РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
(19)
RU
(11)
(13)
C2
(51) МПК
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
Статус: не действует (последнее изменение статуса: 20.02.2022)
Пошлина: учтена за 7 год с 20.08.2017 по 19.08.2018. Возможность восстановления: нет.

(21)(22) Заявка: 2011134968/07, 19.08.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
19.08.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 19.08.2011

(43) Дата публикации заявки: 27.02.2013 Бюл. № 6

(45) Опубликовано: 20.05.2013 Бюл. № 14

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2402114 C1, 20.10.2010. RU 2403654 C1, 10.11.2010. RU 2412506 C1, 20.02.2011. CN 101901892 A, 01.12.2010. CN 101330142 A, 24.12.2008.

Адрес для переписки:
410012, г.Саратов, ул. Московская, 155, СГУ, ЦПУ, Н.В. Романовой

(72) Автор(ы):
Чуриков Алексей Владимирович (RU),
Романова Вероника Олеговна (RU),
Гридина Нелли Александровна (RU),
Ушаков Арсений Владимирович (RU)

(73) Патентообладатель(и):
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" (RU)

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАТОДНОГО МАТЕРИАЛА СО СТРУКТУРОЙ ОЛИВИНА ДЛЯ ЛИТИЕВОЙ АВТОНОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к химической технологии и используется для получения катодных материалов со структурой оливина для литиевой автономной энергетики (гибридного транспорта, электромобилей, буферных систем хранения энергии и т.д.). Способ включает смешение соли лития Li2CO3, оксида железа (III) Fе2О3, лимонной кислоты и дигидрофосфата аммония в стехиометрическом соотношении. Измельчение частиц смеси в шаровой мельнице проводят в среде ацетона, а последующую термообработку проводят при температуре 350°С-650°С. Изобретение позволяет повысить удельную емкость и стабильность при циклировании. 2 ил.


ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к химической технологии и используется для получения катодных материалов со структурой оливина для литиевой автономной энергетики (гибридного транспорта, электромобилей, буферных систем хранения энергии и т.д.).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) и литий-полимерные аккумуляторы (ЛПА) являются наиболее энергоемкими среди перезаряжаемых электрохимических систем и имеют наибольший потенциал дальнейшего развития. В таких аккумуляторах в качестве анода преимущественно используется графит, способный обратимо внедрять литий, а в качестве катода - литированный оксид кобальта (оксид лития-кобальта) LiCoO2. Для этих материалов в основном решены технологические и эксплуатационные проблемы. Однако LiCoO2 несет ответственность за высокую цену, экологическую небезопасность батарей и невысокую практическую емкость (50% от теоретического значения). Сейчас большинство исследований сосредоточено на иных катодных материалах. Наибольшие надежды связываются с дешевым и экологически дружественным соединением - фосфатом лития-железа (иначе называемым литированным фосфатом железа или литий-фосфатом железа) со структурой оливина LiFePO4, имеющим разрядный потенциал 3.4 В. Достоинствами этого материала являются:

- высокая степень стабильности LiFePO4, позволяющая выдерживать большое число зарядно-разрядных циклов без значительного изменения удельных характеристик;

- возможность работы в экстремальных условиях, в частности, при высоких температурах;

- возможность достижения емкости, близкой к теоретической величине 170 мА·ч/г, что несколько выше практически достигаемой удельной емкости LiCoO2 150 мА·ч/г, (теоретическая емкость LiCoO2 - 274 мА·ч/г).

Однако наряду с перечисленными достоинствами для LiFePO4 характерны недостатки, такие как низкая электронная проводимость и низкий коэффициент диффузии лития, что существенно ограничивает глубину проработки частиц LiFePO4 и препятствует широкому его распространению. Многочисленные работы, направленные на устранение этих нежелательных явлений, сводятся к трем основным направлениям [Kellerman D.G., Gorshkov V.S. // Rus. J. Electrochem. 2001. V.37. P.1227; Whittingham M.S. // Chem. Rev. 2004. V.104. P.4271; Andersson A.S., Thomas J.O. // J Power Sources. 2001. V.97-98. P.498; Padhi A.K., Nanjundaswamy K.S., Goodenough J.B. // J. Electrochem. Soc. 1997. V.144. P.1188.]:

- создание электропроводного покрытия на поверхности частиц LiFePO4;

- допирование оливина катионами других металлов или анионами F-, Cl-.

- разработка технологических приемов, создание новых методов синтеза или модифицирование существующих методов.

Все многообразие способов получения LiFePO4 подразделяется на два направления: твердофазную химию, куда включены твердофазные реакции, механохимическая активация, карботермическое восстановление, микроволновый метод синтеза, и «мягкую химию», куда включены гидротермальный метод, золь-гель метод, метод осаждения, метод высушивания эмульсии, спрэй-пиролиз [US 2011/0068293 A1, US 7923154 B2, US 2008/0241690 A1, US 2009/0183650 A1, US 2011/0110838 A1, US 7390473 B1].

Как правило, твердофазный синтез проводят при высокой температуре с участием восстанавливающего газа (смесь аргона и небольшого количества водорода). Полученный литий-фосфат железа при этом содержит значительное количество примеси пирофосфатов и фосфидов (если температура отжига превышает 700ºС) [Franger S, Le Cras F, Bourbone С, Rouault H (2003) J Power Sources 119-121. P.252]. Предлагаемое техническое решение лишено подобного рода недостатков и обеспечивает получение фазово-чистого LiFePO4 в диапазоне температур 350ºС-650ºС.

К аналогам предполагаемого изобретения относится техническое решение по патенту US 7344659 B2, в котором предлагается твердофазный метод синтеза получения LiFePO4 с электропроводным покрытием в диапазоне температур 350-700ºС. Несмотря на удовлетворительную электронную проводимость, синтезируемый таким способом электродный материал не обладает оптимальными электрохимическими показателями из-за своей низкой ионной проводимости.

Наиболее близким является способ получения катодного материала со структурой оливина по патенту RU 2402114, МПК Н01М 4/52, который состоит в смешении реагентов в стехиометрическом соотношении с последующим перетиранием-перемешиванием в шаровой мельнице и отжигом в диапазоне температур 500-1200ºС. Описанный способ получения позволяет получить электродный материал с удельной емкостью 140 мА·ч/г при токе 0.1 С, что составляет только 82% от теоретической величины.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения порошкообразного дисперсного катодного материала со структурой оливина с улучшенными электрохимическими параметрами.

Техническим результатом является повышение удельной емкости и стабильности при циклировании.

Указанный технический результат достигается тем, что способ получения катодного материала со структурой оливина для литиевой автономной энергетики включает смешение соли лития Li2CO3, оксида железа (III) Fe2O3, лимонной кислоты и дигидрофосфата аммония в стехиометрическом соотношении, измельчение частиц смеси в шаровой мельнице и последующую термообработку, согласно решению измельчение проводят в среде ацетона, а термообработку проводят при температуре 350ºС-650ºС.

Согласно изобретению, процесс получения катодных материалов отличается простотой технологического процесса и низкой себестоимостью вследствие применения низких температур и дешевых прекурсоров синтеза.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлены зарядно-разрядные кривые для LiFePO4/C, полученные в режиме 0.1 С в интервале потенциалов 2.5-4.3 В. На фиг.2 представлено изменение циклируемой емкости электрода со структурой оливина, изготовленного из материала, полученного заявляемым способом.

Заявляемый электродный материал на основе оливина по формуле LiFePO4/C получают способом, включающим следующие стадии: измельчение в мельнице-активаторе (например, АГО-2) смеси прекурсоров Li2CO3, NH4H2PO4, Fe2O3, C6H8O7, взятых в стехиометрическом соотношении. При этом измельчение проводят в среде ацетона до получения частиц с размерами не более 10 мкм. Затем проводят отжиг смеси в интервале температур 350ºС-650ºС в течение 4-20 часов для получения катодного материала состава LiFePO4 (активной массы электрода). Указанный температурный диапазон является достаточным для вступления ингредиентов в твердофазное взаимодействие, при этом положительным является отказ от использования температуры выше 700ºС, т.к. высокотемпературный отжиг не позволяет получить катодные материалы с приемлемыми эксплуатационными характеристиками, что связано с возможным формированием при высоких температурах примесных фаз, образованных трехвалентным железом Fe2O3 и Li3Fe2(PO4)3 [Drozd V., Liu G.Q., Liu R.S., Kuo H.T., Shen C.H., Shy D.S., Xing X.K. // J. Alloys and Comp. 2009. V.487. P.58].

Рентгенофазовый анализ (РФА) полученных материалов проводился с использованием рентгеновской камеры Huber G670 (излучение , Ge-монохроматор, Image Plate-детектор) и дифрактометра STADI-P фирмы STOE (излучение линейный координатный детектор). Подготовку гигроскопичного образца осуществляли в сухой камере, на время съемки для защиты от воздействия влаги их покрывали рентгеноаморфным скотчем. Фазовый анализ проводился с использованием базы данных ICDD PDF-2. Расчет рентгенограмм и уточнение параметров элементарных ячеек осуществляли с использованием пакета WinXPow фирмы STOE. Согласно данным рентгенофазового анализа, синтезированные материалы представляют собой фазово-чистый LiFePO4 со структурой трифилита.

Для изготовления электродов из полученного материала производили механическое смешение активной массы, связующего (политетрафторэтилена, PTFE) и электропроводной добавки (ацетиленовая сажа) в соотношении 80:15:5 с последующей дополнительной гомогенизацией смеси путем ультразвукового диспергирования.

Лабораторные испытания полученных образцов катодного активного материала проводили в тестовых литиевых ячейках в условиях гальваностатического заряда-разряда в режиме 0.1 С в области потенциалов 2.5-4.3 В (относительно литиевого электрода сравнения) на зарядно-разрядных модулях УЗР 0.03-10 (производитель Бустер СПб).

Пример конкретного выполнения.

Для получения LiFePO4 взята смесь Li2CO3 (1.617 г), NH4H2PO4 (5.026 г), Fe2O3 (3.493 г), C6H8O7 (15.309 г) и подвергнута смешению в шаровой мельнице-активаторе (АГО-2) в среде ацетона (35 мл) в течение 20 минут с последующей термообработкой в среде аргона при 650ºС в течение 10 ч. Удельная разрядная емкость катодного материала составила 159 мА·ч/г на первом цикле и 156 мА·ч/г на 20 цикле.

Таким образом, изобретение позволяет добиться повышения удельной емкости и стабильности при циклировании: 159 мАч/г при токе 0.1 С (фиг.1, 2); средняя скорость снижения емкости - 0.14 мА·ч/г за цикл.

Формула изобретения

Способ получения катодного материала со структурой оливина для литиевой автономной энергетики, включающий смешение соли лития Li2CO3, оксида железа (III) Fe2O3, лимонной кислоты и дигидрофосфата аммония в стехиометрическом соотношении, измельчение частиц смеси в шаровой мельнице и последующую термообработку, отличающийся тем, что измельчение проводят в среде ацетона, а термообработку проводят при температуре 350-650°С.

ИЗВЕЩЕНИЯ

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 20.08.2018

Дата внесения записи в Государственный реестр: 12.07.2019

Дата публикации и номер бюллетеня: 12.07.2019 Бюл. №20