Brevet FR3131297A1 — publié le 20230630

La présente invention concerne un conteneur en un composite à matrice céramique, la surface des parois intérieures dudit conteneur étant recouverte au moins partiellement, de préférence pour plus de 80%, d’un revêtement comportant au moins une couche comportant un oxyde cristallisé comportant au moins les éléments Li et Al ou un précurseur dudit oxyde cristallisé. Conteneur en un composite à matrice céramique revêtu La présente invention se rapporte à un conteneur en un composite à matrice céramique, ou CMC, dont la surface des parois intérieures est recouverte pour plus de 80%, d’un revêtement comportant au moins une couche comportant un oxyde cristallisé comportant au moins les éléments Li et Al, et à l’utilisation dudit conteneur pour la fabrication d’une poudre d’oxydes comportant du lithium, en particulier un oxyde d’un métal ou de plusieurs métaux de transition lithiés. Les besoins en batteries lithium-ion sont en constante augmentation. Un bon nombre d’entre elles comportent une partie, en général la cathode, en un oxyde comportant du lithium, notamment un oxyde d’un métal ou de plusieurs métaux de transition lithiés, en particulier LiFePO 4 (ou LPF), LiMn 2 O 4 (ou LMO), ou un oxyde de lithium- nickel-cobalt-manganèse (ou NMC). La cathode est en général fabriquée par mise en forme d’une poudre dudit oxyde d’un métal ou de plusieurs métaux de transition lithiés. Parmi les procédés classiques de fabrication desdites poudres, on trouve la réalisation d’un mélange d’oxydes et/ou de différents précurseurs d’oxydes, suivi d’un traitement thermique permettant de réaliser une synthèse en phase solide de l’oxyde d’un métal ou de plusieurs métaux de transition lithiés. Lors dudit traitement thermique, le mélange est disposé dans un conteneur, généralement appelé « sagger » en anglais. Les conditions de synthèse desdites poudres, ainsi que ledit mélange, en particulier les éléments contenant le lithium, sont particulièrement sollicitants pour le conteneur. Il existe un besoin pour augmenter la durée de vie desdits conteneurs. Un but de l’invention est de répondre, au moins partiellement, à ce besoin. Selon l’invention, on atteint ce but au moyen d’un conteneur en un composite à matrice céramique, ou CMC, la surface des parois intérieures dudit conteneur étant recouverte au moins partiellement, de préférence pour plus de 80%, et de préférence encore sur la totalité desdites parois intérieures, d’un revêtement comportant au moins une couche comportant un oxyde cristallisé comportant au moins les éléments Li et Al, ou un précurseur dudit oxyde cristallisé. Les inventeurs ont découvert que le conteneur selon invention présentait une dégradation plus faible lors de son utilisation, ce qui autorise une durée de vie plus importante, et notamment un nombre plus important de cycles de fabrication de poudre d’oxyde d’un métal ou de plusieurs métaux de transition lithiés. Selon des modes de réalisation préférés mais non limitatifs de la présente invention, qui peuvent, le cas échéant, être combinés entre eux : ledit oxyde cristallisé comporte également l’élément Si ; ledit oxyde cristallisé est choisi parmi LiAlO 2 , LiAlSi 2 O 6 , Li 3 AlSiO 5 , LiAlSi 4 O 10 , LiAlSiO 4 et leurs mélanges ; en particulier LiAlSi 2 O 6 , Li 3 AlSiO 5 , LiAlSi 4 O 10 , LiAlSiO 4 et leurs mélanges ; les fibres céramiques du composite à matrice céramique, éventuellement assemblées sous forme de fils simples et/ou assemblés, sont choisies parmi les fibres comportant plus de 95% en masse, et de préférence sont constitués essentiellement, d’oxydes, de carbures, de nitrures, de carbone et leurs mélanges ; les fibres céramiques du composite à matrice céramique, éventuellement assemblées sous forme de fils simples et/ou assemblés, sont choisies parmi les fibres : - comportant plus de 95% en masse d’oxydes, de préférence constitués essentiellement d’oxydes, et présentant une analyse chimique telle que SiO 2 > 70%, en pourcentage en masse sur la base des oxydes, - comportant plus de 95% en masse d’oxydes, de préférence constitués essentiellement d’oxydes, et présentant une analyse chimique telle que 45% 2 2 O 3 en une quantité telle que 1% 2 O 3 2 O 3 - comportant plus de 95% en masse d’oxydes, de préférence constitués essentiellement d’oxydes, et présentant une analyse chimique telle que Al 2 O 3 > 65%, en pourcentage en masse sur la base des oxydes, - comportant plus de 95% en masse de carbure de silicium, de préférence constitués essentiellement de carbure de silicium, - comportant plus de 95% en masse de carbone, de préférence constitués essentiellement de carbone, - et leurs mélanges ; les fibres céramiques du composite à matrice céramique, éventuellement assemblées sous forme de fils simples et/ou assemblés, sont choisies parmi les fibres composées pour plus de 95% en masse d’alumine, les fibres composées pour plus de 95% en masse de silice, les fibres composées pour plus de 95% en masse de mullite, les fibres composées pour plus de 95% en masse de mullite et de corindon, les fibres composées pour plus de 90% en masse de basalte, les fibres composées pour plus de 95% en masse de verre, les fibres composées pour plus de 95% en masse de carbure de silicium, les fibres composées pour plus de 95% en masse de carbone, et leurs mélanges ; la matrice du composite à matrice céramique est choisie parmi une matrice comportant plus de 95% en masse d’oxydes, de carbures, de nitrures, de sialons et leurs mélanges et notamment d’une matrice constituée essentiellement d’oxydes, de carbures, de nitrures, de sialons et leurs mélanges; la matrice du composite à matrice céramique est choisie parmi une matrice comportant plus de 95% en masse d’oxydes et présentant une analyse chimique telle que SiO 2 +Al 2 O 3 +ZrO 2 +HfO 2 +MgO > 70% en pourcentage en masse sur la base des oxydes, comportant plus de 95% en masse d’oxydes et présentant une analyse chimique telle que SiO 2 +Al 2 O 3 > 70% en pourcentage en masse sur la base des oxydes, comportant plus de 95% en masse d’oxydes et présentant une analyse chimique telle que Al 2 O 3 +ZrO 2 +HfO 2 > 70% en pourcentage en masse sur la base des oxydes, comportant plus de 95% en masse d’oxydes et présentant une analyse chimique telle que SiO 2 +Al 2 O 3 +MgO > 70% en pourcentage en masse sur la base des oxydes, comportant plus de 90% en masse de SiC+Si 3 N 4 +SiAlON ; le revêtement comporte au moins une couche comportant un oxyde cristallisé comportant au moins les éléments Li, Al et Si ; le revêtement est constitué pour plus de 15% en masse d’un ou de plusieurs oxydes cristallisés comportant au moins les éléments Li et Al ; le revêtement contient un précurseur d’au moins un oxyde cristallisé comportant au moins les éléments Li et Al, de préférence choisi parmi une bayérite lithiée, Li 4 SiO 4 et leurs mélanges ; le revêtement présente la composition chimique suivante, en pourcentage en masse sur la base des oxydes : SiO 2 +Al 2 O 3 +Li 2 O > 50%, et Li 2 O : > 0,5% et Al 2 O 3 : > 2% et SiO 2 : 2 le revêtement est constitué pour plus de 90% en masse d’oxydes ; le revêtement présente une épaisseur supérieure à 50 µm et/ou inférieure à 2000 µm ; la surface des parois intérieures est recouverte pour plus de 99% dudit revêtement ; le conteneur comporte un fond et au moins un côté. L’invention concerne aussi l’utilisation dudit conteneur pour la fabrication d’une poudre d’oxydes comportant du lithium, en particulier un oxyde d’un métal ou de plusieurs métaux de transition lithiés. Définitions Par « Composite à Matrice Céramique », ou « CMC », on entend classiquement un produit composé de fibres céramiques liées rigidement entre elles par une matrice céramique. Par « céramique », on entend un produit qui n’est ni métallique, ni organique. Dans le cadre de la présente invention, un verre d’oxydes et un matériau comprenant ou constitué par du carbone sont considérés comme des produits céramiques. Par « revêtement », on entend une ou plusieurs couches de matériau(x) de nature différente du support en CMC. Au moins une desdites couches, notamment la couche comportant un oxyde cristallisé comportant au moins les éléments Li et Al, peut être le résultat, en particulier après élévation de la température, de la réaction du support en CMC et d’un dépôt à la surface dudit CMC. Par « précurseur » d’un oxyde cristallisé, on entend un ou plusieurs matériaux, qui vont conduire après traitement thermique, de préférence sous air, à une température supérieure à 400°C, en particulier lors de la première utilisation du conteneur selon l’invention, éventuellement en combinaison avec un ou plusieurs éléments du CMC, audit oxyde cristallisé. Une « fibre » est un filament dont la longueur est supérieure à 5 fois son diamètre équivalent. Le « diamètre équivalent » d’une fibre est le diamètre d’un disque de même surface que sa section transversale à mi-longueur. Un « fil simple » est un assemblage de fibres qui, en section transversale, comporte plus de 10 et de préférence moins de 500 000 fibres, et dont la longueur est supérieure à 5 fois le diamètre. Un « fil assemblé » est un assemblage de fils. Un « sialon », SiAlON, est un composé d’oxynitrure d’au moins les éléments Si, Al et N, en particulier d’un composé respectant l’une des formules suivantes : Si x Al y O u N v , dans laquelle : x est supérieur ou égal à 0, supérieur à 0,05, supérieur à 0,1 ou supérieur à 0,2, et inférieur ou égal à 1, inférieur ou égal à 0,8 ou inférieur ou égal à 0,4, y est supérieur ou égal à 0, ou supérieur à 0,1, supérieur à 0,3 ou supérieur à 0,5, et inférieur ou égal à 1, u est supérieur à 0, supérieur à 0,1 ou supérieur à 0,2, et inférieur ou égal à 1 ou inférieur ou égal à 0,7, v est supérieur à 0, supérieur à 0,1, supérieur à 0,2 ou supérieur à 0,5, ou supérieur à 0,7, et inférieur ou égal à 1, x+y > 0, x, y, u et v étant des indices stœchiométriques et normalisés par rapport à celui qui est le plus élevé, rendu égal à 1 ; Me x Si 12-(m+n) Al (m+n) O n N 16-n , avec 0 ≤ x ≤ 2, Me un cation choisi parmi les cations de lanthanides, Fe, Y, Ca, Li et leurs mélanges, 0 ≤ m ≤ 12, 0 ≤ n ≤ 12 et 0 Dans un souci de clarté, on utilise les formules chimiques des oxydes simples pour désigner les teneurs de ces oxydes dans une composition. Par exemple, « SiO 2 » ou « Al 2 O 3 » désignent les teneurs en ces oxydes simples dans la composition considérée alors que « silice » et « alumine » sont utilisés pour désigner la présence effective des phases de ces oxydes constituées de SiO 2 et Al 2 O 3 , respectivement. Sauf mention contraire, toutes les teneurs en oxydes sont des pourcentages massiques sur la base des oxydes. Une teneur massique d’un oxyde d’un élément métallique se rapporte à la teneur totale de cet élément exprimée sous la forme de l'oxyde le plus stable, selon la convention habituelle de l'industrie. HfO 2 n'est pas chimiquement dissociable de ZrO 2 . Cependant, selon la présente invention, HfO 2 n'est pas ajouté volontairement. HfO 2 ne désigne donc que les impuretés inévitables d'oxyde d'hafnium, cet oxyde étant toujours naturellement présent dans les sources de zircone à des teneurs massiques généralement inférieures à 5%, généralement inférieures à 2%. Par souci de clarté, on peut désigner indifféremment la teneur totale en oxyde de zirconium et en traces d'oxyde d'hafnium par « ZrO 2 » ou par « ZrO 2 + HfO 2 ». La somme de teneurs d’oxydes n’implique pas la présence de tous ces oxydes. « comporter » ou « comprendre » doivent être interprétés de manière non limitative, dans le sens ou d’autres éléments que ceux indiqués peuvent être présents. Conteneur en un composite à matrice céramique, la surface des parois intérieures dudit conteneur étant recouverte au moins partiellement, de préférence pour plus de 80%, d’un revêtement comportant au moins une couche comportant un oxyde cristallisé comportant au moins les éléments Li et Al ou un précurseur dudit oxyde cristallisé. Conteneur selon la revendication précédente dans lequel l’oxyde cristallisé comporte en outre l’élément Si. Conteneur selon l’une des revendications précédentes, ledit oxyde cristallisé étant choisi parmi LiAlO 2 , LiAlSi 2 O 6 , Li 3 AlSiO 5 , LiAlSi 4 O 10 , LiAlSiO 4 et leurs mélanges. Conteneur selon l’une des revendications précédentes dans lequel les fibres céramiques du composite à matrice céramique, éventuellement assemblées sous forme de fils simples et/ou assemblés, sont choisies parmi les fibres comportant plus de 95% en masse d’oxydes, de carbures, de nitrures, de carbone et leurs mélanges. Conteneur selon la revendication précédente dans lequel les fibres céramiques du composite à matrice céramique, éventuellement assemblées sous forme de fils simples et/ou assemblés, sont choisies parmi les fibres : - comportant plus de 95% en masse d’oxydes et présentant une analyse chimique telle que SiO 2 > 70%, en pourcentage en masse sur la base des oxydes, ou - comportant plus de 95% en masse d’oxydes et présentant une analyse chimique telle que 45% 2 2 O 3 en une quantité telle que 1% 2 O 3 2 O 3 - comportant plus de 95% en masse d’oxydes et présentant une analyse chimique telle que Al 2 O 3 > 65%, en pourcentage en masse sur la base des oxydes, ou - comportant plus de 95% en masse de carbure de silicium, ou - comportant plus de 95% en masse de carbone, - et leurs mélanges. Conteneur selon la revendication précédente dans lequel les fibres céramiques du composite à matrice céramique, éventuellement assemblées sous forme de fils simples et/ou assemblés, sont choisies parmi les fibres composées pour plus de 95% en masse d’alumine, les fibres composées pour plus de 95% en masse de silice, les fibres composées pour plus de 95% en masse de mullite, les fibres composées pour plus de 95% en masse de mullite et de corindon, les fibres composées pour plus de 90% en masse de basalte, les fibres composées pour plus de 95% en masse de verre, les fibres composées pour plus de 95% en masse de carbure de silicium, les fibres composées pour plus de 95% en masse de carbone, et leurs mélanges. Conteneur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la matrice du composite à matrice céramique est choisie parmi une matrice comportant plus de 95% en masse d’oxydes, de carbures, de nitrures, de sialons et leurs mélanges. Conteneur selon la revendication précédente dans lequel la matrice du composite à matrice céramique est choisie parmi une matrice comportant plus de 95% en masse d’oxydes et présentant une analyse chimique telle que SiO 2 +Al 2 O 3 +ZrO 2 +HfO 2 +MgO > 70% en pourcentage en masse sur la base des oxydes, ou comportant plus de 95% en masse d’oxydes et présentant une analyse chimique telle que SiO 2 +Al 2 O 3 > 70% en pourcentage en masse sur la base des oxydes, ou comportant plus de 95% en masse d’oxydes et présentant une analyse chimique telle que Al 2 O 3 +ZrO 2 +HfO 2 > 70% en pourcentage en masse sur la base des oxydes, ou comportant plus de 95% en masse d’oxydes et présentant une analyse chimique telle que SiO 2 +Al 2 O 3 +MgO > 70% en pourcentage en masse sur la base des oxydes, ou comportant plus de 90% en masse de SiC+Si 3 N 4 +SiAlON. Conteneur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le revêtement : comporte au moins une couche comportant un oxyde cristallisé comportant au moins les éléments Li, Al et Si, et/ou est constitué pour plus de 15% en masse d’un ou de plusieurs oxydes cristallisés comportant au moins les éléments Li et Al, et/ou contient un précurseur d’au moins un oxyde cristallisé comportant au moins les éléments Li et Al, et/ou présente la composition chimique suivante, en pourcentage en masse sur la base des oxydes : SiO 2 +Al 2 O 3 +Li 2 O > 50%, et Li 2 O : > 0,5% et Al 2 O 3 : > 2% et SiO 2 : 2 est constitué pour plus de 90% en masse d’oxydes, et/ou présente une épaisseur supérieure à 50 µm et/ou inférieure à 2000 µm. Conteneur selon la revendication précédente dans lequel le précurseur de l’oxyde cristallisés comportant au moins les éléments Li et Al est choisi parmi : Une bayérite lithiée, Li 4 SiO 4 , et leurs mélanges. Conteneur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la surface des parois intérieures est recouverte pour plus de 99% dudit revêtement. Conteneur selon l’une des revendications précédentes comportant un fond et au moins un côté. Utilisation d’un conteneur selon l’une des revendications précédentes, pour la fabrication d’une poudre d’oxyde comportant du lithium, en particulier un oxyde d’un métal ou de plusieurs métaux de transition lithiés.