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DE19727611A1 - Process for the preparation of lithium manganese mixed oxides and their use - Google Patents

Process for the preparation of lithium manganese mixed oxides and their use

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Publication number
DE19727611A1
DE19727611A1 DE19727611A DE19727611A DE19727611A1 DE 19727611 A1 DE19727611 A1 DE 19727611A1 DE 19727611 A DE19727611 A DE 19727611A DE 19727611 A DE19727611 A DE 19727611A DE 19727611 A1 DE19727611 A1 DE 19727611A1
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DE
Germany
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lithium manganese
manganese oxide
ranks
manganese dioxide
electrodes
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE19727611A
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German (de)
Inventor
Udo Dr Heider
Dietmar Raulin
Volker Dr Hilarius
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Merck Patent GmbH
Original Assignee
Merck Patent GmbH
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Publication date
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Priority to EP98941284A priority patent/EP0991591A1/en
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Abstract

The invention relates to a method for producing mixed oxides with slightly variable electrochemical properties and spinel-type structures of formula (I): LixMeyMn2-yO4, in which Me is a metal cation from the II, III, IV, V and VI main groups or from the I, II, IV, V, VII or VIII subgroups of the periodic table of the elements, in particular a cation from the group of elements Al, Co, Cr, Fe, Ge, Mg, Nb, Ni, Sn, Ta, Te, V, W, Zn, and 0</=x</=2 and 0</=y<2. The invention also relates to their use in producing manganese dioxide electrodes for galvanic cells, electrochemical cells, secondary batteries, in particular for prismatic and round cells.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mischoxiden mit leicht variierbaren elektrochemischen Eigenschaften und spinellartiger Strukturen der Formel (I)
The present invention relates to a process for the preparation of mixed oxides with readily variable electrochemical properties and spinel-type structures of the formula (I)

LixMeyMn2-yO4, (I)
Li x Me y Mn 2-y O 4 , (I)

worin
Me ein Metall-Kation aus der II., III., IV., V. und VI. Hauptgruppe oder aus der I., II., IV., V., VII., oder VIII. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, insbesondere ein Kation aus der Gruppe der Elemente Al, Co, Cr, Fe, Ge, Mg, Nb, Ni, Sn, Ta, Te, V, W, Zn
und
0 ≦ x ≦ 2
und
0 ≦ y < 2 bedeuten,
sowie deren Verwendung zur Herstellung von Mangandioxidelektro­ den für galvanische Elemente, elektrochemischen Zellen, sekundäre Batterien, insbesondere für prismatische und Rundzellen.
wherein
Me a metal cation from the II., III., IV., V. and VI. Main group or from the I., II., IV., V., VII., Or VIII. Subgroup of the Periodic Table of the Elements, in particular a cation from the group of the elements Al, Co, Cr, Fe, Ge, Mg, Nb, Ni, Sn, Ta, Te, V, W, Zn
and
0 ≦ x ≦ 2
and
0 ≦ y <2,
and their use for the production of Mangandioxidelektro the for galvanic elements, electrochemical cells, secondary batteries, in particular for prismatic and round cells.

Typische Bestandteile einer Lithium-Sekundärzelle sind eine aus lithiiertem Metalloxid bestehende Kathode, eine Anode, vorzugsweise aus Kohlenstoff, ein aprotischer Elektrolyt und ein elektrolytdurchläs­ siges Separatormaterial.Typical components of a lithium secondary cell are one of lithiated metal oxide existing cathode, an anode, preferably of carbon, an aprotic electrolyte and an electrolyte pass through sige separator material.

Das zwischen den Elektroden befindliche Separatormaterial hat die Aufgabe, die beiden Elektroden elektronisch zu isolieren.The separator material located between the electrodes has the Task to electronically isolate the two electrodes.

Als Kathodenmaterial wird häufig ein Lithium-Mangan-Spinell ver­ wendet, welcher eine sehr hohe elektrochemische Aktivität besitzt. Zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit werden solchen Man­ gandioxidelektroden üblicherweise Kohle-, Ruß- oder Graphitpartikel zugesetzt. Als Bindemittel kommen organische oder anorganische Zusätze zum Einsatz.As the cathode material is often a lithium manganese spinel ver which has a very high electrochemical activity. To increase the electrical conductivity such Man gandioxidelektroden usually carbon, soot or graphite particles  added. As binders come organic or inorganic Additives for use.

Die in DE-A1-41 19 944 erwähnten LiMn2O4 und Li4Mn5O12 sind stöchiometrische Spinelle. Das Kathodenmaterial wird durch Reakti­ on eines Lithiumsalzes, insbesondere von Lithiumhydroxid, mit einem Manganoxid bei Temperaturen oberhalb von 750°C hergestellt.The LiMn 2 O 4 and Li 4 Mn 5 O 12 mentioned in DE-A1-41 19 944 are stoichiometric spinels. The cathode material is prepared by reacting a lithium salt, particularly lithium hydroxide, with a manganese oxide at temperatures above 750 ° C.

Aus DE-A1-43 28 755 ist ein entsprechendes Kathodenmaterial be­ kannt mit einer variablen Stöchiometrie der Form Li1+xMn2-xO4+δ mit 0 ≦ x < 0.33 und 0 ≦ δ < 0,5. Die veränderlichen Parameter x und δ werden so gewählt, daß das Material im entladenen Zustand, in dem es eingesetzt wird, noch gerade eine kubische Symmetrie (Spinell­ gitter) aufweist und der mittlere Oxidationsgrad des Mn nicht unter 3,5 liegt.From DE-A1-43 28 755 a corresponding cathode material be known with a variable stoichiometry of the form Li 1 + x Mn 2-x O 4 + δ with 0 ≦ x <0.33 and 0 ≦ δ <0.5. The variable parameters x and δ are chosen so that the material in the discharged state in which it is used, just a cubic symmetry (spinel lattice) and the average degree of oxidation of Mn is not less than 3.5.

Von M. N. Richard et al. (Solid State Ionics 73 (1994) 81-91) dagegen wird ein "sauerstoffdefizitärer" Spinell der Formel Li(Li1/3Mn5/3)O4-δ, beschrieben. Bei größer werdendem δ wird ein von 4 gegen 3,5 ab­ nehmender durchschnittlicher Oxidationsgrad des Mn bewirkt. Lithium kann durch gleichzeitige Oxidation des Mn3⁺ deintercaliert werden, wodurch auch ein solcher "sauerstoffdefizitärer" Spinell als reversibel arbeitend es Kathodenmaterial verwendbar ist.By MN Richard et al. (Solid State Ionics 73 (1994) 81-91), however, an "oxygen-deficient" spinel of the formula Li (Li 1/3 Mn 5/3 ) O 4-δ , described. As the δ increases, an average degree of oxidation of the Mn decreasing from 4 to 3.5 is achieved. Lithium can be deintercalated by simultaneous oxidation of the Mn 3 ⁺, making such an "oxygen-deficient" spinel usable as a reversible cathode material.

Die mit diesen Kathodenmaterialien erzielbaren Kapazitäten schwan­ ken zwischen 10 mAhg und 120 mAhg. Je nach stöchiometrischer Zu­ sammensetzung und kristalliner Beschaffenheit sind die Materialien mehr oder weniger feuchtigkeitsempfindlich und an Luft instabil. Eine verbesserte Hochtemperaturlagerfähigkeit bei gleichzeitig befriedi­ gender Zyklenstabilität ist in den meisten Fällen nur zu erzielen durch in Kaufnahme niedrigerer Kapazitäten. The achievable with these cathode materials capacity swan between 10 mAhg and 120 mAhg. Depending on stoichiometric access Composition and crystalline nature are the materials more or less sensitive to moisture and unstable in air. A improved high-temperature storage ability while satisfying Gender cycle stability can only be achieved in most cases in the capacity of lower capacities.  

Aus den Veröffentlichungen bekannte Verfahren zur Herstellung der Lithiummangenoxide mit Spinellstruktur weisen in der Regel jedoch den Nachteil auf, daß sich die Pulvermaterialien nur batch-weise herstellen lassen und sehr langen Temperaturbehandlungen unterzo­ gen werden müssen, wodurch ein sehr hoher Energieeintrag benötigt wird.From the publications known method for the preparation of However, lithium mandel oxides with spinel structure usually have the disadvantage that the powder materials only batch-wise can be prepared and subjected to very long temperature treatments which requires a very high energy input becomes.

Aufgabe der Erfindung war es daher, ein einfaches, schnelles und energiesparendes Verfahren zur Herstellung von geeigneten Lithium- Mangan-Mischoxiden mit spinellartiger Struktur mit verbesserten Ei­ genschaften für Kathoden in wiederaufladbaren elektrochemischen Zellen zur Verfügung zu stellen, welches die Möglichkeit bietet, die Eigenschaften der herzustellenden Pulver je nach beabsichtigter Verwendung gezielt zu modifizieren.The object of the invention was therefore a simple, fast and energy-saving process for the production of suitable lithium Manganese mixed oxides with spinel-like structure with improved egg properties for cathodes in rechargeable electrochemical To provide cells which offers the possibility that Properties of the powder to be produced depending on the intended Use to modify specifically.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Herstellung von Lithiummanganoxid mit leicht variierbaren elektrochemischen Ei­ genschaften, insbesondere mit großer Oberfläche und spinellartiger Struktur der allgemeinen Formel I
The object is achieved by a method for the production of lithium manganese oxide with slightly variable electrochemical egg properties, in particular with a high surface area and spinellartiger structure of the general formula I.

LixMeyMn2-yO4, (I)
Li x Me y Mn 2-y O 4 , (I)

worin
Me aus der II., III, IV., V. und VI. Hauptgruppe oder aus der I., II., IV., V., VII., oder VIII. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, insbesondere ein Kation aus der Gruppe der Ele­ mente Al, Co, Cr, Fe, Ge, Mg, Nb, Ni, Sn, Ta, Te, V, W, Zn
und
0 ≦ x ≦ 2
und
0 ≦ y < 2 bedeuten,
welches dadurch gekennzeichnet ist, daß
wherein
Me from the II., III, IV., V. and VI. Main group or from the I., II., IV., V., VII., Or VIII. Subgroup of the Periodic Table of the Elements, in particular a cation from the group of Ele ments Al, Co, Cr, Fe, Ge, Mg, Nb , Ni, Sn, Ta, Te, V, W, Zn
and
0 ≦ x ≦ 2
and
0 ≦ y <2,
which is characterized in that

  • a) Nitratsalze der verschiedenen Metalle im stöchiometrischen Verhältnis der gewünschten Pulverzusammensetzung in einem Wasser-Alkohol-Gemisch mit einem Wasseranteil von bis 100% in einer Menge von 5 bis 50%, vorzugsweise 30-50%, bezogen auf das Gesamtgemisch gelöst werden und anschließenda) Nitrate salts of various metals in the stoichiometric Ratio of the desired powder composition in one Water-alcohol mixture with a water content of up to 100% in in an amount of 5 to 50%, preferably 30-50%, based on  the total mixture are dissolved and then
  • b) in einer Nitrat-Pyrolyse-Anlage pyrolysiert werden, wobei die Reaktoraustrittstemperatur 400-700°C beträgt.b) are pyrolyzed in a nitrate pyrolysis plant, wherein the Reactor exit temperature is 400-700 ° C.

Erfindungsgemäß wird das durch das Nitrat-Pyrolyse-Verfahren erhal­ tene pulverförmige Material bei Temperaturen von 500-750°C zu­ sätzlichen Temperschritten unterzogen wird.According to the invention erhal by the nitrate pyrolysis process tene powdery material at temperatures of 500-750 ° C. subjected to additional Temperschritten.

Dieses Tempern kann in einer sauerstoffhaltigen Gasatmosphäre durchgeführt werden, vorzugsweise mit einer Sauerstoffkonzentration bis 100%.This tempering can take place in an oxygen-containing gas atmosphere be carried out, preferably with an oxygen concentration until 100%.

Gegenstand der Erfindung ist ebenso die Verwendung des nach die­ sem Verfahren hergestellten Lithiummanganoxids zur Herstellung von Mangandioxidelektroden für galvanische Elementen, für elektroche­ mischen Zellen.The invention is also the use of the after Lithium manganese oxide produced by this method for the production of Manganese dioxide electrodes for galvanic elements, for electrochemicals mix cells.

Zur Erzielung einer guten Zyklenstabilität bei gleichzeitig hoher Ka­ pazität wird insbesondere ein Pulvermaterial angestrebt, welches ei­ ne homogene und stöchiometrische Zusammensetzung aufweist, so daß mögliche Dotierstoffe homogen im Material enthalten sind, das Material direkt nach der Herstellung bereits eine Spinellstruktur auf­ weist und eine gleichmäßige, sehr geringe Teilchengröße, vorteilhaf­ terweise unter 10 µm, besitzt.To achieve a good cycle stability with high Ka In particular, a powder material is sought, which egg has a homogeneous and stoichiometric composition, so that possible dopants are homogeneously contained in the material, the Material directly after production already on a spinel structure has and a uniform, very small particle size, vorteilhaf terweise less than 10 microns, has.

Versuche haben gezeigt, daß überraschenderweise diese hohen Ma­ terialanforderungen erfüllt werden können, wenn pulverförmiges Lithi­ ummanganoxid in einem Sprühpyrolyseverfahren hergestellt wird. Zur Durchführung dieses Verfahrens können Mischungen verschiedener Salzlösungen oder entsprechender Suspensionen eingesetzt werden, welche in der heißen Reaktionszone unter umgehender Verdampfung des Lösungsmittels zu den gewünschten Lithiummanganoxiden der Formel (I) oxidieren.Experiments have shown that, surprisingly, this high Ma Material requirements can be met if powdered Lithi ummanganoxid is produced in a spray pyrolysis. to Implementation of this process can mixtures of various Salt solutions or corresponding suspensions are used, which in the hot reaction zone with immediate evaporation of the solvent to the desired lithium manganese oxides of Oxidize formula (I).

Zur Herstellung der oben genannten Lithium-Mangan-Mischoxide ist insbesondere ein Verfahren geeignet, welches prinzipiell als Nitrat- Pyrolyse charakterisiert werden kann. Dieses Verfahren kann mit Hilfe von wäßrigen Lösungen der Metallnitratsalze oder von einer Suspension einer Komponente in einer wäßrigen Nitratsalzlösung der anderen Komponenten durchgeführt werden. Vorteilhafterweise kön­ nen je nach gewünschtem Endprodukt wäßrige Lösungen bzw. Sus­ pensionen der Nitratsalze bzw der Komponenten in stöchiometri­ schen Mengen eingesetzt werden. Durch direktes Versprühen der hergestellten Lösung bzw. Suspension in Luft oder in einer anderen definierten Gasatmosphäre bei Temperaturen von 400-700°C, ins­ besondere bei 475-650°C, kann das gewünschte spinellartige Pro­ dukt phasenrein direkt ohne weitere Nachbehandlung hergestellt werden.For the preparation of the above lithium-manganese mixed oxides is In particular, a method is suitable, which in principle is used as nitrate Pyrolysis can be characterized. This procedure can with Help of aqueous solutions of metal nitrate salts or of a  Suspension of a component in an aqueous nitrate salt solution of other components are performed. Advantageously Kings depending on the desired end product aqueous solutions or Sus pensions of nitrate salts or components in stoichiometry quantities are used. By direct spraying the prepared solution or suspension in air or in another defined gas atmosphere at temperatures of 400-700 ° C, ins special at 475-650 ° C, the desired spinel-like Pro phase-directly produced without further treatment become.

Vorzugsweise werden zur Durchführung des Verfahrens solche Salz­ lösungen verwendet, die in einer exothermen Reaktion zu den ge­ wünschten Mischoxiden reagieren. Dieses hat den Vorteil, daß zwar zum Anspringen der Reaktion zu Beginn der Reaktionsraum auf eine bestimmte Temperatur gebracht werden muß, die Reaktion sich dann aber im günstigsten Fall selbst trägt und die Temperatur gehalten werden kann. Das Anspringen der Reaktion kann gegebenenfalls auch durch Zündung erfolgen.Preferably, for carrying out the method such salt solutions used in an exothermic reaction to the ge wanted to react mixed oxides. This has the advantage that, although to start the reaction at the beginning of the reaction space on a certain temperature must be brought, then the reaction itself but in the best case, carry yourself and keep the temperature can be. The start of the reaction may optionally also done by ignition.

Vorteilhafterweise können als Edukte zur Bildung der Lithiumman­ ganoxide der Formel (I) Nitratsalze der Metalle, welche im Produkt erwünscht sind, verwendet werden. Geeignete Salze sind aber auch Acetate, Citrate, Hydroxide oder andere in Wasser oder Wasser- Alkohol-Gemischen lösliche organische Metallsalze.Advantageously, as educts for the formation of Lithiumman ganoxide of the formula (I) Nitrate salts of metals, which in the product are desired to be used. However, suitable salts are also Acetates, citrates, hydroxides or others in water or water Alcohol mixtures soluble organic metal salts.

Es ist auch möglich, entsprechende Hydroxide in Kombination mit Nitratsalzen zur Reaktion zu verwenden. Beispielsweise können je­ weils stöchiometrische Mengen Lithiumhydroxid, Mangannitrat sowie eines weiteren geeigneten Salzes eines Metalls aus der II., III, IV., V. und VI. Hauptgruppe oder aus der I., II., IV., V., VII., oder VIII. Ne­ bengruppe des Periodensystems der Elemente, insbesondere aus der Gruppe der Elemente Al, Co, Cr, Fe, Ge, Mg, Nb, Ni, Sn, Ta, Te, V, W, Zn in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Auch bei diesem weiteren Salz handelt es sich vorzugsweise um ein in wasserlöslichen Nitrat. It is also possible to use corresponding hydroxides in combination with Use nitrate salts for the reaction. For example, you can ever because stoichiometric amounts of lithium hydroxide, manganese nitrate and another suitable salt of a metal from II., III, IV., V. and VI. Main group or from the I., II., IV., V., VII., Or VIII. Ne Bengruppe of the Periodic Table of the Elements, in particular from the group of elements Al, Co, Cr, Fe, Ge, Mg, Nb, Ni, Sn, Ta, Te, V, W, Zn can be used in the process according to the invention. Also in this further salt is preferably a in water-soluble nitrate.  

Vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Sprühpyrolyseverfah­ rens werden die obengenannten Salze im stöchimetrischen Verhältnis der gewünschten Pulverzusammensetzungen in Lösung gebracht. Besonders gute Eigenschaften weisen solche Lösungen auf, in denen die Salze in einer Gesamtkonzentration von 5-50%, insbesondere von 30-50% vorliegen.Before carrying out the spray pyrolysis process according to the invention The above salts are in the stoichiometric ratio the desired powder compositions dissolved. Particularly good properties have such solutions in which the salts in a total concentration of 5-50%, in particular from 30-50%.

Als Salzlösungen sind sowohl rein wäßrige Lösungen geeignet als auch solche, die außer Wasser als Lösungsmittel ein organisches Lösungsmittel enthalten. Als organische Lösungsmittel sind insbe­ sondere mit Wasser mischbare Lösungsmittel geeignet. Zu diesem Zweck können Alkohole, wie z. B. Ethanol, Methanol oder Propanol eingesetzt werden. Verwendet werden können aber auch andere Lö­ sungsmittel, welche gleichzeitig auch als Komplexbildnerfungieren können wie z. B. Diethylenglykol. Vorzugsweise werden jedoch we­ gen der guten Wasserlöslichkeit Alkohole verwendet. Insbesondere bevorzugt wird mit Ethanol gearbeitet.As salt solutions, both purely aqueous solutions are suitable as also those, which except water as solvent an organic Solvent included. As organic solvents are esp especially water-miscible solvents suitable. To this Purpose can alcohols such. As ethanol, methanol or propanol be used. Can be used but also other Lö agents, which at the same time function as complexing agents can such. B. diethylene glycol. Preferably, however, we will gen of good water solubility alcohols used. In particular it is preferable to work with ethanol.

Die organischen Lösungsmittel tragen während der Sprühpyrolyse- Reaktion insbesondere mit zur Beibehaltung der Temperatur bei. Bei Verwendung von organischen Lösungsmitteln ist jedoch deren Kon­ zentration und Reaktionstemperatur so zu wählen, daß eine vollstän­ dige exotherme Reaktion der kohlenstoffhaltigen Verbindungen er­ folgt, jedoch im gebildeten Mischoxid keine Kohlenstoffreste mehr verbleiben, da sonst die Bildung einer Spinellstruktur gestört wird. An sich können Lösungen verwendet werden, in denen allein ein organi­ sches Lösungsmittel verwendet wird, also die Konzentration des or­ ganischen Lösungsmittels in Bezug auf die Gesamtlösungsmittel­ menge bis auf 100% steigt.The organic solvents carry during the spray pyrolysis Reaction in particular with to maintain the temperature at. at However, use of organic solvents is their Kon to choose concentration and reaction temperature so that a full stan dige exothermic reaction of the carbonaceous compounds he follows, but no more carbon residues in the formed mixed oxide remain, otherwise the formation of a spinel structure is disturbed. On solutions can be used in which alone an organi solvent is used, ie the concentration of or ganic solvent with respect to the total solvents amount goes up to 100%.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Lithiummanganoxide der Formel (I) werden die hergestellten Salzlösungen in den auf Betrieb­ stemperatur gebrachten NPA-Reaktor (NPA Nitratpyrolyseanlage) eingesprüht. Bei diesem Reaktor handelt es sich um einen speziell entwickelten Reaktor der Anmelderin. Das Einsprühen erfolgt durch eine Zwistoffdüse mittels einer Pumpe. Die so in den Reaktor ver­ sprühte Reaktionslösung wird thermisch pyrolysiert und fällt hierbei als feinteiliges, rieselfähiges Pulver an.For the preparation of the lithium manganese oxides according to the invention Formula (I), the salt solutions prepared in the operation temperature brought NPA reactor (NPA nitrate pyrolysis plant) sprayed. This reactor is a special one developed reactor of the Applicant. The spraying is done by a jet nozzle by means of a pump. The so in the reactor ver  sprayed reaction solution is thermally pyrolyzed and falls here as a finely divided, free-flowing powder.

Es ist möglich, je nach weiterer Verwendung, die Eigenschaften des Pulvers durch eine sich anschließende Temperaturbehandlung zu modifizieren. Hierdurch können physikalische, aber auch elektro­ chemisch-physikalische Eigenschaften gezielt verändert werden, und somit den Anwendungserfordernissen angepaßt werden.It is possible, depending on further use, the properties of the Powder by a subsequent temperature treatment modify. This allows physical, but also electro chemico-physical properties are selectively changed, and thus be adapted to the application requirements.

Die für die Herstellung von Batterien relevanten Eigenschaften wie Korngröße, spezifische Oberfläche, Sauerstoffgehalt und Gifterkon­ stante können durch eine Temperaturnachbehandlungen in einer de­ finierten Gasatmosphäre sehr gut variiert werden.The properties relevant for the production of batteries such as Grain size, specific surface, oxygen content and Gifterkon Stants can be cured by a temperature aftertreatment in a de Finished gas atmosphere can be varied very well.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Möglichkeit, auf einfache Weise dotierte Mischoxide der oben genannten allgemeinen Formel herstellen zu können. Auch bei Ver­ wendung geringster Mengen Dotierprecursormaterials ist eine homo­ gene Verteilung in dem hergestellten Precursormaterial für Elektro­ den gewährleistet.Another advantage of the method according to the invention consists in the possibility of easily doped mixed oxides of the above to be able to produce said general formula. Also at Ver Use of very small amounts of dopant precursor material is homo gene distribution in the prepared precursor material for electro guaranteed.

Besonders vorteilhaft ist es, daß das erfindungsgemäße Verfahren einfach und schnell durchführbar ist, und zwar auch in einem größe­ ren Maßstab. Auch zeichnet sich dieses Herstellungsverfahren auf­ grund der sich selbst tragenden Reaktion durch einen niedrigen Energieeintrag aus.It is particularly advantageous that the inventive method easy and fast is feasible, even in one size ren scale. Also, this manufacturing process is characterized reason of self-sustaining reaction by a low Energy input.

Durch geeignete Reaktionsführung liegt das hergestellte Pulver direkt in der gewünschten Phase, dem Spinell vor, wenn die Reaktionsaus­ tritts-Temperatur der Nitrat-Pyrolyse-Anlage in geeigneter Weise ge­ wählt wird. Es handelt sich dabei um ein feinteiliges, Pulver mit einer Partikelgröße kleiner 10 µm mit hoher Schüttdichte.By suitable reaction, the powder produced is directly in the desired phase, the spinel before, when the reaction Occurrence temperature of the nitrate pyrolysis plant ge suitably is chosen. It is a finely divided, powder with a Particle size smaller than 10 μm with high bulk density.

Anschließende Glühschritte können zur Modifikation der elektroche­ mischen, wie auch physiko-chemischen Eigenschaften nachgeschal­ tet sein. Subsequent annealing steps can be used to modify the electrochromes mix as well as physico-chemical properties nachgeschal be.  

Durch diese Nachbehandlung der Pulver werden insbesondere die Kristallinität, die Gitterkonstanten, die Korngrößen, die spezifische Oberfläche und die Kapazität beeinflußt.By this aftertreatment of the powder in particular the Crystallinity, the lattice constants, the grain sizes, the specific Surface and capacity affected.

Hierbei spielt natürlich die definierte Temperatur, die Heiz- und Ab­ kühlrate, wie auch die Glühdauer eine entscheidende Rolle. Weiter­ hin sind die Gasatmosphäre der verwendeten Öfen und die Schütthö­ he der Tiegel bedeutende Einflußgrößen.Here, of course, the defined temperature, the heating and Ab plays Cooling rate, as well as the annealing time a crucial role. more There are the gas atmosphere of the ovens used and the Schütthö the crucible important influencing factors.

Zur Herstellung des eigentlichen Kathodenmaterials wird das erhalte­ ne pulverförmige Produkt intensiv mit den übrigen Bestandteilen vermischt und gegebenenfalls suspendiert. Solche notwendigen Be­ standteile z. B. organische oder anorganische Bindemittel und Leit­ fähigkeitszusätze. Als organische Bindemittel können hinzugefügt werden PTFE, PVDF u. a. dem Fachmann für diesen Zweck bekannte Bindemittel. Besonders geeignet ist PTFE. Geeignete Leitfähigkeits­ zusätze sind Ruß, Graphit, Stahlwolle und andere leitfähige Fasern. Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt durch Zugabe von Ruß und Graphit in einer Menge von 5-50, insbesondere von etwa 15 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge.To produce the actual cathode material is obtained ne powdered product intensively with the other ingredients mixed and optionally suspended. Such necessary Be components for. As organic or inorganic binders and Leit ability additives. As organic binders can be added be PTFE, PVDF u. a. known to the skilled person for this purpose Binder. Particularly suitable is PTFE. Suitable conductivity Additives are carbon black, graphite, steel wool and other conductive fibers. Particularly good results were achieved by adding carbon black and graphite in an amount of 5-50, especially about 15 Wt .-% based on the total amount.

Anschließend wird das mit allen Zusätzen vermischte Pulver in an sich bekannter Weise zu Elektroden konfektioniert. Dieses kann durch Verpressen mit sehr hohem Druck zwischen Drahtgeweben, bestehend aus einem inerten Material, wie z. B. Aluminium, erfolgen. Gegebenenfalls kann sich hieran eine Behandlung bei erhöhter Tem­ peratur anschließen, wobei das erhaltene Produkt trocknet. .Subsequently, the mixed with all additives powder in Known way to formulate electrodes. This can by pressing with very high pressure between wire meshes, consisting of an inert material, such as. As aluminum, done. Optionally, this may be a treatment at elevated Tem followed by drying the resulting product. ,

So hergestellte Elektroden lassen sich in bekannter Weise zur Her­ stellung von sekundären galvanischen Zellen verwenden, in denen in Gegenwart eines aprotischen Elektrolyten üblicherweise eine Koh­ lenstoffelektrode als Gegenelektrode dient. Es sind aber auch andere Ausgestaltungen entsprechender galvanischer Zellen möglich. So kann durch verschiedene Zusätze, wie beispielsweise Gelierungsmit­ tel, Silicagel oder andere, die Viskosität des an sich wäßrigen Elek­ trolyten erhöht werden. Zwischen den Elektroden kann ein geeignetes Polymergewebe oder -vlies als Trennmaterial angebracht sein und falls dieses notwendig sein sollte ein Abstandshalter eingefügt sein. Als Polymervlies können Materialien, bestehend aus PVA, Polypropy­ len oder anderen inerten Polymeren, dienen. Abstandshalter, wie sie aus im Handel erhältlichen Batterien bekannt sind, können eine ge­ wellte Form besitzen und beispielsweise aus PVC bestehen.Thus produced electrodes can be prepared in a known manner use of secondary galvanic cells in which Presence of an aprotic electrolyte usually a Koh lenstoffelektrode serves as a counter electrode. But there are others too Embodiments of corresponding galvanic cells possible. So  can by various additives, such as Gelierungsmit tel, silica gel or others, the viscosity of the per se aqueous Elek be increased. Between the electrodes can be a suitable Polymer fabric or nonwoven be attached as a release material and if necessary, a spacer should be inserted. As polymer fleece materials can be used, consisting of PVA, Polypropy len or other inert polymers serve. Spacers, like them are known from commercially available batteries, a ge corrugated form and consist for example of PVC.

Zu Versuchszwecken wurden aus den erfindungsgemäßen Lithium- Mangandioxidgemischen Elektroden hergestellt, indem in einem Mi­ xer die Komponenten homogenisiert worden sind, wobei jeweils ein Leitfähigkeitszusatz und ein Bindemittel hinzugefügt wurde. Das so erhaltene Gemisch wurde zu Kathoden für Knopfzellenbatterien ver­ preßt und getrocknet.For experimental purposes, starting from the lithium Manganese dioxide blanks made by adding in a Mi xer the components have been homogenized, wherein each one Conductivity additive and a binder was added. That so The mixture obtained was converted into cathodes for coin-cell batteries presses and dried.

Im folgenden werden Beispiele zur Veranschaulichung und zum leichteren Verständnis der vorliegenden Erfindung gegeben, die an sich aber nicht zur Beschränkung der eigentlichen Erfindung dienen.The following are examples for illustration and for easier understanding of the present invention given to but not serve to limit the actual invention.

BeispieleExamples Herstellung eines stöchiometrischen Li1.045Mn2O4±δ PrecursorsPreparation of a stoichiometric Li 1.045 Mn 2 O 4 ± δ precursor Versuchsbeschreibungtest description

Einwiegen stöchiometrischer Mengen von Lithium- und Mangan-Nitrat und lösen im VE-Wasser und Rühren.
Sprühpyrolyse-Bedingungen:
Düsendruck: 2.5 bar
Brennertemperatur: 600°C
Luft-Gas-Verhältnis: 2
Fließgeschwindigkeit: 4.95 kg/h.
Weigh in stoichiometric amounts of lithium and manganese nitrate and dissolve in deionised water and stirring.
Spray pyrolysis conditions:
Nozzle pressure: 2.5 bar
Burner temperature: 600 ° C
Air to gas ratio: 2
Flow rate: 4.95 kg / h.

Es wurde eine Schlick-Zweistoffdüse, Modell 970/4, mit einer Boh­ rung von 0.8 mm benutzt.It was a Schlick two-fluid nozzle, model 970/4, with a Boh used of 0.8 mm.

Der Reaktor wurde während der Reaktion gekühlt.
Theoretische Ausbeute: 5244 g
Rohausbeute: 5155 g.
The reactor was cooled during the reaction.
Theoretical yield: 5244 g
Crude yield: 5155 g.

Dies entspricht einer Umsetzung von 98.3% des Rohstoffes.This corresponds to a conversion of 98.3% of the raw material.

Die analytische Untersuchung der Produktes ergab folgende Gehalte:
The analytical examination of the product gave the following contents:

Experimentellexperimental TheoretischTheoretically Li: 3,928%Li: 3.928% 3,879%3.879% Mn: 60,465%Mn: 60.465% 60,72%60.72% O: 35,607%O: 35.607% 53.40%53.40% ⇒ Li1.029Mn2O4.044 ⇒ Li 1.029 Mn 2 O 4.044

Kalzinieren unter verschiedenen Bedingungen:
Calcining under different conditions:

  • 1. Versuchsdurchführung: 750°C für 10 h bei einer Heizrate von 3 K/min in Luft1. Experimental procedure: 750 ° C for 10 h at a heating rate of 3 K / min in air
  • 2. Versuchsdurchführung: 750°C für 24 h bei einer Heizrate von 3 K/min in Luft.2. Experimental procedure: 750 ° C for 24 h at a heating rate of 3 K / min in air.

Tabelle 1 Table 1

Ergebnisse der beiden Kalzinierversuche und Vergleich mit der Precursormischung Results of the two calcination experiments and comparison with the precursor mixture

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Lithiummanganoxid mit leicht vari­ ierbaren elektrochemischen Eigenschaften und spinellartiger Struktur der allgemeinen Formel I
LixMeyMn2-yO4, (I)
worin
Me Metall aus der II., III., IV., V. und VI. Hauptgruppe oder aus der I., II., IV., V., VII., oder VIII. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, insbesondere ein Kation aus der Gruppe der Elemente Al, Co, Cr, Fe, Ge, Mg, Nb, Ni, Sn, Ta, Te, V, W, Zn
und
0 ≦ x ≦ 2
und
0 ≦ y < 2 bedeuten,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) Nitratsalze der verschiedenen Metalle im stöchiometrischen Verhältnis der gewünschten Pulverzusammensetzung in einem Wasser-Alkohol-Gemisch mit einem Wasseranteil von 0-100% in einer Menge von 5-50%, vorzugsweise 30-50%, bezogen auf das Gesamtgemisch gelöst werden und anschließend
  • b) in einer Nitrat-Pyrolyse-Anlage pyrolysiert werden, wobei die Reaktoraustrittstemperatur 400-700°C beträgt.
1. A process for the preparation of lithium manganese oxide with easily variable electrochemical properties and spinel-like structure of the general formula I.
Li x Me y Mn 2-y O 4 , (I)
wherein
Me metal from the II., III., IV., V. and VI. Main group or from the I., II., IV., V., VII., Or VIII. Subgroup of the Periodic Table of the Elements, in particular a cation from the group of the elements Al, Co, Cr, Fe, Ge, Mg, Nb, Ni, Sn, Ta, Te, V, W, Zn
and
0 ≦ x ≦ 2
and
0 ≦ y <2,
characterized in that
  • a) nitrate salts of the various metals in the stoichiometric ratio of the desired powder composition in a water-alcohol mixture having a water content of 0-100% in an amount of 5-50%, preferably 30-50%, based on the total mixture are dissolved and then
  • b) are pyrolyzed in a nitrate pyrolysis plant, wherein the reactor exit temperature is 400-700 ° C.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Nitrat-Pyrolyse-Verfahren erhaltene pulverförmige Material bei Temperaturen von 500-750°C zusätzlichen Temperschritten unterzogen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the nitrate pyrolysis method obtained powdery material at temperatures of 500-750 ° C additional Temperschritten is subjected. 3. Verfahren nach den Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tempern in einer sauerstoffhaltigen Gasatmosphäre durchgeführt wird mit einer Sauerstoffkonzentration von bis 100%. 3. Method according to claims 1 and 2, characterized in that that the annealing in an oxygen-containing gas atmosphere is carried out with an oxygen concentration of up to 100%.   4. Verwendung des nach einem Verfahren gemäß einem oder meh­ reren der Ansprüche 1-3 hergestellten Lithiummangenoxids zur Herstellung von Mangandioxidelektroden für galvanische Elemen­ te.4. Use of the according to a method according to one or more Ranks of claims 1-3 prepared lithium manganese oxide Production of manganese dioxide electrodes for galvanic elemen te. 5. Verwendung des nach einem Verfahren gemäß einem oder meh­ reren der Ansprüche 1-4 hergestellten Lithiummanganoxids zur Herstellung von Kathoden für elektrochemischen Zellen, worin Mangandioxidelektroden in Gegenwart von aprotischen Elektroly­ ten als Kathoden dienen, und als Anoden vorzugsweise Kohlen­ stoffelektroden eingesetzt werden.5. Use of the according to a method according to one or more Ranks of claims 1-4 prepared lithium manganese oxide Production of cathodes for electrochemical cells, in which Manganese dioxide electrodes in the presence of aprotic electrolytes th serve as cathodes, and as anodes preferably carbons Substance electrodes are used. 6. Verwendung des nach einem Verfahren gemäß einem oder meh­ reren der Ansprüche 1-4 hergestellten Lithiummanganoxids zur Herstellung von Mangandioxidelektroden für prismatischen und Rundzellen.6. Use of the method according to one or more Ranks of claims 1-4 prepared lithium manganese oxide Production of manganese dioxide electrodes for prismatic and Round cells. 7. Verwendung des nach einem Verfahren gemäß einem oder meh­ reren der Ansprüche 1-4 hergestellten Lithiummanganoxids zur Herstellung von Mangandioxidelektroden für sekundäre Batterien.7. Use of the method according to one or more Ranks of claims 1-4 prepared lithium manganese oxide Production of manganese dioxide electrodes for secondary batteries.
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