EP0624552B1

Novel method for preparing solid solution materials for secondary non-aqueous batteries

Abstract

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EP0624552B1, drawing sheet 1
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Expired 15 April 2014, 12.4 years ago.

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14 claims: 14 independent, 0 dependent

  1. 1
    A method of preparing a solid solution of the empirical formula         ByMOz     (I) wherein B represents an element selected from Li, Na, K, Rb, Cs, Mg and Ca, y is a number in the range from greater than 0.5 to about 2, and z is a number in the range from about 1.5 to about 3, and M is a transition element selected from Mn, Fe, Ni, Co, V, Cr and Sc which comprises:(a) selecting a water insoluble starting substance which is a solid solution of the empirical formula:         Hy'MOz     (II) and an amount of a water soluble salt of B providing in excess of y' moles of B, wherein B is as defined above and y' is a number in the range from about 1 to about 2 and z is a number in the range from about 1.5 to about 3 and may be the same as or different from the value of z in ByMOz;(b) preparing a mixture of the starting substance, the salt and water;(c) subjecting the mixture to a first temperature above about 0°C and below about 300°C whereby the element H in the starting substance is at least partially ion exchanged with the element B to produce an intermediate solid solution of empirical formula         Hy'-yByMOz     (III) having essentially the structure of said starting substance Hy'MOz, with y≤y' and the value of z being the same as that for z in Hy,MOz;(d) separating said intermediate solid solution Hy'-yByMOz from water which is present and residual salt of B, and(e) drying said intermediate solid solution to remove most of the remaining hydrogen and produce said solid solution (I) essentially free from hydrogen. Méthode pour préparer une solution solide répondant à la formule empirique :         ByMOz     (I) où B représente un élément sélectionné parmi Li, Na, K, Rb Cs, Mg et Ca, y est un nombre supérieur à 0,5 et pouvant aller jusqu'à 2 et z est un nombre compris entre 1,5 et 3 et M est un élément de transition sélectionné parmi Mn, Fe, Ni, Co, V, Cr et Sc qui comprend : (a) la sélection d'une substance de départ insoluble dans l'eau qui est une solution solide répondant à la formule empirique :         Hy'M0z     (II) et une quantité de sel de B soluble dans l'eau fournissant un excès de y' molécules de B, où B est défini comme précédemment et y' est un nombre compris entre 1 et 2 et z est un nombre compris entre 1,5 et 3, et qui peuvent avoir la même valeur ou une valeur différente de celle de z définie dans ByMOz,(b) la préparation d'un mélange de la substance de départ, de l'eau et du sel,(c) la soumission du mélange à une première température supérieure à 0°C et inférieure à 300°C environ pour laquelle l'élément H de la substance de départ est au moins partiellement transformé en ion échangé avec l'élément B pour produire une solution solide intermédiaire de formule enpirique :         Hy'-yByMOz     (III) ayant essentiellement la structure de la dite substance de départ HY'MOZ , avec y <= y' et z ayant la même valeur que celle de z dans Hy'M0z,(d) la séparation de la dite solution solide intermédiaire Hy'-yByM0z de l'eau présente et du sel résiduel de B, et(e) le séchage de la dite solution solide intermédiaire pour retirer la plupart de l'hydrogène restant et produire la dite solution solide (I) essentiellement exempte d'hydrogène. Verfahren zur Herstellung einer festen Lösung mit der empirischen Formel         ByMOz     (I) worin ist: B   ein Element, ausgewählt aus Li, Na, K, Rb, Cs, Mg und Ca;y   eine Zahl über 0,5 bis etwa 2;z   eine Zahl von etwa 1,5 bis etwa 3;undM   ein Übergangselement, ausgewählt aus Mn, Fe, Ni, Co, V, Cr und Sc;umfassend (a) Auswählen einer wasserunlöslichen Ausgangssubstanz, die eine feste Lösung ist mit der empirischen Formel         Hy'MOz     (II) und einer Menge eines wasserlöslichen Salzes mit B, das einen Überschuss von y' Mol B bereitstellt, wobei B wie oben definiert ist;y' eine Zahl von etwa 1 bis etwa 2 ist und z eine Zahl von etwa 1,5 bis etwa 3 ist und gleich oder verschieden vom z-Wert in ByMOz;(b) Herstellen eines Gemisches aus der Ausgangssubstanz, dem Salz und Wasser;(c) Unterwerfen des Gemisches einer ersten Temperatur über etwa 0°C und unter etwa 300°C, wodurch das Element H in der Ausgangssubstanz zumindest teilweise mit dem Element B ionengetauscht wird, so dass man eine feste Zwischenprodukt-Lösung erhält mit der empirischen Formel         Hy'-yByMOz     (III) welche im Wesentlichen die Struktur der Ausgangssubstanz Hy'MOz besitzt, mit y≤y' und einem z-Wert, der gleich dem z in Hy'MOz ist;(d) Abtrennen der festen Zwischenprodukt-Lösung Hy'-yByMOz vom Wasser, das zugegen ist, und vom restlichen Salz mit B;und(e) Trocknen der festen Zwischenprodukt-Lösung, so dass der verbliebene Wasserstoff größtenteils entfernt wird und man die feste Lösung (I) erhält, die im Wesentlichen frei von Wasserstoff ist.
  2. 2
    A method as claimed in claim 1, wherein the mixture comprises an aqueous solution of the salt of B. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle le mélange comprend une solution aqueuse de sel de B. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gemisch eine wässrige Lösung eines Salzes von B umfasst.
  3. 3
    A method as claimed in claim 2, wherein the first temperature is approximately equal to the boiling point of the aqueous solution. Méthode selon la revendication 2, dans laquelle la première température est approximativement égale au point d'ébullition de la solution aqueuse. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Temperatur etwa gleich der Siedetemperatur der wässrigen Lösung ist.
  4. 4
    A method as claimed in any preceding claim, wherein the separation is achieved by centrifuging, filtering or rinsing. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la séparation est obtenue par centrifugation, filtrage ou rinçage. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Abtrennen mittels Zentrifugieren, Filtrieren oder Spülen erfolgt.
  5. 5
    A method as claimed in any preceding claim, wherein M is Mn. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle M est représenté par Mn. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei M Mn ist.
  6. 6
    A method as claimed in any preceding claim, wherein y is in the range from greater than 1 to about 2. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle y est un nombre supérieur à 1 et pouvant aller jusqu'à 2 environ. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei y von über 1 bis etwa 2 reicht.
  7. 7
    A method as claimed in any one of claims 1 to 5, wherein the starting substance is selected from the group consisting of solid solutions α-MnOOH, β-MnOOH, γ-MnOOH and Mn(OH)2. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la substance de départ est sélectionnée dans le groupe constitué par les solutions solides de α-MnOOH, β-MnOOh, γ-MnOOH et Mn(OH)2. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ausgangssubstanz ausgewählt ist aus der Gruppe mit den festen Lösungen α-MnOOH, β-MnOOH, γ-MnOOH und Mn(OH)2.
  8. 8
    A method as claimed in any preceding claim, wherein B is lithium. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle B est le lithium. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei B Lithium ist.
  9. 9
    A method as claimed in claims 7 and 8, wherein B is lithium and the starting substance is solid solution γ-MnOOH. Méthode selon les revendications 7 et 8, dans laquelle B est le lithium et la substance de départ une solution solide γ-MnOOH. Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, wobei B Lithium ist und die Ausgangssubstanz die feste Lösung γ-MnOOH ist.
  10. 10
    A method as claimed in claim 8 for preparing LT-LiMnO2 wherein the element B is lithium and the starting substance is solid solution γ-MnOOH. Méthode selon la revendication 8 pour la préparation de LT-LiMnO2, dans laquelle l'élément B est le lithium et la substance de départ une solution solide γ-MnOOH. Verfahren nach Anspruch 8 zum Herstellen von LT-LiMnO2, wobei das Element B Lithium ist und die Ausgangssubstanz die feste Löstung γ-MnOOH ist.
  11. 11
    A method as claimed in any one of claims 1 to 10, wherein said drying takes place at a second temperature which is in the range of from 100 to 350°C. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle ledit séchage est réalisé à une seconde température qui se situe entre 100 et 350°C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Trocknen bei einer zweiten Temperatur erfolgt, die von 100 bis 350°C reicht.
  12. 12
    A method as claimed in claim 8 for preparing a solid solution spinel LiMn2O4, wherein a starting substance which is solid solution γ-MnOOH and a salt of lithium have been utilised in step (a) and wherein, in step (e) the intermediate solid solution Hy'-yLiyMnOz is heated at a second temperature which is above about 350°C to achieve structural rearrangement of the intermediate solid solution to a spinel structure. Méthode selon la revendication 8 pour la préparation d'une solution solide de spinelle LiMn2O4, dans laquelle la substance de départ, qui est une solution solide γ-MnOOH et un sel de lithium ont été utilisés au cours de la phase (a), et dans laquelle au cours de la phase (e) la solution solide intermédiaire Hy'-yLiyMOz est chauffée à une seconde température qui est supérieure à environ 350°C afin de parfaire le réarrangement structural de la solution solide intermédiaire vers une structure spinelle. Verfahren nach Anspruch 8 zum Herstellen einer festen Lösung LiMn2O4-Spinell, wobei eine Ausgangssubstanz die feste Lösung γ-MnOOH ist, in Schritt (a) ein Lithiumsalz verwendet wird, und in Schritt (e) die feste Zwischenprodukt-Lösung Hy'-yLiyMnOz auf eine zweite Temperatur erhitzt wird, die über etwa 350°C liegt, so dass sich die feste Zwischenprodukt-Lösung strukturmäßig in eine Spinellstruktur umordnet.
  13. 13
    A method as claimed in any one of claims 9 to 12, wherein the salt of B is lithium hydroxide. Méthode selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, dans laquelle le sel de B est l'hydroxyde de lithium. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Salz von B Lithiumhydroxid ist.
  14. 14
    A method as claimed in any one of claims 1 to 3 and any one of claims 8 to 13, wherein M is Fe, Co or Ni. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et 8 à 13, dans laquelle M est constitué par Fe, Co ou Ni. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei M Fe, Co oder Ni ist.