Brevet FR2751135A1 — publié le 19980116

Electrode de générateur électrochimique rechargeable au lithium. La présente invention concerne une électrode de générateur électrochimique rechargeable au lithium, et plus particulièrement le matériau électrochimiquement actif qu'elle contient. Les oxydes lithiés de métaux de transition de formule générale Lix My Ct sont connus comme matériau actif utilisable dans les générateurs au lithium, mais leurs performances doivent encore être améliorées. Plus particulièrement des efforts sont nécessaires pour améliorer la stabilité de la capacité cyclée de ces matériaux tout en conservant une capacité initiale élevée. Pour stabiliser la capacité en cyclage de l'électrode, le brevet américain US-4,668,595 propose d'utiliser un oxyde alcalin d'un métal de transition contenant un des éléments suivants: Al, In, ou Sn. Ces éléments abaissent la tension de décharge, et par conséquent diminuent l'énergie initiale. Dans un oxyde de nickel lithié, d'autres auteurs ont envisagé de substituer partiellement au nickel un élément comme Ti, V, Mn, Fe (EP-0 554 906) ou bien encore Co ou Cr (EP-0 468 942 et EP-O 554 649). La capacité de ces matériaux diminue rapidement au cours du cyclage. La demande de brevet européen EP-0 630 064 propose un oxyde lithié de formule générale LixAyMzJmOp où A est Na et/ou K, M est Ni, Co, et/ou Mn, et J est B, Si, Ge, P, V, Zr, Sb, ou Ti. Les améliorations obtenues avec ces matériaux ne portent que sur un seul aspect de leurs performances au détriment des autres. La présente invention a pour but de proposer un matériau électrochimiquement actif possédant une capacité spécifique initiale élevée et stable au cours du cyclage, particulièrement à des températures supérieures à la température ambiante. L'objet de la présente invention est une électrode de générateur électrochimique rechargeable au lithium contenant un matériau électrochimiquement actif de formule générale Lix My Arn Dz Ot avec: 0,8 (0,8 - m - z) Dans la formule Li désigne le lithium et Q est l'oxygène. Par élément des groupes 4b à 5a de la classification périodique (HANDBOOK of CHEMISTRY and PHYSICS, 46ème Edition), on entend les éléments compris entre Ti, Zr, etc..., et Sb, Bi. De préférence D est au moins un métal choisi parmi le titane, le zirconium, le vanadium, le chrome, le molybdène, le cuivre, le zinc, le cadmium, l'aluminium, le gallium, et l'étain. Les éléments dopants D sont introduits en substitution d'une partie du métal de transition qui défini la structure du matériau. De préférence encore M est un mélange de métaux de transition choisi parmi le nickel, le cobalt, le manganèse et le fer, et contenant majoritairement du nickel. Selon un premier mode de réalisation, on a dans la formule générale 0,90 Selon un deuxième mode de réalisation, on a dans la formule générale (0,90 - m -z) Selon un troisième mode de réalisation, on a dans la formule générale 0 Selon un quatrième mode de réalisation, on a dans la formule générale 0 Selon un cinquième mode de réalisation, on a dans la formule générale (m + z) La présente invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un matériau électrochimiquement actif destiné à être utilisé dans une électrode de générateur électrochimique rechargeable au lithium. Ce procédé comporte les étapes suivantes: - on réalise un mélange comportant au moins un composé du lithium d'une part et au moins un composé oxydé d'au moins un métal de transition M et d'un élément A choisi parmi le magnésium et le calcium d'autre part, - on broie le mélange, puis on le traite thermiquement en atmosphère oxydante, par exemple sous air ou sous oxygène. De préférence, ledit composé du lithium est choisi parmi l'hydroxyde de lithium ou lithine LiOH (H20), le carbonate de lithium Li2Co3, le nitrate de lithium LiNO3, l'oxyde de lithium Li2O, et leurs mélanges. De préférence ledit composé oxydé est choisi parmi un oxyde, un hydroxyde, un oxyhydroxyde et leurs mélanges. Selon une variante, ledit composé oxydé comporte en outre au moins un élément D choisi parmi les éléments des groupes 4b à 5a de la classification périodique. Selon une première forme d'exécution, ledit mélange est environ équimolaire, c'est à dire que le nombre de moles de lithium (nLi), du métal de transition M (nM) de l'élément désigné par A (nA) et de l'élément désigné par D (nD) sont reliés par la relation: nLi # 1 nM+nA+nD Ce mélange conduit à une structure du type Lix M Am Dz 2 dérivée par exemple de LiNiO2, LiCoO2, LiFeO2, LiMnO2, etc... Selon une deuxième forme d'exécution, ledit mélange est contient environ deux fois plus de moles de lithium que du composé oxydé, c'est à dire que le nombre de moles de lithium (nLi), du métal de transition M (nM), de l'élément désigné par A (nA) et de l'élément désigné par D (nD) sont reliés par la relation: nT; z 2 nM+nA+nD Ce mélange conduit à une structure du type Lix M2 Am Dz 04, dérivée par exemple de Lino204, Lino204, LiMn2Q4, etc... De préférence ledit traitement thermique est effectué à une température comprise entre 6000C et 7500C pendant une durée comprise entre 2 heures et 20 heures. Après synthèse, le matériau peut être à nouveau broyé si nécessaire pour l'amener à la granulométrie souhaitée. La présente invention a aussi pour objet un générateur électrochimique rechargeable au lithium comportant au moins une électrode négative, au moins une électrode positive et un éléctrolyte. Ledit générateur comprend une électrode selon l'invention et ladite électrode négative comprend une matière électrochimiquement active choisie parmi le lithium métallique, les alliages du lithium et un matériau capable d'insérer réversiblement des ions lithium dans sa structure, comme par exemple les carbones (graphite, carbone vitreux, coke) sous forme de poudre ou de fibres, ou les oxydes métalliques. De préférence ledit électrolyte se compose d'un sel de lithium en solution dans un solvant non-aqueux. Ledit sel est choisi parmi le perchlorate de lithium LiclO4, l'hexafluorophosphate de lithium LiPF6, le tétrafluoroborate de lithium LiBF4, le trifluorométhanesulfonate de lithium LiCF3SO3, le trifluorométhanesulfonimide de lithium LiN(CF3SO2)2 ( (LiTFSI), ou le trifluorométhanesulfoneméthide de lithium LiC(CF3SO2)3 (LiTFSM). Ledit solvant est constitué d'un mélange d'éthers et/ou d'esters. Les esters sont par exemple choisis parmi les carbonates linéaires et les carbonates cycliques de plus de 4 atomes de carbone, comme le carbonate de propylène (PC), d'éthylène (EC), de butylène, de diéthyle (DEC) ou de diméthyle (DMC). D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours des exemples suivants de réalisation donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif, et sur la figure unique qui montre l'évolution de la capacité spécifique C des matériaux en mAh/g en fonction du nombre de cycles N. EXEMPLE 1 On prépare un matériau I de référence à partir d'un mélange équimolaire de lithine LiOH (H20) et d'oxyde de nickel NiO. Le mélange est broyé, puis traité thermiquement à 7000C sous air pendant 10 heures. Après synthèse, le matériau est à nouveau broyé pour l'amener à la granulométrie souhaitée. EXEMPLE 2 On prépare un matériau II de référence à partir d'un mélange équimolaire de lithine LiOH (H2O) et d'hydroxyde de nickel Ni(OH)2, préparé par exemple par précipitation d'une solution de nitrate de nickel en milieu basique. Le mélange est broyé, puis traité thermiquement à 7500C sous air pendant 5 heures. Après synthèse, le matériau est à nouveau broyé pour l'amener à la granulométrie souhaitée. EXEMPLE 3 On prépare des matériaux selon l'art antérieur contenant 5% molaire d'un élément dopant et de formule générale: Lix Nit,95 Do/o5 2 Ces matériaux sont fabriqués de la manière décrite dans l'exemple 2, à l'exception du fait qu'on mélange à la lithine le composé Ni0,95 D0,05 (OH)2 qui est un hydroxyde mixte de nickel et d'un élément dopant préparé par précipitation d'une solution de nitrates de nickel et de l'élément dopant en milieu basique. Les matériaux préparés IIIa à IIIg contiennent respectivement comme élément dopant D: Al, Sn, Ti, Mn, Fe, Cr, et Ge. EXEMPLE 4 On prépare des matériaux de comparaison IVa à IVc contenant 5% molaire d'un élément dopant D choisi respectivement parmi Cd, Zn et Cu, et de formule générale: Lix Ni0,95 D0,05 2 Ces matériaux sont fabriqués de la manière décrite dans l'exemple 2, à l'exception du fait qu'on mélange à la lithine le composé Ni0,95 D0,05 (OH)2 qui est un hydroxyde mixte de nickel et d'un élément dopant préparé par précipitation d'une solution de nitrates de nickel et de l'élément dopant en milieu basique. EXEMPLE 5 On prépare un matériau V selon la présente invention contenant 5% molaire de magnésium, et de formule générale: Lix Nit,95 Mg0,05 2 Ces matériaux sont fabriqués de la manière décrite dans l'exemple 2, à l'exception du fait qu'on mélange à la lithine le composé Ni0195 Mg0,05 (OH)2 qui est un hydroxyde de nickel Ni(OH)2 substitué par 5% molaire de magnésium Mg, obtenu par précipitation d'une solution de nitrates de nickel et de magnésium en milieu basique. EXEMPLE 6 On prépare un matériau VI selon la présente invention contenant 5% molaire de magnésium et 5% molaire de titane, et de formule générale: Lix Ni0,90 Mg0,05 Tri0,05 2 Ces matériaux sont fabriqués de la manière décrite dans l'exemple 2, à l'exception du fait qu'on mélange à la lithine le composé Ni0,90 Mg0,05 Tio 05 (OH)2 qui est un hydroxyde de nickel Ni (OK)2 substitué par 5% molaire de magnésium Mg et 5% molaire de titane Ti obtenu par précipitation d'une solution de nitrates de nickel et de magnésium, et d'un composé oxydé du titane en milieu basique. EXEMPLE 7 On prépare un matériau VII selon la présente invention contenant 5% molaire de magnésium et 5% molaire d'étain, et de formule générale: Lix Ni0,90 Mg0,05 Sn0,05 O2 Ces matériaux sont fabriqués de la manière décrite dans l'exemple 2, à l'exception du fait qu'on mélange à la lithine le composé Ni0,90 Mg0,05 Tri0,05 (OH) 2 qui est un hydroxyde de nickel Ni (OH) 2 substitué par 5% molaire de magnésium Mg et 5% molaire d'étain Sn obtenu par précipitation d'une solution de nitrates de nickel et de magnésium, et d'un composé oxydé de l'étain en milieu basique. EXEMPLE 8 On étudie l'effet des dopants sur la capacité spécifique des matériaux. Pour cela, on réalise des électrodes contenant respectivement les matériaux préparés précédemment, du carbone pulvérulent et un liant polymère qui assure la tenue mécanique de l'électrode. Les électrodes sont placées chacune dans un générateur de format "bouton". L'électrolyte est un mélange de carbonate de propylène, de carbonate d'éthylène et de carbonate de diméthyle PC/EC/DMC dans les proportions volumiques 1/1/3, et contenant de l'hexafluorophosphate de lithium LiPF6 à la concentration 1M. La contre-électrode est en lithium métallique. Un premier cycle est effectué entre 3 Volts et 4,1 Volts avec un courant spécifique de 7mA/g, à température ambiante (250C). On mesure la capacité chargée Cç lors de la première charge et la capacité Cd déchargée réversiblement à la première décharge. On calcule le rapport R selon la formule: R (W) = C, x 100 Cd pour déterminer le rendement R. Les résultats sont donnés dans le tableau I ci-dessous. TABLEAU I Ref. A D Cç Cd R mAh/g % I - - 180 145 81 II - - 183 159 87 IIIa - Al 169 122 72 IIIb - Sn 174 154 89 IIIc - Ti 184 166 90 IIId - Mn 174 133 76 IIIe - Fe 170 128 75 IIIf - Cr 166 122 73 IIIg - Ge 158 105 66 IVa - Cd 179 153 85 IVb - Zn 181 152 84 V Mg - 180 152 84 VI Mg Ti 178 166 93 VII Mg Sn 180 154 86 Les matériaux de référence I et II préparés par des procédés différents conduisent à des résultats comparables et du même niveau que les meilleurs matériaux de ce type décrit dans la littérature. La capacité cyclable réversiblement représente plus de 80% de la capacité de première charge. Les matériaux de l'art antérieur ont au premier cycle une capacité cyclable réversiblement qui est inférieure à celle des matériaux de référence (145mAh/g), à l'exception des matériaux IIIb et IIIc: 154mAh/g et 166mAh/g. Parmi les matériaux IIIa à IIIg de l'art antérieur, seuls les matériaux IIIb et IIIc ont un rendement supérieur à 80%. Les matériaux de comparaison donnent des résultats au moins égaux à ceux des matériaux de référence. EXEMPLE 9 On étudie l'effet des dopants sur la stabilité de la capacité des matériaux en cyclage. Pour cela, on réalise des électrodes de la manière décrite dans l'exemple 8. Les électrodes sont placées chacune dans un générateur de format "bouton" comme décrit dans l'exemple 8. Le faible serrage de l'électrode dans ces générateurs rend ce test particulièrement sélectif en accélérant la manifestation d'une baisse de performance au fur et à mesure du cyclage. Le cyclage est effectué dans des conditions analogues à celles données dans l'exemple 8, à l'exception du fait qu'il est réalisé à une température de 600C afin d'en accélérer le vieillissement. On mesure la capacité déchargée C1 au premier cycle et la capacité déchargée C25 après 25 cycles. On calcule alors la perte de capacité P selon la formule: P (%) = C1-C35 x 100 Les résultats sont donnés dans le tableau II ci-dessous. TABLEAU II Ref. A D C1 C25 P Ref. mAh/g k fig. I - - 155 100 35 II - - 150 105 30 1 IIIb - Sn 163 127 22 IIIc - Ti 165 125 24 2 IVa - Cd 169 131 22 3 IVb - Zn 162 107 34 4 IVc - Cu 172 133 23 5 V Mg - 165 148 10 VI Mg Ti 165 156 5 6 VII Mg Sn 165 157 5 On observe que l'ajout d'un dopant comme Sn, Ti, Cu, ou Cd abaisse la perte de capacité à des valeurs comprises entre 20% et 25% par rapport aux matériaux de référence I et II non dopés pour lesquels les pertes de capacité sont de l'ordre de 30-35%. Les matériaux V, VI et VII selon l'invention présentent des pertes de capacité inférieures à 10%. REVENDICATIONS 1./ Electrode de générateur électrochimique rechargeable au lithium contenant un matériau électrochimiquement actif de formule générale Lix My Am Dz Ot avec: 0,8 ~ x (0,8 - m - z) c y 2./ Electrode selon la revendication 1, dans laquelle D est au moins un métal choisi parmi le titane, le zirconium, le vanadium, le chrome, le molybdène, le cuivre, le zinc, le cadmium, l'aluminium, le gallium, et l'étain. 3./ Electrode selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle M est un mélange de métaux de transition choisi parmi le nickel, le cobalt, le manganèse et le fer, et contenant majoritairement du nickel. 4./ Electrode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle 0,90 c x c 1,05 5./ Electrode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle (0,90 - m -z) ~ y - on réalise un mélange comportant au moins un composé du lithium d'une part, et au moins un composé oxydé d'au moins un métal de transition et d'un élément choisi parmi le magnésium et le calcium d'autre part, - on broie le mélange, puis on le traite thermiquement en atmosphère oxydante. 10./ Procédé selon la revendication 9, dans lequel ledit composé du lithium est choisi parmi l'hydroxyde de lithium, le carbonate de lithium, le nitrate de lithium, l'oxyde de lithium, et leurs mélanges. 11./ Procédé selon la revendication 9, dans lequel ledit composé oxydé est choisi parmi un oxyde, un hydroxyde, un oxyhydroxyde et leurs mélanges. 12./ Procédé selon l'une des revendications 9 à 11, dans lequel ledit composé oxydé comporte en outre au moins un élément choisi parmi les éléments des groupes 4b à 5a de la classification périodique. 13./ Procédé selon la revendication 9, dans lequel ledit mélange est environ équimolaire. 14./ Procédé selon la revendication 9, dans lequel ledit mélange est contient environ deux fois plus de moles de lithium que du composé oxydé. 15./ Procédé selon l'une des revendications 9 et 10, dans lequel ledit traitement thermique est effectué à une température comprise entre 6000C et 7500C pendant une durée comprise entre 2 heures et 20 heures. 16./ Générateur électrochimique rechargeable au lithium comportant au moins une électrode négative, au moins une électrode positive et un éléctrolyte, et comprenant une électrode selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel ladite électrode négative comprend une matière électrochimiquement active choisie parmi le lithium métallique, les alliages du lithium et un matériau capable d'insérer réversiblement des ions lithium dans sa structure. 17./ Générateur selon la revendication 14, dans lequel ledit électrolyte se compose d'un sel de lithium en solution dans un solvant non-aqueux, ledit sel étant choisi parmi le perchlorate de lithium, l'hexafluoroarsénate de lithium, l'hexafluorophosphate de lithium, le tétrafluoroborate de lithium, le trifluorométhanesulfonate de lithium, le trifluorométhanesulfonimide de lithium, ou le trifluorométhanesulfoneméthide de lithium, et ledit solvant étant constitué d'un mélange d'éthers et/ou d'esters.