Brevet FR3001725A1 — publié le 20140808

OXYDE MIXTE DE TITANE ET DE NIOBIUM COMPRENANT UN 1VIETAL TRIVALENT DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un oxyde mixte de titane et de niobium comprenant un métal trivalent et étant dépourvu de lithium. Le domaine technique de la présente invention concerne notamment le stockage de l'énergie, et plus précisément la mise au point de matériaux d'électrode pouvant être utilisés dans la fabrication d'accumulateurs au lithium. ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE Les accumulateurs au lithium sont de plus en plus utilisés pour stocker de l'énergie et ainsi fournir une source d'énergie autonome, en particulier, dans les équipements portables. Ils comprennent une électrode positive et une électrode négative entre lesquelles est positionné un séparateur d'électrodes assurant la conduction des ions Li+. En raison de leurs densités d'énergie massique et volumique plus avantageuses, les accumulateurs au lithium tendent à remplacer progressivement les accumulateurs nickel-cadmium (Ni-Cd) et nickel-hydrure métallique (Ni-MI-1) (la densité d'énergie est rapportée à la masse de la cellule Li-ion complète). En effet, bien que les premiers accumulateurs Li-ion présentaient une densité d'énergie d'environ 85 Wh/kg, les dernières générations avoisinent 200 Wh/kg, soit nettement plus que les densités d'énergie des accumulateurs Ni-MI-1 (100 Wh/kg) et Ni-Cd (50 Wh/kg). Ainsi, les nouvelles générations d'accumulateurs au lithium permettent non seulement d'élargir les domaines d'utilisation, mais stimulent également la mise au point de nouveaux matériaux d'électrode dans le but de les rendre encore plus performants par amélioration du ratio entre l'énergie et l'unité de masse et/ou de volume.35 De manière générale, les matériaux actifs d'électrode positive sont des composés lamellaires tels que LiCo02, LiNi02 et les oxydes mixtes de type Li(Ni, Co, Mn, A1)02, ou des composés de structure spinelle de composition proche de LiMn204. Les matériaux actifs d'électrode négative sont généralement réalisés à base de carbone (graphite, coke,...). Néanmoins ils peuvent également être de type spinelle Li4Ti5012 ou un métal formant un alliage avec le lithium (Sn, Si, ...). Les capacités spécifiques théoriques et pratiques de ces composés sont de l'ordre de 370 mAh/g pour le graphite, et de l'ordre de 175 mAh/g pour l'oxyde de titane. Certains matériaux tels que le composé Li4Ti5012 ont un potentiel de travail relativement élevé, environ 1.6V, ce qui les rend très sécuritaires. Ils peuvent ainsi être utilisés en tant que matériau d'électrode négative pour des applications en puissance, notamment lorsqu'ils présentent également une très bonne cyclabilité à haut régime, et ce malgré leur faible capacité par rapport à celle du graphite. Le niobium présentant un potentiel de travail proche de celui du titane, la recherche d'alternatives au composé Li4Ti5012, en tant que matériau d'électrode, a permis le développement d'oxydes de niobium mais aussi d'oxydes mixtes titane-niobium. En outre, il est à noter que le niobium permet d'échanger 2 électrons par centre métallique (Nb5+/Nb3+). Ces oxydes mixtes Ti-Nb de l'art antérieur sont notamment les suivants : oxydes lamellaires de types ATiNb05 avec A=H, Li, et la phase condensée correspondante Ti2Nb209 (Colin et al., "A Novel Layered Titanoniobate LiTiNb05: Topotactic Synthesis and Electrochemistry versus Lithium", Inorg. Chem., 45, 7217-7223, 2006; Colin et al., "Lithium Insertion in an Oriented Nanoporous Oxide with a Tunnel Structure: Ti2Nb209", Chem. Mater., 20,15341540, 2008; Colin et al., "New titanoniobates (Li,H)2TiNb05 and (Li,H)3TiNb05: synthesis, structure and properties", I Mater. Chem., 18, 3121- 3128, 2008) ; phases de type Wadsley-Roth, par exemple TiNb207 et Ti2Nb10029 (Cava et al., "Lithium Insertion in Wadsley-Roth Phases Based on Niobium Oxide", I Electrochem. Soc., 130, 2345-2351, 1983; Han et al., "New Anode Framework for Rechargeable Lithium Batteries", Chem. Mater., 23, 2027-2029, 2011; Han et al., "3-V Full Cell Performance of Anode Framework TiNb207/Spinel LiNi0.5Mn1.504", Chem. Mater., 23, 3404-3407, 2011). Les composés du premier groupe peuvent générer des capacités en première décharge proches de 250 mAh/g. Cependant, ils présentent des problèmes d'irréversibilité. Les composés du deuxième groupe tels que TiNb207 et Ti2Nb10029 s'avèrent particulièrement prometteurs, notamment pour des applications requérant plus d'énergie, eu égard à leur capacité théorique (388 mAh/g et 396 mAh/g respectivement) nettement supérieure à celle de Li4Ti5012 (175 mAh/g). Ils permettent également de conserver un potentiel de travail proche de celui de Li4Ti5012 et présentent donc les avantages sécuritaires de ce dernier. Le document JP 2010-287496 décrit la synthèse en voie solide des composés TiNb207 et Ti2Nb10029 à partir des précurseurs TiO2 et Nb205. Ces deux oxydes ainsi préparés présentent des capacités respectives de l'ordre de 270 mAh/g et 240 mAh/g. L'art antérieur décrit la synthèse multi-étapes de TiNb207 par voie sol-gel, en utilisant l'acide fluorhydrique et l'acide citrique. Les performances à bas régime de ce composé atteignent 280 mAh/g mais les capacités s'écroulent lors de son utilisation à haut régime. L'amélioration de la cyclabilité à haut régime du composé TiNb207 peut être obtenue par enduction en carbone et dopage au niobium. Cependant, ces techniques nécessitent des conditions d'atmosphère particulières (vide et argon), particulièrement délicates à mettre en oeuvre au niveau industriel. Une autre alternative au composé Li4Ti5012 consiste à synthétiser en plusieurs étapes, en voie solide, le matériau Ti09Nb2107 enrobé de carbone. Il présente une tenue en régime supérieure à celle du TiNb207 obtenu par voie sol-gel (190 mAh/g à 9C, soit 67% de la capacité à bas régime). Néanmoins, cette synthèse nécessite l'usage d'atmosphère contrôlée pour les étapes de dopage et de coating, respectivement vide et argon, difficilement reproductibles à l'échelle industrielle. Le document EP 2 503 625 décrit un matériau lithié dans lequel une partie de niobium est substituée par un ou plusieurs éléments. Il en résulte une réduction de la température de fusion de l'oxyde mixte de titane et de niobium, de 1475 °C à 1260 °C.35 Le problème que vise à résoudre la présente invention consiste à proposer un nouveau matériau d'électrode à base d'un oxyde mixte de titane et de niobium, dont la perte de capacité spécifique est atténuée lors des cycles de charge/décharge par rapport aux oxydes mixtes de l'art antérieur. EXPOSE DE L'INVENTION Le matériau - objet de l'invention est un oxyde mixte de titane et de niobium de formule générale MxTiyNbz0u. Contrairement aux matériaux de l'art antérieur, il comprend un métal trivalent M qui substitue en partie le titane. Le métal trivalent permet d'améliorer la stabilité et la durée de vie du matériau lorsqu'il est utilisé en tant que matériau d'électrode. Par métal trivalent M, on entend un métal dont le degré d'oxydation est +III. Plus précisément, la présente invention concerne un oxyde mixte de titane et de niobium, dépourvu de lithium, comprenant au moins un métal trivalent, et présentant un rapport molaire Nb/Ti supérieur à 2. Le rapport Nb/Ti est strictement supérieur à 2. Selon un mode de réalisation particulier, l'oxyde mixte peut être de formule (I) : MxTi1_2Nb2+x07-ps (I) dans laquelle : 0 Selon ces deux modes de réalisation particuliers, le matériau - objet de la présente invention correspond à la substitution d'une partie du titane contenu dans TiNb207 ou Ti2Nb10029 par un métal trivalent. Ainsi conformément aux formules I et II, le métal trivalent M et le titane se partagent les mêmes sites. Le métal trivalent M peut être avantageusement choisi dans le groupe comprenant le fer, le gallium, le molybdène, l'aluminium, le bore, et leurs mélanges. Il présentent tous un degré d'oxydation égal à +III lorsqu'ils sont intégrés dans l'oxyde mixte de l'invention. Selon un mode de réalisation préféré, le métal trivalent est le fer ou le gallium. De manière encore plus préférentielle, le métal trivalent est le gallium. Eu égards à ses propriétés, et en comparaison avec les composés de l'art antérieur, l'oxyde mixte de titane et niobium de l'invention peut être utilisé dans des applications requérant plus d'énergie. Il présente une capacité spécifique théorique pouvant être comprise entre 368 mAh/g et 396 mAh/g, alors que le composé Li4Ti5012 couramment utilisé dans les accumulateurs lithium de l'art antérieur présente une capacité théorique de l'ordre de 175 mAh/g. La présente invention concerne également un procédé de préparation de l'oxyde mixte décrit ci-dessus, selon les étapes suivantes : traitement solvothermal d'une solution contenant au moins : un précurseur de titane, un précurseur de niobium, et un précurseur du métal trivalent ; optionnellement broyage mécanique de l'oxyde mixte obtenu à l'issue du traitement solvothermal ; - calcination de l'oxyde mixte. Traitement solvothermal Généralement, le traitement solvothermal comprend les étapes suivantes : mettre en solution les précurseurs de titane, de niobium, et du métal trivalent ; - précipiter les précurseurs ; traiter thermiquement et sous pression le mélange de précurseurs précipités ainsi obtenu. La mise en solution des précurseurs est avantageusement réalisée dans un alcool, comme de l'éthanol. Alternativement, d'autres alcools peuvent être utilisés comme l'isopropanol, le butanol, voire des glycols. Les précurseurs sont avantageusement solubilisés dans la même solution, afin de former un mélange homogène. La solubilisation de certains des précurseurs peut être mise en oeuvre en présence d'un acide, tel que l'acide sulfurique notamment. La précipitation du mélange ainsi obtenu peut notamment être réalisée par ajustement du pH, avantageusement à environ 10. Cette étape peut être avantageusement mise en oeuvre par addition d'ammoniaque. La précipitation du mélange de précurseurs peut donner une pâte. De manière générale, le traitement solvothermal auquel est soumis le mélange de précurseurs précipités peut être réalisé à une température comprise entre 200 et 250°C, avantageusement de l'ordre de 220°C. L'augmentation de la température peut correspondre à un gradient compris entre 1 et 20 5°C/min, avantageusement 2 °C/min. D'autre part, la rampe de refroidissement peut avantageusement être comprise entre 1 et 10 °C/min, avantageusement 5 °C/min. 25 La durée de ce traitement solvothermal peut être comprise entre 2 et 10 heures, avantageusement de l'ordre de 5 heures. De manière générale, la durée de traitement ne comprend pas le temps nécessaire pour chauffer et pour refroidir le mélange. Toutefois, les conditions peuvent dépendre de la quantité de matériau à traiter. 30 Selon un mode de réalisation préféré, le traitement solvothermal est mis en oeuvre dans une bombe hydrothermale (réacteur, autoclave) afin de procéder à un traitement thermique sous pression. Le volume « mort » dans le containeur (en général en polytétrafluoroethylène (Téflone)) peut avantageusement représenter les deux tiers du 35 volume total. Lavage : Le procédé - objet de l'invention peut également comprendre au moins une étape de lavage, succédant au traitement solvothermal. Une fois le traitement solvothermal terminé, le mélange résultant (oxyde mixte sous forme amorphe) se présentant avantageusement sous la forme d'une pâte, peut être éventuellement lavé afin de séparer l'oxyde mixte des sous-produits non-désirés. Cette étape de lavage est préférentiellement effectuée à l'eau distillée. Le lavage peut être réalisé par des étapes successives de centrifugation jusqu'à ce que le pH de la solution surnageante soit compris entre 6 et 7. Ce lavage permet notamment d'éliminer les sulfates, chlorures et hydroxydes résiduels éventuellement présents. A l'issue du lavage, le mélange est séché, avantageusement à l'air, notamment dans une étuve, dont la température est avantageusement d'au moins 60 °C, et inférieure à 150 °C. Broyage : Le procédé - objet de l'invention comprend une éventuelle étape de broyage mécanique de l'oxyde mixte amorphe obtenu à l'issue du traitement solvothermal. Le broyage est avantageusement effectué après l'éventuel lavage. Toutefois, le broyage est réalisé préalablement à l'étape de calcination. Cette étape peut être réalisé en présence d'un solvant organique tel qu'un alcane et notamment l'hexane. Le broyage est généralement réalisé dans un broyeur à une vitesse comprise entre 300 et 500 tours par minute, avantageusement de l'ordre de 500 tours par minute. Le broyeur utilisé peut être, par exemple, un broyeur centrifuge à bille de type Retsch S 100. La durée de l'étape de broyage est avantageusement comprise entre 15 et 120 minutes, plus avantageusement encore de l'ordre de 30 minutes. Le broyage permet notamment d'homogénéiser la taille des particules avant l'étape de calcination. Calcination Ce traitement thermique est avantageusement réalisé à une température comprise entre 700 et 1200 °C, et plus avantageusement encore entre 700 et 1000 °C. La durée de cette étape est avantageusement comprise entre 30 mn et 2 heures, plus avantageusement de l'ordre d'une heure. En outre, la vitesse de chauffe peut être comprise entre 1 et 5 °C/min, avantageusement de l'ordre de 3°C/min. La vitesse de refroidissement peut être comprise entre 5 et 20 °C/min, avantageusement de l'ordre de 10°C/min. Cette étape favorise la cristallisation de la structure de l'oxyde mixte de titane et de niobium. Elle peut être réalisée sous air, tout comme l'ensemble des étapes du procédé - objet de l'invention. Il est à noter que la température optimale de calcination des composés dépend de la stoechiométrie de l'oxyde mixte à synthétiser. Elle ne peut être généralisée. Précurseurs : Le précurseur de titane peut être avantageusement choisi dans le groupe comprenant l'oxysulfate de titane (TiOSO4) ; l'isopropoxyde de titane (Ti(OCH(CH3)2)4) ; le chlorure de titane (TiC14) ; et le butoxyde de titane (Ti(0C4H9)4). Pour le niobium, il s'agit avantageusement d'un composé de niobium V, et notamment 30 du chlorure de niobium (NbC15) ou l'éthoxyde de niobium, Nb(0C2H5)5. Les précurseurs des métaux trivalent peuvent être avantageusement choisis dans le groupe comprenant les composés présentant un degré d'oxydation +III, tels que notamment, FeC13, Fe(NO3)3 ; Fe2(SO4)3 ; GaC13 ; Ga(NO3)3 ; Ga2(804)3 ; MoC13 ; 35 A1C13 ; Al(NO3)3 ; Al2(804)3 ; BC13... La présente invention concerne également l'utilisation de l'oxyde mixte de titane et de niobium décrit ci-avant en tant que matériau d'électrode, notamment pour un accumulateur au lithium-ion. Il s'agit avantageusement d'un matériau d'électrode négative (anode). Matériau d'électrode L'invention couvre aussi l'électrode comprenant ledit oxyde mixte de titane et de niobium, et l'accumulateur Li-ion comprenant au moins une telle électrode. De manière avantageuse, une électrode selon l'invention comprend en outre un liant. Accumulateur au lithium-ion En ce qui concerne l'accumulateur Li-ion selon l'invention, il comprend au moins et successivement une électrode négative (anode), un séparateur d'électrodes, et une électrode positive (cathode). De manière générale, les électrodes positive et négative de ce type d'accumulateur contiennent chacune un matériau d'insertion des ions Li+. Ainsi, dans un accumulateur Li-ion, le lithium ne se trouve jamais sous forme métallique mais sous forme de cations Li + qui font des allers retours entre les deux matériaux d'insertion du lithium des électrodes négative et positive, à chaque charge et décharge de l'accumulateur. L'électrode négative comprend un matériau d'insertion du lithium, avantageusement le matériau objet de l'invention c'est-à-dire l'oxyde mixte de titane et de niobium décrit ci-avant. Chaque électrode est avantageusement supportée par un collecteur de courant, préférentiellement métallique. Les électrodes sont préparées selon les techniques connues de l'homme du métier, notamment par dépôt, sur un collecteur de courant, d'une encre d'électrode à base d'une dispersion du matériau actif, d'un liant (de préférence organique), et d'un conducteur électrique (de préférence à base de carbone). Le liant confère à l'électrode ainsi obtenue une bonne conduction ionique et une tenue mécanique satisfaisante. En ce qui concerne le séparateur d'électrodes, il est généralement imbibé d'un conducteur ionique (électrolyte) afin de favoriser la conduction ionique entre l'anode et la cathode. L'électrolyte comprend généralement un solvant polaire aprotique et un sel dont le cation est au moins en partie du lithium. Selon un mode de réalisation particulier, l'électrode peut être préparée à partir d'une dispersion comportant, entre autres, l'oxyde mixte de Ti-Nb selon l'invention, un liant organique, et un conducteur électronique. La dispersion est ensuite déposée sur une feuille métallique servant de collecteur de courant, par exemple de l'aluminium. De manière avantageuse, le liant mis en oeuvre est un polymère pouvant être avantageusement choisi dans le groupe comprenant les polymères à base de méthacrylate de méthyle, d'acrylonitrile, ou de fluorure de vinylidène ; les polyéthers ; les polyesters ; la carboxyméthylcellulose ; et leurs mélanges. Le conducteur électronique permet de faciliter le transfert du courant depuis l'électrode jusqu'au collecteur de courant. Il peut notamment s'agir de carbone de taille nanométrique tel que le Super P® ou le VGCF (de l'anglais « Vapor grown carbon fiber » c'est-à-dire des fibres de carbone déposées en phase vapeur) par exemple. 25 Ainsi, selon un mode de réalisation particulier, l'électrode négative peut être un composite constitué d'un mélange de l'oxyde mixte de Ti-Nb de l'invention, d'un liant tel que par exemple le fluorure de vinylidène et d'un conducteur électronique tel que par exemple le noir de carbone (noir d'acétylène), avantageusement dans des 30 proportions de type 80/10/10 respectivement. L'électrode positive de l'accumulateur Li-ion peut être constituée par tout type de matériau connu et adapté à cet usage. 20 35 Dans le cadre de la présente invention, l'électrode positive comprend non seulement un matériau d'insertion des ions Lit, mais elle est également une source de lithium pour l'électrode négative. Elle est donc avantageusement constituée d'un matériau pouvant initialement fournir les ions Lit, et les réinsérer par la suite. Ainsi, l'électrode positive peut comprendre un matériau choisi dans le groupe comprenant le matériau lamellaire de type Lii+,Ni'MnyCo,02 avec x+ y + z + v=1; le matériau de type spinelle LiNiuMn2,04 avec 0 L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de la figure et des exemples suivants donnés afin d'illustrer l'invention et non de manière limitative. DESCRIPTION DE LA FIGURE La figure 1 représente le graphe correspondant à la capacité spécifique à différents régimes (10C, C, C/10) des matériaux d'oxydes mixtes TiNb207 (art antérieur) et Gao 10Ti080Nb21007 (invention). EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION Exemple 1: Synthèse de Ga0.10Tio.80Nb2.1007 0,125 g de GaC13 et 4.025 g de NbC15 sont dissous dans 10 mL d'éthanol anhydre sous atmosphère inerte (argon) et agitation magnétique. La solution est transférée sous air. Sont ensuite ajoutés à cette solution, 6.052 g d'oxysulfate de titane (Ti0504) à 15 % en masse dans l'acide sulfurique, puis 10 mL d'éthanol afin de dissoudre les précurseurs, le tout sous agitation magnétique. Le pH de la solution résultante est ajusté à 10 par lente addition d'ammoniaque 1\1113 à 28 % en masse dans l'eau. La pâte est transférée dans un conteneur en téflon de 90 mL de contenance qui est ensuite placé dans un autoclave. La pâte est ensuite chauffée à 220 °C pendant 5 heures avec une rampe de chauffe et de refroidissement de 2 et 5 °C/min 35 respectivement. La pâte est alors lavée à l'eau distillée par centrifugation jusqu'à obtention d'un pH entre 6 et 7. Le composé résultant est séché à 60 °C pendant 12 heures puis broyé mécaniquement (BM) pendant 30 min à 500 rpm (tours par minute) dans de l'hexane. Après évaporation du solvant, la poudre est calcinée à 950 °C pendant 1 heure avec une température de chauffe/refroidissement de 3 °C/min afin de cristalliser Gao loTio soNb21007. Exemple 2: Synthèse de Fe0.10Ti0.80Nb2.1007 0,116 g de FeCl3 et 4.025 g de NbC15 sont dissous dans 10 mL d'éthanol anhydre sous atmosphère inerte (argon) et agitation magnétique. La solution résultante est transférée sous air. Sont ensuite ajoutés à cette solution, 6.052 g d'oxysulfate de titane (Ti0504) à 15 % en masse dans l'acide sulfurique et 10 mL d'éthanol afin de dissoudre les précurseurs, 20 le tout sous agitation magnétique. Le pH de la solution résultante est ajusté à 10 par lente addition d'ammoniaque 1\1113 à 28 % en masse dans l'eau. La pâte est transférée dans un conteneur en téflon de 90 mL de contenance qui est ensuite placé dans un autoclave. La pâte est ensuite chauffée à 220 °C pendant 5 25 heures avec une rampe de chauffe et de refroidissement de 2 et 5 °C/min respectivement. La pâte est alors lavée à l'eau distillée par centrifugation jusqu'à obtention d'un pH entre 6 et 7. 30 Le composé est séché à 60 °C pendant 12 heures, puis broyé mécaniquement (BM) pendant 30 min à 500 rpm (tours par minute) dans de l'hexane. Après évaporation du solvant, la poudre est calcinée à 950 °C pendant 1 heure avec 35 une température de chauffe/refroidissement de 3 °C/min afin de cristalliser Feo loTio soNb21007. 15 Exemple 3: Un accumulateur au lithium de format "pile bouton" comprenant les éléments suivants est préparé : - une électrode négative de lithium (16 mm de diamètre, 130 lm d'épaisseur) déposée sur un disque de nickel servant de collecteur de courant ; - une électrode positive constituée d'un disque de 14 mm de diamètre prélevée sur un film composite de 25 i.tm d'épaisseur comprenant les matériaux de l'invention préparés selon les exemples 1 et 2 (80 % en masse), du carbone Super P (10 % en masse) en tant que conducteur électronique et du fluorure de polyvinylidène (10 % en masse) en guise de liant, le tout étant déposé sur un collecteur de courant en aluminium (feuille de 20 micromètre d'épaisseur) ; - un séparateur d'électrodes, imbibé d'un l'électrolyte liquide à base du sel LiPF6 (lmol/L) en solution dans un mélange de carbonate d'éthyle, carbonate de propylène et carbonate de diméthyle. Les performances électrochimiques (capacité spécifique) entre 3,0 et 1,0 V à différents régimes de Gao loTio soNb21007 (invention) ont été mesurées et comparées à celles de TiNb207 (art antérieur) (figure 1). Tableau 1 : Pourcentages de perte de capacité pour TiNb207, Gao loTio soNb21007 et Feo ioTio soNb21007 calculés à C/10 entre les 51ème et 201ème cycles, à C entre le 101ème et 1001ème cycle et à 10C entre les 201ème et 2001ème cycles. Composés calcinés TiNb207 Gao loTio soNb21007 (exemple 1) Feo loTio soNb21007 à 950°C (Art antérieur) (exemple 2) C/10 5 3 7 C 34 16 12 10C 26 19 11 De manière générale, les oxydes mixtes selon l'invention présentent des pertes de capacités inférieures au matériau TiNb207 de l'art antérieur. 25