurde mit 3% bis 10% Überschuss, Mol.-% bezogen auf das stöchiometrische Verhältnis von Li zu M + Me, an Lithiumhydroxid (LiOH) in Aceton suspendiert. Die Suspension wurde über Nacht im Abzug getrocknet. Ein Rohrofen (Carbolite™) wurde für 2,5 h auf eine Temperatur von 800°C vorgeheizt. Anschließend wurde das Gemisch von LiOH und Präkursor in den Ofen eingebracht und für 20 h unter Sauerstofffluss kalziniert.The precursor was suspended in acetone with 3% to 10% excess, mol% based on the stoichiometric ratio of Li to M + Me, of lithium hydroxide (LiOH). The suspension was dried overnight in a fume hood. A tube furnace (Carbolite™) was preheated to a temperature of 800°C for 2.5 h. The mixture of LiOH and precursor was then introduced into the furnace and calcined for 20 h under oxygen flow.
Die folgende Tabelle 1 fasst die für die Herstellung der Schichtoxide LiNi0,9Fe0,1O2 (LNFO91), LiNi0,8Fe0,2O2 (LNFO82), LiNi0,6Fe0,4O2 (LNFO64), und LiNi0,5Fe0,5O2 (LNFO55) verwendeten Metallsalze zusammen. Tabelle 1: Einwaage der Metallsalze
Während der Kalzinierung blieb die Morphologie der Sekundärpartikel erhalten wodurch ein feines Pulver entstand. Die Bestimmung der Stöchiometrie der Kathodenmaterialien nach der Kalzinierung erfolgte durch Energiedispersive Röntgenspektroskopie (energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX) unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM, ZEISS Auriga) welches mit einem EDX Detektor (INCAPentaFETx3, Oxford Instruments) ausgestattet war, sowie mit Hilfe der optischen Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES, Spectro ARCOS ICP-OES, Spectro Analytical Instruments, Kleve, Germany). Beide Messungen bestätigten, dass Eisen homogen in den Partikeln verteilt war und dass das Li:Fe:Ni-Verhältnis dem stöchiometrischen Verhältnis (±0.02%) entsprach. Die Phasenreinheit der Materialien wurde mit Hilfe der Pulverdiffraktion (Bruker Cu Kα1,2 Strahlung, λ = 1,54059 Å/ 1,54443 Å und Synchrotronquelle, Beamline I11, DLS UK, λ = 0,489951 Å) bestimmt.During calcination, the morphology of the secondary particles was preserved, resulting in a fine powder. The stoichiometry of the cathode materials after calcination was determined by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) using a scanning electron microscope (SEM, ZEISS Auriga) equipped with an EDX detector (INCAPentaFETx3, Oxford Instruments) and by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES, Spectro ARCOS ICP-OES, Spectro Analytical Instruments, Kleve, Germany). Both measurements confirmed that iron was homogeneously distributed in the particles and that the Li:Fe:Ni ratio corresponded to the stoichiometric ratio (±0.02%). The phase purity of the materials was determined by powder diffraction (Bruker Cu Kα 1.2 radiation, λ = 1.54059 Å/ 1.54443 Å and synchrotron source, Beamline I11, DLS UK, λ = 0.489951 Å).
Es konnte festgestellt werden, dass sowohl die Gitterparameter wie auch die Li/Me-Unordnung in der Größenordnung von NCMs und anderen bekannten Schichtstrukturen lagen.It was found that both the lattice parameters and the Li/Me disorder were of the order of magnitude of NCMs and other known layered structures.
Beispiel 2Example 2
Herstellung von Nickel-Eisen-Mangan-SchichtoxidenProduction of nickel-iron-manganese layered oxides
Manganhaltiges Nickel-Eisen-Schichtoxide der Formeln LiNi0,96Fe0,02Mn0,02O2 (NFM9622), LiNi0,8Fe0,1Mn0,1O2 (NFM811) und LiNi0,6Fe0,2Mn0,2O2 (NFM622) wurde hergestellt wie unter Beispiel 1 beschrieben, wobei abweichend jeweils 1,5 molare, wässrige Lösungen einer stöchiometrischen Menge von Eisensulfat, Nickelsulfat und Mangansulfat hergestellt wurden.Manganese-containing nickel-iron layered oxides of the formulas LiNi 0.96 Fe 0.02 Mn 0.02 O 2 (NFM9622), LiNi 0.8 Fe 0.1 Mn 0.1 O 2 (NFM811) and LiNi 0.6 Fe 0.2 Mn 0.2 O 2 (NFM622) were prepared as described in Example 1, with the exception that 1.5 molar aqueous solutions of a stoichiometric amount of iron sulfate, nickel sulfate and manganese sulfate were prepared.
Die folgende Tabelle 3 fasst die Ergebnisse der Verfeinerungen der hergestellten Schichtoxide LiNi0,96Fe0,02Mn0,02O2 (NFM9622), LiNi0,8Fe0,1Mn0,1O2 (NFM811) und LiNi0,6Fe0,2Mn0,2O2 (NFM622) zusammen. Aufgeführt ist der a,b-Gitterparameter, der c-Gitterparameter, die Me/Li-Fehlordnung (mit Me=Ni und Fe) und der RBragg-Wert der Verfeinerung. Tabelle 3: Ergebnisse der Verfeinerungen
Es konnte festgestellt werden, dass sowohl die Gitterparameter wie auch die Li/Me-Unordnung in der Größenordnung von NCMs und anderen bekannten Schichtstrukturen lagen.
It was found that both the lattice parameters and the Li/Me disorder were of the order of magnitude of NCMs and other known layered structures.
Beispiel 3Example 3
Herstellung von Nickel-Eisen-Titan-SchichtoxidenProduction of nickel-iron-titanium layered oxides
Titanhaltige Nickel-Eisen-Schichtoxide der Formeln LiNi0,96Fe0,2Mn0,2O2 (NFT9622), LiNi0,8Fe0,1Ti0,1O2 (NFT811) und LiNi0,6Fe0,2Ti0,2O2 (NFT622) wurden hergestellt wie unter Beispiel 1 beschrieben, wobei abweichend eine 1,5 molare, wässrige Lösung einer stöchiometrischen Menge von Eisensulfat, Nickelsulfat und Titansulfat hergestellt wurde.Titanium-containing nickel-iron layered oxides of the formulas LiNi 0.96 Fe 0.2 Mn 0.2 O 2 (NFT9622), LiNi 0.8 Fe 0.1 Ti 0.1 O 2 (NFT811) and LiNi 0.6 Fe 0.2 Ti 0.2 O 2 (NFT622) were prepared as described in Example 1, except that a 1.5 molar aqueous solution of a stoichiometric amount of iron sulfate, nickel sulfate and titanium sulfate was prepared.
Die folgende Tabelle 4 fasst die Ergebnisse der Verfeinerungen der hergestellten Schichtoxide LiNi0,96Fe0,02Mn0,02O2 (NFT9622), LiNi0,8Fe0,1Ti0,1O2 (NFT811) und LiNi0,6Fe0,2Ti0,2O2 (NFT622), zusammen. Aufgeführt ist der a,b-Gitterparameter, der c-Gitterparameter, die Me/Li-Fehlordnung (mit Me=Ni und Fe) und der RBragg-Wert der Verfeinerung. Tabelle 4: Ergebnisse der Verfeinerungen
Es konnte festgestellt werden, dass sowohl die Gitterparameter wie auch die Li/Me-Unordnung in der Größenordnung von NCMs und anderen bekannten Schichtstrukturen lagen.It was found that both the lattice parameters and the Li/Me disorder were of the order of magnitude of NCMs and other known layered structures.
Vergleichsbeispiel 4Comparison example 4
Untersuchung der Kalzinierung ohne Vorheizen bei verschiedenen KalzinierungstemperaturenInvestigation of calcination without preheating at different calcination temperatures
Co-Präzipitieren und Trocknen des Präkursors für Nickel-Eisen-Schichtoxid LiNi0,8Fe0,2O2 (LNFO82) erfolgte wie unter Beispiel 1 beschrieben. Ebenso wurde der Präkursor mit 3% bis 10% Überschuss, Gew.-% bezogen auf das stöchiometrische Verhältnis, an Lithiumhydroxid (LiOH) in Aceton suspendiert und die Suspension über Nacht im Abzug getrocknet. Abweichend wurden der getrocknete Präkursor und LiOH bei Raumtemperatur (20±2°C) in den Rohrofen (Carbolite™) eingebracht und anschließend wurde der Rohrofen und das darin enthaltende LiOH/Ni0,8Fe0,2(OH)2 Gemisch auf eine Temperatur von 100 °C, 200 °C, 300 °C oder 500°C mit einer Heizrate von 2 °C/min gebracht. Nach Erreichen der Temperatur wurde der Rohrofen auf Raumtemperatur abgekühlt.Co-precipitation and drying of the precursor for nickel-iron layered oxide LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82) was carried out as described in Example 1. The precursor was also suspended in acetone with a 3% to 10% excess, by weight, of lithium hydroxide (LiOH) based on the stoichiometric ratio, and the suspension was dried overnight in a fume hood. Alternatively, the dried precursor and LiOH were introduced into the tube furnace (Carbolite™) at room temperature (20±2°C) and then the tube furnace and the LiOH/Ni 0.8 Fe 0.2 (OH) 2 mixture contained therein were brought to a temperature of 100 °C, 200 °C, 300 °C or 500 °C at a heating rate of 2 °C/min. After the temperature was reached, the tube furnace was cooled to room temperature.
Weiterhin wurde LiNi0,8Fe0,2O2 (LNFO82) hergestellt, indem wie oben beschrieben der getrocknete Präkursor und LiOH bei Raumtemperatur (20±2°C) in den Rohrofen eingebracht und dieser anschließend mit dem darin enthaltenden LiOH/Ni0,8Fe0,2(OH)2 Gemisch auf eine Temperatur von 800°C gebracht wurde. Anschließend wurde für 20 h kalziniert.Furthermore, LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82) was prepared by introducing the dried precursor and LiOH into the tube furnace at room temperature (20±2°C) as described above and then heating the tube furnace to a temperature of 800°C with the LiOH/Ni 0.8 Fe 0.2 (OH) 2 mixture contained therein. The mixture was then calcined for 20 h.
Von den hergestellten Lithium-Nickel-Eisen-Oxiden wurden Röntgendiffraktogramme aufgenommen. Die
Beispiel 5Example 5
Untersuchung der Kalzinierung bei 500 °CInvestigation of calcination at 500 °C
Nickel-Eisen-Schichtoxide der Formeln LiNi0,9Fe0,1Mn0,1O2 (LNFO91), LiNi0.8Fe0,2O2 (LNFO82), LiNi0.6Fe0.4O2 (LNFO64) und LiNi0.5Fe0.5O2 (LNFO55) wurden unter Verwendung einer 1,5 molaren, wässrigen Lösung einer stöchiometrischen Menge von Eisensulfat, Nickelsulfat und ggf. Mangansulfat hergestellt wie unter Beispiel 1 beschrieben. Abweichend wurde der Rohrofen für 2,5 h auf eine Temperatur von 500°C vorgeheizt, das Gemisch von LiOH und Präkursor in den Ofen eingebracht und bei 500°C für 20 h unter Sauerstofffluss kalziniert.Nickel-iron layered oxides of the formulas LiNi 0.9 Fe 0.1 Mn 0.1 O 2 (LNFO91), LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82), LiNi 0.6 Fe 0.4 O 2 (LNFO64) and LiNi 0.5 Fe 0.5 O 2 (LNFO55) were prepared using a 1.5 molar aqueous solution of a stoichiometric amount of iron sulfate, nickel sulfate and, if necessary, manganese sulfate as described in Example 1. In contrast, the tube furnace was preheated to a temperature of 500°C for 2.5 h, the mixture of LiOH and precursor was introduced into the furnace and calcined at 500°C for 20 h under oxygen flow.
In einem Vergleichsansatz wurde LiNi0.8Fe0,2O2 (LNFO82) ohne Vorheizen des Rohrofens synthetisiert, wobei der Präkursor und LiOH bei Raumtemperatur (20±2°C) in den Rohrofen eingebracht und dieser anschließend mit dem darin enthaltenden LiOH/Ni0,8Fe0,2(OH)2 Gemisch auf eine Temperatur von 500°C gebracht und für 2 h bei 500 °C präkalziniert wurde. Dann wurde der Rohrofen mit einer Heizrate von 2°C/min auf 800°C gebracht und weitere 20 h kalziniert.In a comparison approach, LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82) was synthesized without preheating the tube furnace, whereby the precursor and LiOH were introduced into the tube furnace at room temperature (20±2°C) and the tube furnace was then heated to a temperature of 500°C with the LiOH/Ni 0.8 Fe 0.2 (OH) 2 mixture contained therein. and precalcined for 2 h at 500 °C. Then the tube furnace was heated to 800 °C at a heating rate of 2 °C/min and calcined for a further 20 h.
Von den hergestellten Lithium-Nickel-Eisen-Oxiden wurden Röntgendiffraktogramme aufgenommen. Die
Beispiel 6Example 6
Untersuchung des Einflusses der Kalzinierungstemperatur oberhalb von 500°CInvestigation of the influence of calcination temperature above 500°C
Nickel-Eisen-Schichtoxide LiNi1-xFexO2 wurden hergestellt wie unter Beispiel 1 beschrieben, wobei abweichend für jedes der Schichtoxide LiNi0,9Fe0,1O2 (LNFO91), LiNi0,8Fe0,2O2 (LNFO82), LiNi0,6Fe0,4O2 (LNFO64), und LiNi0,5Fe0,5O2 (LNFO55) die Kalzinierung jeweils für 20 Stunden bei einer Kalzinierungstemperatur von 500°C, 600°C, 700°C, 800°C oder 900°C durchgeführt wurde.Nickel-iron layered oxides LiNi 1-x Fe x O 2 were prepared as described in Example 1, whereby for each of the layered oxides LiNi 0.9 Fe 0.1 O 2 (LNFO91), LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82), LiNi 0.6 Fe 0.4 O 2 (LNFO64), and LiNi 0.5 Fe 0.5 O 2 (LNFO55) the calcination was carried out for 20 hours at a calcination temperature of 500°C, 600°C, 700°C, 800°C or 900°C.
Von den hergestellten Nickel-Eisen-Schichtoxiden wurden Röntgendiffraktogramme aufgenommen und die Me/Li-Fehlordnung (Me=Ni und Fe) verfeinert. Die
Beispiel 7Example 7
Untersuchung verschiedener KalzinierungsdauernInvestigation of different calcination times
Nickel-Eisen-Schichtoxide LiNi0,8Fe0,2O2 (LNFO82) wurden hergestellt wie unter Beispiel 1 beschrieben, wobei die Kalzinierung bei 800°C für 10 h oder 20 h durchgeführt wurde.Nickel-iron layered oxides LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82) were prepared as described in Example 1, whereby calcination was carried out at 800°C for 10 h or 20 h.
Von den hergestellten Nickel-Eisen-Schichtoxiden wurden Röntgendiffraktogramme aufgenommen und die Me/Li-Fehlordnung (Me=Ni und Fe) bestimmt.
Beispiel 8Example 8
Herstellung von Nickel-Eisen- Schichtoxiden mit PräkalzinationProduction of nickel-iron layered oxides with precalcination
Co-Präzipitieren und Trocknen des Präkursors für Nickel-Eisen-Schichtoxide der Formeln LiNi0.9Fe0,1O2 (LNFO91), LiNi0.8Fe0.2O2 (LNFO82), LiNi0.6Fe0.4O2 (LNFO64), LiNi0.3Fe0.3O2 (LNFO55) aus einer 1,5 molaren, wässrigen Lösung einer stöchiometrischen Menge von Eisensulfat und Nickelsulfat erfolgte wie unter Beispiel 1 beschrieben. Ebenso wurde der Präkursor jeweils mit 3% bis 10% Überschuss, Gew.-% bezogen auf das stöchiometrische Verhältnis, an Lithiumhydroxid (LiOH) in Aceton suspendiert und die Suspension über Nacht im Abzug getrocknet.Co-precipitation and drying of the precursor for nickel-iron layered oxides of the formulas LiNi 0.9 Fe 0.1 O 2 (LNFO91), LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82), LiNi 0.6 Fe 0.4 O 2 (LNFO64), LiNi 0.3 Fe 0.3 O 2 (LNFO55) from a 1.5 molar aqueous solution of a stoichiometric amount of iron sulfate and nickel sulfate was carried out as described in Example 1. The precursor was also suspended in acetone with a 3% to 10% excess, weight percent based on the stoichiometric ratio, of lithium hydroxide (LiOH) and the suspension was dried overnight in a fume hood.
Eine Probe des Gemischs des jeweiligen Präkursors und LiOH wurde für 20 h bei 800°C kalziniert wie unter Beispiel 1 beschrieben. Eine weitere Probe wurde zunächst präkalziniert, indem der Rohrofen auf 500 °C vorgeheizt wurde, das Präkursor/LiOH-Gemisch eingebracht und für 2 h bei 500 °C präkalziniert wurde. Danach wurde der Rohrofen mit einer Heizrate von 2°C/min auf 800°C gebracht und weitere 20 h kalziniertA sample of the mixture of the respective precursor and LiOH was calcined for 20 hours at 800°C as described in Example 1. Another sample was first precalcined by preheating the tube furnace to 500°C, adding the precursor/LiOH mixture and precalcining it for 2 hours at 500°C. The tube furnace was then heated to 800°C at a heating rate of 2°C/min and calcined for a further 20 hours.
Von den hergestellten Lithium-Nickel-Eisen- Oxiden wurden Röntgendiffraktogramme aufgenommen. Die
Beispiel 9Example 9
Elektrochemische UntersuchungenElectrochemical investigations
ElektrodenherstellungElectrode production
Für die Elektrodenherstellung wurden die gemäß Beispiel 1 hergestellten Nickel-Eisen-Schichtoxide LiNi0,98Fe0,02O2 (LNFO982), LiNi0,9Fe0,1O2 (LNFO91), LiNi0,8Fe0,2O2 (LNFO82) und LiNiO2 (LNO) als Referenz sowie die gemäß Beispiel 2 und 3 hergestellten Nickel-Eisen-Mangan Schichtoxide LiNi0,8Fe0,1Mn0,1O2 (NFM811), Nickel-Eisen-Titan Schichtoxide LiNi0,8Fe0,1Mn0,1O2 (NFM811) und als Referenz LiNi0,8Co0,1Mn0,1O2 (NCM811, selbst synthetisiert) mit leitfähigem Kohlenstoff (Super C65, Imerys Graphite & Carbon) und Polyvinylidene-Difluorid (Kynar flex) als Binder in einem Gewichtsverhältnis von 80:10:10 verwendet. Zu dem Gemisch aus Schichtoxid, Kohlenstoff und Binder wurde N-methyl Pyrrolidon (Sigma-Aldrich, 99.5% Reinheit) als Lösemittel dazu gegeben, welches den Binder unter Mixen mit einem Lotpastenmischer (Thinky SR-500, 20 min, 1800 rpm) löst. Die so erhaltene Paste wurde mit Hilfe eines Rakels mit einer Dicke der feuchten Schicht von 200 µm auf Aluminiumfolie (20 µm Dicke, Goodfellow) aufgebracht. Die so entstandenen Elektroden wurden bei 80°C in einem Trockenschrank (Binder E53) über Nacht getrocknet. Anschließend wurden runde Elektroden mit einem Durchmesser von 12 mm, respektive einer Fläche von 1,13 cm2, ausgestanzt und über Nacht bei 120°C unter Vakuum getrocknet. Die Flächenbeladung betrug etwa 6 bis 7 mg cm-2. Die Ermittlung der Flächenbeladung erfolgte durch Wiegen der reinen Folie und der ausgestanzten Elektroden.For the electrode production, the nickel-iron layered oxides LiNi 0.98 Fe 0.02 O 2 (LNFO982), LiNi 0.9 Fe 0.1 O 2 (LNFO91), LiNi 0.8 Fe 0.2 O 2 (LNFO82) and LiNiO 2 (LNO) produced according to Example 1 were used as reference and the nickel-iron-manganese layered oxides LiNi 0.8 Fe 0.1 Mn 0.1 O 2 (NFM811) produced according to Examples 2 and 3, nickel-iron-titanium layered oxides LiNi 0.8 Fe 0.1 Mn 0.1 O 2 (NFM811) and as reference LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 (NCM811, self-synthesized) were coated with conductive carbon (Super C65, Imerys Graphite & Carbon) and Polyvinylidene difluoride (Kynar flex) was used as a binder in a weight ratio of 80:10:10. N-methyl pyrrolidone (Sigma-Aldrich, 99.5% purity) was added to the mixture of layer oxide, carbon and binder as a solvent, which dissolves the binder when mixed with a solder paste mixer (Thinky SR-500, 20 min, 1800 rpm). The paste thus obtained was applied to aluminum foil (20 µm thick, Goodfellow) using a doctor blade with a wet layer thickness of 200 µm. The electrodes thus produced were dried overnight at 80°C in a drying cabinet (Binder E53). Round electrodes with a diameter of 12 mm, or an area of 1.13 cm 2 , were then punched out and dried overnight at 120°C under vacuum. The surface loading was approximately 6 to 7 mg cm -2 . The surface loading was determined by weighing the pure foil and the punched-out electrodes.
Die elektrochemischen Untersuchungen erfolgten in 2032 Knopfzellen mit Lithiummetallfolien (Albemarle, battery grade) als Gegenelektroden, Celgard2500 (16 mm Ø) als Separator und 35 µL LP572 (1 molares LiPF6 in Ethylencarbonat/Ethyl-Methylcarbonat im Gewichtsverhältnis 3:7, mit 2 Gew.-% Vinylencarbonat, BASF, battery grade) als Elektrolyt. Die angegebenen Spannungen beziehen sich auf die Li+/Li Gegenelektrode. Alle elektrochemischen Untersuchungen wurden bei einer Temperatur von 20°C ± 2°C durchgeführt. Als Potentiostat/Galvanostat wurde ein Maccor 4300 Batterie Testsystem verwendet.The electrochemical investigations were carried out in 2032 button cells with lithium metal foils (Albemarle, battery grade) as counter electrodes, Celgard2500 (16 mm Ø) as separator and 35 µL LP572 (1 molar LiPF 6 in ethylene carbonate/ethyl methyl carbonate in a weight ratio of 3:7, with 2 wt.% vinylene carbonate, BASF, battery grade) as electrolyte. The voltages given refer to the Li + /Li counter electrode. All electrochemical investigations were carried out at a temperature of 20°C ± 2°C. A Maccor 4300 battery test system was used as potentiostat/galvanostat.
Die Zellen wurden zwischen 3,0 V und 4,6 V (4,4 V) zykliert, je nachdem bei welcher Spannung Redox-(Ladungsaustausch)prozesse ablaufen. Die Zellen wurden in den ersten fünf Zyklen mit einer konstanten Stromdichte von 9 mA/g (C/20, als nominelle Kapazität wurde unabhängig vom Material eine Kapazität von 180 mAh/g verwendet) zykliert. Danach folgten jeweils fünf Zyklen mit 18 mA/g (C/10), 36 mA/g (C/5), 90 mAh/g (C/2), 180 mAh/g (1C) und 20 Zyklen mit 360 mAh/g (2C). Diese Prozedur wurde einmal wiederholt und abschließend wurden noch einmal 5 Lade- und Entladezyklen mit einem Strom von 9 mA/g (C/20) durchgeführt.The cells were cycled between 3.0 V and 4.6 V (4.4 V), depending on the voltage at which redox (charge exchange) processes take place. The cells were cycled in the first five cycles with a constant current density of 9 mA/g (C/20, a capacity of 180 mAh/g was used as the nominal capacity regardless of the material). This was followed by five cycles each with 18 mA/g (C/10), 36 mA/g (C/5), 90 mAh/g (C/2), 180 mAh/g (1C) and 20 cycles with 360 mAh/g (2C). This procedure was repeated once and finally 5 more charge and discharge cycles were carried out with a current of 9 mA/g (C/20).
Peaks in der differentiellen Kapazität (
Wie man der
Während sich die Zyklenstabilität der Kathoden mit 80% Ni (
Die zugrundeliegenden Reaktionen der Schichtoxide wurden mittels Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) untersucht.
Die NEXAFS Messungen (
Ohne auf eine Theorie festgelegt zu sein, wird als Ursache für die stärker ausgeprägten Redoxprozesse bei hohen Spannungen die Diskrepanz zwischen Formalladung und realer Ladung der Übergangsmetalle und Sauerstoff angenommen, was zur Ausbildung von π-Bändern und schließlich zu einer O-O Redoxaktivität führt. Diese Annahme wird dadurch bestätigt, dass durch das Einbringen von vierwertigen Kationen wie Mn und Ti die Zyklenstabilität im Vergleich zu LNFO91 und LNFO82 verbessert wurde.Without being committed to a theory, the reason for the more pronounced redox processes at high voltages is assumed to be the discrepancy between the formal charge and the real charge of the transition metals and oxygen, which leads to the formation of π-bands and ultimately to O-O redox activity. This assumption is confirmed by the fact that the introduction of tetravalent cations such as Mn and Ti improved the cycling stability compared to LNFO91 and LNFO82.
Insgesamt konnten mittels Kalzinierung eisenhaltige Schichtoxide der Formel LiM1-x-yFexMeyO2 hergestellt werden, die eine hohe Reinheit aufwiesen. Diese eignen sich daher als Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien.Overall, iron-containing layered oxides of the formula LiM 1-xy Fe x Me y O 2 with a high degree of purity were produced by calcination. These are therefore suitable as cathode material for lithium-ion batteries.
Die dieser Patentanmeldung zu Grunde liegende Erfindung entstand in einem Projekt, welches unter dem Förderkennzeichen 03XP0231 vom BMBF gefördert wurde.The invention underlying this patent application was developed in a project funded by the BMBF under the funding code 03XP0231.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Drehrohrofen. In: Wikipedia, die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand:18.09.2022, 16:58 UTC, URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Drehrohrofen&oldid=226265548 |
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