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Patent 2304394 Summary

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Claims and Abstract availability

Any discrepancies in the text and image of the Claims and Abstract are due to differing posting times. Text of the Claims and Abstract are posted:

  • At the time the application is open to public inspection;
  • At the time of issue of the patent (grant).
(12) Patent: (11) CA 2304394
(54) English Title: COMPOSITE TRAITEMENT AU LIPO3
(54) French Title: LIPO3 COMMUTATION ELECTRODE
Status: Term Expired - Post Grant Beyond Limit
Bibliographic Data
(51) International Patent Classification (IPC):
  • H01M 10/056 (2010.01)
  • H01M 04/13 (2010.01)
  • H01M 04/139 (2010.01)
(72) Inventors :
  • ARMAND, MICHEL (Canada)
  • BESNER, SIMON (Canada)
  • MAGNAN, JEAN-FRANCOIS (Canada)
  • HOVINGTON, PIERRE (Canada)
  • GAUTHIER, MICHEL (Canada)
(73) Owners :
  • THE MINNESOTA MINING & MANUFACTURING COMPANY
  • BATHIUM CANADA INC.
(71) Applicants :
  • THE MINNESOTA MINING & MANUFACTURING COMPANY (United States of America)
  • BATHIUM CANADA INC. (Canada)
(74) Agent: NORTON ROSE FULBRIGHT CANADA LLP/S.E.N.C.R.L., S.R.L.
(74) Associate agent:
(45) Issued: 2009-09-08
(22) Filed Date: 2000-04-06
(41) Open to Public Inspection: 2000-10-07
Examination requested: 2005-03-30
Availability of licence: N/A
Dedicated to the Public: N/A
(25) Language of filing: French

Patent Cooperation Treaty (PCT): No

(30) Application Priority Data:
Application No. Country/Territory Date
2,268,346 (Canada) 1999-04-07

Abstracts

English Abstract

The present invention relates to a lithium electrochemical generator comprising at least a composite electrode comprising an active material, and a first and a second solid electrolyte distributed non-homogeneously in the composite. The first solid electrolyte is mineral in nature, vitreous or partly vitreous, and is a conductor specific lithium ions, and is located preferably surface of the particles of the active material of the electrode. The second solid electrolyte is of organic nature, comprises an electrolyte dry polymer or gelled mixed conductor ions distributed around solid phases dispersed and acting as binder deformable, preferably elastomeric so, of the composite in contact also with the collector and the electrolyte separator of the generator. A thin layer of the first electrolyte wets and covers at least a part of the surface of the particles of the active material so as to protect the surface covered reactions passivating or degradation induced by the second electrolyte, and to maintain the quality of ion exchanges and electronic between the active material of the electrode and the other constituents of composite, the first electrolyte being impermeable to components of the second electrolyte.


French Abstract

La présente invention concerne un générateur électrochimique au lithium comportant au moins une électrode composite comprenant un matériau actif, et un premier et un second électrolyte solides distribués de façon non-homogène dans le composite. Le premier électrolyte solide est de nature minérale, vitreux ou partiellement vitreux, et est un conducteur spécifique des ions lithium, et est localisé préférentiellement en surface des particules du matériau actif de l'électrode. Le second électrolyte solide est de nature organique, comprend un électrolyte polymère sec ou gélifié conducteur mixte des ions répartis autour des phases solides dispersées et agissant comme liant déformable, préférablement de façon élastomérique, du composite en contact également avec le collecteur et l'électrolyte séparateur du générateur. Une mince couche du premier électrolyte mouille et recouvre au moins une partie de la surface des particules du matériau actif de façon à protéger la surface recouverte des réactions de passivation ou de dégradation induites par le second électrolyte, et à maintenir la qualité des échanges ioniques et électroniques entre la matière active de l'électrode et les autres constituants du composite, le premier électrolyte étant imperméable aux composantes du second électrolyte.

Claims

Note: Claims are shown in the official language in which they were submitted.


-17-
REVENDICATIONS
1. Un générateur électrochimique comportant une cathode et une anode dont au
moins
l'une d'elle est une électrode composite comprenant un matériau actif, un
collecteur de
courant, et au moins un premier et un second électrolyte solide dans le
composite, le premier
ou le second électrolyte comprenant au moins un additif de conduction
électronique sous
forme dispersée; le premier électrolyte étant un conducteur solide de nature
minérale; le
second électrolyte étant solide et de nature organique; dans lequel une mince
couche du
premier électrolyte mouille et recouvre au moins une partie de la surface des
particules du
matériau actif de façon à protéger la surface recouverte des particules des
réactions de
passivation ou de dégradation et à maintenir la qualité des échanges ioniques
et électroniques
entre le matériau actif de l'électrode et les autres constituants du
composite, le premier
électrolyte étant imperméable aux composantes du second électrolyte.
2. Un générateur selon la revendication 1 dans lequel le premier électrolyte
est un
conducteur des ions lithium.
3. Un générateur selon la revendication 1 de type générateur au lithium.
4. Un générateur selon la revendication 1 dans lequel le premier électrolyte
est
vitreux ou partiellement vitreux et conducteur des ions alcalins lithium ou
potassium.
5. Un générateur selon la revendication 4 dans lequel le premier électrolyte
est
partiellement vitreux et comprend des phosphates ou polyphosphates de métaux
alcalins ou
des borates ou polyborates de métaux alcalins, ou leurs mélanges.
6. Un générateur selon la revendication 5 dans lequel le premier électrolyte
comprend

-18-
majoritairement du polyphosphate de lithium de formule (LiP03)n où n > 3, et
possède une
conductivité ionique minimale de 10-10 S/cm à la température d'opération.
7. Un générateur selon la revendication 6 dans lequel (LiP03)n est soluble
dans l'eau.
8. Un générateur selon la revendication 1 dans lequel le premier électrolyte
contient
un additif de conduction électronique sous forme dispersée et est un
conducteur mixte
ionique et électronique.
9. Un générateur selon la revendication 1 dans lequel le second électrolyte
comprend:
- un polymère solvatant sec ou gélifié par un solvant aprotique polaire rendu
conducteur par l'addition d'un sel de lithium soluble ou un polyélectrolyte;
ou
- un gel comprenant un polymère peu solvatant, d'un solvant liquide aprotique
polaire et d'un sel de lithium dissous
10. Un générateur selon la revendication 9 dans lequel le polymère solvatant
comprend un électrolyte polymère contenant un additif de conduction
électronique dispersé et
est un conducteur mixte ionique et électronique.
11. Un générateur selon la revendication 1 dans lequel le matériau actif est
utilisé
comme cathode.
12. Un générateur selon la revendication 11 dans lequel le matériau actif
comprend un
oxyde de vanadium, ou un mélange d'oxydes de vanadium.
13. Un générateur selon la revendication 1 dans lequel le matériau actif est
utilisé
comme anode et comprend les oxydes, les nitrures, le carbone, les graphites ou
leurs

-19-
mélanges fonctionnant à un potentiel inférieur à 1.6 Volts par rapport à une
électrode de
lithium métallique.
14. Un générateur selon la revendication 1 dans lequel le collecteur de
courant de
l'électrode composite est recouvert d'un revêtement conducteur à base de
carbone et d'un liant
inerte adhérent.
15. Un générateur selon la revendication 1 dans lequel le générateur comprend
un
séparateur, le séparateur étant au moins un électrolyte polymère.
16. Un générateur selon la revendication 1 dans lequel l'anode comprend du
lithium,
un alliage de lithium, un composé d'insertion du carbone ou du graphite.
17. Une électrode composite comprenant un matériau actif, un collecteur de
courant,
un premier électrolyte solide minéral et un second électrolyte organique, le
premier ou le
second électrolyte comprenant un ou plusieurs additif de conduction
électronique sous forme
dispersée; le second électrolyte étant en contact avec le collecteur; dans
lequel le premier
électrolyte mouille et recouvre au moins une partie de la surface des
particules du matériau
actif de façon à en protéger la surface des réactions de passivation ou de
dégradation et à
maintenir la qualité des échanges ioniques et électroniques entre le matériau
actif et les autres
constituants du composite, le premier électrolyte étant imperméable aux
composantes du
second électrolyte.
18. Une électrode selon la revendication 17 dans laquelle le second
électrolyte
comprend un électrolyte polymère sec ou gélifié.
19. Une électrode selon la 17 dans laquelle le premier électrolyte est vitreux
ou
partiellement vitreux et conducteur des ions alcalins lithium ou potassium.

-20-
20. Une électrode selon la revendication 19 dans laquelle le premier
électrolyte est
partiellement vitreux et comprend des phosphates ou polyphosphates de métaux
alcalins ou
des borates de métaux alcalin ou leurs mélanges.
21. Une électrode selon la revendication 20 dans laquelle le premier
électrolyte
comprend majoritairement du polyphosphate de lithium de formule (LiP03)n où n
> 3, et
possède une conductivité ionique minimale de 10-10 S/cm à la température
d'opération.
22. Une électrode selon la revendication 21 dans laquelle (LiP03)n est soluble
dans
l'eau.
23. Une électrode selon la revendication 20 dans laquelle le matériau actif
comprend
un oxyde de vanadium, ou un mélanges d'oxydes de vanadium.
24. Un procédé de fabrication d'une électrode selon la revendication 17
comprenant:
a) le mélange de particules de matériau actif d'électrode dans une solution
aqueuse du premier
électrolyte minéral;
b) le séchage de la solution de l'étape a) pour obtenir une poudre de
particule de matériau 15
actif partiellement ou totalement recouverte du premier électrolyte minéral;
c) le mélange de la poudre obtenue en b) avec un second électrolyte organique;
et
d) l'enduction d'un collecteur de courant par le mélange obtenu en c).
25. Un procédé selon la revendication 24 dans lequel la solution aqueuse 20
comprend
un alcool inférieur.

-21-
26. Procédé selon la revendication 24 dans lequel le second électrolyte est
déformable.
27. Procédé selon la revendication 24 dans lequel le second électrolyte
comprend un
électrolyte polymère sec ou gélifié.
28. Procédé selon la revendication 24 dans lequel le premier électrolyte est
vitreux ou
partiellement vitreux et conducteur des ions alcalins lithium ou potassium.
29. Procédé selon la revendication 28 dans lequel le premier électrolyte est
partiellement vitreux et comprend des phosphates ou polyphosphates de métaux
alcalins ou
des borates ou polyborates de métaux alcalin ou leurs mélanges.
30. Procédé selon la revendication 24 dans lequel le premier électrolyte
comprend
majoritairement du polyphosphate de lithium de formule (LiP03)n où n >3, et
possède une
conductivité ionique minimale de 10-10 S/cm à la température d'opération.
31. Procédé selon la revendication 30 dans laquelle (LiP03)n est soluble dans
l'eau.
32. Procédé selon la revendication 24 dans lequel le matériau actif comprend
un
oxyde de vanadium, ou un mélange d'oxydes de vanadium.

Description

Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.


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TITRE
Composite traitement au LiPO3
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un générateur électrochimique au lithium
comportant au moins une électrode composite comprenant un matériau actif et un
premier
et un second électrolyte solides distribués de façon non-homogène dans le
composite. Le
premier électrolyte solide est de nature minérale, vitreux ou partiellement
vitreux, et est
un conducteur spécifique des ions lithium, et est localisé préférentiellement
en surface des
1 o particules du matériau actif de l'électrode. Le second électrolyte solide
est de nature
organique, comprend un électrolyte polymère sec ou gélifié conducteur mixte
des ions
répartis autour des phases solides dispersées et agissant comme liant
déformable du
composite en contact également avec le collecteur et l'électrolyte séparateur
du
générateur. Une mince couche du premier électrolyte mouille et recouvre au
moins une
partie de la surface des particules du matériau actif de façon à protéger la
surface
recouverte des réactions de passivation ou de dégradation induites par le
second
électrolyte et à maintenir la qualité des échanges ioniques et électroniques
entre la matière
active de l'électrode et les autres constituants du composite, le premier
électrolyte étant
imperméable aux composantes du second électrolyte.
ART ANTÉRIEUR
Les électrolytes polymères sont particulièrement désirables pour la
fabrication
d'accumulateurs au lithium utilisant des électrodes composites dans lesquelles
les
matériaux d'électrodes sont dispersés dans la matrice polymère, qui agit alors
comme

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conducteur d'ions et comme liant déformable des poudres de matière active.
Avec de tels
électrolytes, il est possible de contrôler l'élastoméricité et l'adhésion du
liant électrolyte en
contact avec les solides. Ces systèmes permettent donc d'absorber sans dommage
les
variations volumiques des matériaux d'électrode.
Les électrodes composite à base d'électrolyte polymères peuvent être de 2
types, soit de type solvatant sec fonctionnant à chaud, généralement avec des
anodes de
lithium; ou soit de type gélifiés, solvatant ou non, fonctionnant à la
température ambiante
grâce à l'addition de solvants liquides aprotiques polaires en association
avec des
1 o électrodes de type lithium-ion dont les cathodes fonctionnent à des
tensions élevées (-
4V). Cependant, quelque soit leur type, de telles électrodes composites ont
tendance à
vieillir au cyclage et/ou en fonction du temps. Ce vieillissement produit des
réactions
chimiques ou électrochimiques indésirables localisées à la surface des grains
de matière
active, à la surface des collecteurs, et dans certains cas, à la surface de
l'additif de
conduction électronique. Ce phénomène, par ailleurs générique aux générateurs
au
litlûum à électrolytes organiques, entraîne ainsi la formation de films de
passivation ou de
dégradation sur les surfaces où se produisent les échanges ioniques et
électroniques.
L'efficacité des générateurs est donc grandement diminuée.
En milieux polymères, ces phénomènes sont amplifiés parce qu'à l'état solide,
les produits formés par la réaction du solvant, du sel et du matériau
d'électrode tendent à
s'accumuler par manque de convection, et ne sont pas compensés par le pouvoir
pénétrant
des électrolytes liquides qui peuvent maintenir les échanges aux interfaces
par leur
pouvoir de pénétration à travers des films de passivation ou de dégradation.
Les

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phénomènes observés sont des décompositions électrochimiques initiées par des
radicaux,
des réactions acide-base, ou encore des réactions d'oxydation-réduction plus
ou moins
catalysées par les matériaux en présence. Les Figures la) et lb) illustrent la
localisation
possible des films de passivation sur les différentes interfaces où ont lieu
les échanges
ioniques et électroniques.
Il est donc fréquent en milieu solide organique de voir une augmentation des
résistances de transfert aux interfaces, en plus des phénomènes de limitation
de diffusion
des ions aux électrodes. Les films formés aux interfaces sont parfois
détectables en
lo microscopie électronique et peuvent atteindre quelques centaines de
nanomètres. Dans
d'autres cas, les réactions de dégradation causent des bris de la structure
cristalline en
surface des phases actives, ou entraînent la formation d'espèces solubles
nuisibles au bon
fonctionnement du générateur.
Les réactions entre des solides cristallins ou vitreux, par exemple entre un
oxyde ou chalcogénure de cathode et un électrolyte vitreux, sont en général
plus lentes, et
ces systèmes sont reconnus pour leur stabilité en fonction du temps, de la
température et
de la tension de fonctionnement. Le désavantage des électrolytes solides
minéraux
cristallins ou vitreux est cependant leur rigidité et leur fragilité, ce qui
fait qu'ils ne
résistent pas aux variations de volume des électrodes causées par le cyclage.
SOMMAIRE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un générateur électrochimique, préférablement
un générateur électrochimique au lithium, comportant une cathode et une anode
dont au

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moins l'une d'elle est une électrode composite comprenant un matériau actif,
préférablement sous forme de particules dispersées, un collecteur de courant,
et au moins
un premier et un second électrolyte solide préférablement distribués de façon
non-
homogène dans le composite, le premier et le second électrolyte comprenant
optionnellement un ou plusieurs additif de conduction électronique sous forme
dispersée.
Le premier électrolyte comprend un conducteur solide de nature minérale,
vitreux ou
partiellement vitreux, localisé préférentiellement en surface des grains du
matériau actif.
Le second électrolyte comprend un solide de nature organique, comprenant
préférentiellement un électrolyte polymère sec ou gélifié et conducteur mixte
des ions
1 o répartis autour des phases solides dispersées et agissant comme liant
déformable du
composite en contact également avec le collecteur et l'électrolyte séparateur
du
générateur. Une mince couche du premier électrolyte mouille et recouvre au
moins une
partie de la surface des particules du matériau actif de façon à protéger la
surface
recouverte des particules des réactions de passivation ou de dégradation et à
maintenir la
qualité des échanges ioniques et électroniques entre la matière active de
l'électrode et les
autres constituants du composite. De plus, le premier électrolyte est
imperméable aux
composantes du second électrolyte, ce dernier étant réparti dans au moins une
partie du
composite de façon à assurer la conductivité des ions ainsi qu'un rôle de
liant déformable,
préférablement élastomérique, entre les composantes de l'électrode composite
ainsi
qu'avec le collecteur de courant et avec le séparateur électrolyte du
générateur.
Dans un second aspect de l'invention, il est décrit une électrode composite
comprenant un matériau actif, un collecteur de courant, un premier électrolyte
solide
minéral et un second électrolyte organique, le premier et le second
électrolyte comprenant

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optionnellement un ou plusieurs additifs de conduction électronique sous forme
dispersée; le second électrolyte étant en contact avec le collecteur et
agissant comme liant
déformable du composite; dans lequel le premier électrolyte mouille et
recouvre au moins
une partie de la surface des particules du matériau actif de façon à en
protéger la surface
des réactions de passivation ou de dégradation et à maintenir la qualité des
échanges
ioniques et électroniques entre le matériau actif et les autres constituants
du composite, le
premier électrolyte étant imperméable aux composantes du second électrolyte.
Finalement, dans un troisième aspect de l'invention, il est décrit un procédé
de
1 o fabrication d'une électrode selon la présente invention, comprenant:
a) le mélange de particules de matériau actif d'électrode dans une solution
aqueuse du
premier électrolyte minéral comprenant optionnellement un additif de
conduction;
b) le séchage de la solution de l'étape a) pour obtenir une poudre de
particule de matériau
actif partiellement ou totalement recouverte du premier électrolyte minéral;
c) le mélange de la poudre obtenue en b) avec un second électrolyte organique
comprenant optionnellement un additif de conduction; et
d) l'enduction d'un collecteur de courant par le mélange obtenu en c).
Dans une mise en oeuvre préférentielle, le premier électrolyte est un
conducteur d'ions lithium. Dans une autre mise en oeuvre préférentielle, le
premier
électrolyte est vitreux ou partiellement vitreux, et est conducteurs des ions
alcalins lithium
et potassium. Dans une autre mise en oeuvre préférentielle, le premier
électrolyte
comprend majoritairement du polyphosphate de lithium de formule approximative

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(LiPO3)n dans laquelle n> 3, et possède une conductivité ionique minimale de
10"10 S/cm
à la température d'opération.
Dans une autre mise en oeuvre préférentielle, l'additif de conduction comprend
le noir de carbone, les graphites, les métaux comme l'argent et le cuivre, et
les composés
semi-métalliques comme les carbures, les borures, et les silicures sous formes
dispersées,
et leurs mélanges.
Dans une autre mise en oeuvre préférentielle, le second électrolyte comprend:
1 o - un polymère solvatant sec ou gélifié par un solvant aprotique polaire
rendu conducteur
par l'addition d'un sel de lithium soluble ou un polyélectrolyte; ou
- un gel comprenant un polymère peu solvatant, d'un solvant liquide aprotique
polaire et
d'un sel de lithium dissous.
Le polymère solvatant peut comprendre, par exemple, un électrolyte polymère
comprenant un sel de lithium et un homopolymère, un copolymère, une structure
peigne,
ou un réseau réticulé ou interpénétré d'un polyéther. De façon préférentielle,
l'électrolyte
polymère adhère aux particules du matériau actif.
Dans une autre mise en oeuvre préférentielle, le matériau actif est utilisé
comme anode et comprend les oxydes, les nitrures, le carbone, les graphites ou
leurs
mélanges fonctionnant à un potentiel inférieur à 1.6 Volts par rapport à une
électrode de
lithium métallique.

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Dans une autre mise en oeuvre préférentielle, l'anode comprend du lithium, un
alliage de lithium, un composé d'insertion du carbone ou du graphite.
DANS LES DESSINS
La Figure la illustre une électrode composite avant cyclage;
La Figure lb illustre la formation de couches de passivation sur une électrode
composite après cyclage;
La Figure 2a illustre un exemple d'électrode composite selon la présente
invention
avant cyclage;
La Figure 2b illustre la formation de couches de passivation sur une électrode
composite selon la présente invention après cyclage;
La Figure 3a illustre une électrode composite selon la présente invention
contenant des agglomérés de particules actives avant cyclage;
La Figure 3b illustre la formation de couches de passivation sur l'électrode
de la
Figure 3a après cyclage;
La Figure 4 illustre une micrographie d'une poudre LiCoO2, de (LiPO3)õ et de
noir
de carbone obtenue par pulvérisation- séchage; et
La Figure 5 illustre une micrographie d'une poudre LiV3O8, de (LiPO3)õ et de
noir
de carbone.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
La présente invention porte sur l'optimisation des performances et de la
stabilité chimique et électrochimique d'une électrode composite d'un
générateur au
lithium, l'électrode comportant un système à double électrolytes solides. Le
premier

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électrolyte est un solide minéral, préférentiellement vitreux et conducteur
des ions Li+,
utilisé en couche mince pour mouiller et recouvrir au moins une partie du
matériau actif
de l'électrode de façon à stabiliser chimiquement la surface des particules
dudit matériau
et à maintenir la qualité des échanges ioniques et électroniques avec les
autres
constituants de l'électrode composite. Le second électrolyte est un
électrolyte organique,
préférentiellement un électrolyte polymère sec ou gélifié et déformable, dans
lequel le
composite est distribué, ce second électrolyte étant utilisé comme liant des
particules du
matériau actif de l'électrode en contact avec le premier électrolyte minéral.
Un additif de
conduction électronique peut être présent dans le premier électrolyte, dans le
second
électrolyte, ou dans les deux, pour faciliter le transport des ions et des
électrons. Le
premier électrolyte minéral solide utilisé selon la présente invention est
choisi de façon à
être compatible chimiquement avec le matériau actif de l'électrode, pour
éviter que les
autres composantes du générateur et/ou du second électrolyte organique y
soient solubles.
Si tel était le cas, cela provoquerait la formation de films de passivation ou
de produits de
dégradation à la surface du matériau actif de l'électrode.
La présente invention comporte en outre des moyens de mise en oeuvre des
électrolytes solides vitreux, de l'électrode composite à double électrolytes
solides ainsi
que du générateur.
Par la combinaison à l'intérieur d'une même électrode des deux types
d'électrolytes solides, qui sont distribués dans le composite et localisés
dans des rôles
complémentaires, la présente invention permet de contourner les limitations de
l'art
antérieur. Le premier électrolyte solide est préférentiellement vitreux et
conducteur des

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ions Li+, et est utilisé à la surface du matériau actif de l'électrode, qu'il
mouille au moins
en partie et protège des composantes du second électrolyte, en l'occurrence le
polymère, le
sel de lithium ou tout autre produit en solution. Le fait que le premier
électrolyte solide
vitreux ne dissolve pas les composantes du second électrolyte organique permet
de
protéger les surfaces recouvertes, empêchant ainsi la formation de films de
passivation
qui sont nuisibles aux bons contacts électriques, et de dégradations
indésirables qui
réduisent aussi l'efficacité des contacts électriques. La couche du premier
électrolyte
vitreux appliquée sur le matériau actif est préférentiellement présente sous
forme mince et
contient, dans une mise en oeuvre préférée, un additif de conduction
électronique dispersé
1 o afin de conférer un caractère de conducteur mixte au premier électrolyte
vitreux, facilitant
ainsi les échanges ioniques et électroniques dans la zone protégée. Les
Figures 2a) et 2b)
illustrent une telle mise en oeuvre, dans laquelle on retrouve un additif de
conduction
dans le premier électrolyte vitreux et dans le second électrolyte polymère
organique. La
façon dont le traitement des particules du matériau actif de l'électrode
protège certaines
zones de contact malgré le vieillissement du composite est illustrée en b) où
les films de
passivations sont montrés.
En outre, la présente invention comprend les électrolytes vitreux compatibles
avec une large gamme de matériaux d'électrode, notamment avec des oxydes
acides tels
2o que les oxydes de vanadium V205, V6013 et LiV3Og, qui sont autrement
incompatibles
avec des composés basiques tels que les silicates et polysilicates de métaux
alcalins, parce
qu'ils réagissent de façon irréversible avec l'oxyde de vanadium. Dans la
présente
invention, les phosphates, les polyphosphates, les borates et les polyborates
de lithium ou
de potassium, ainsi que leurs mélanges, représentent des matériaux d'électrode
préférés.

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Divers additifs connus pour stabiliser la formation de verre peuvent également
être
ajoutés au premier électrolyte vitreux de l'invention dans la mesure où ils ne
sont pas
incompatibles avec les matériaux de l'électrode. De tels agents formateurs de
verre
incluent la silice partiellement ou totalement hydrolysée, les titanates, les
aluminates, les
siloxanes partiellement ou totalement hydrolysés, et leurs mélanges.
L'invention utilise d'autre part les propriétés plus conductrices des
électrolytes
polymères, gélifiés ou non, afin d'optimiser les performances en puissance de
l'électrode
composite dans la mesure où l'électrolyte polymère est distribué autour des
particules de
1 o matériau actif de l'électrode et de l'additif de conduction électronique,
le cas échéant, de
façon à lier les particules ensembles et avec le collecteur de courant de
l'électrode. Le
second électrolyte polymère du composite, qui agit comme liant, permet
également
d'assurer l'adhésion et les échanges ioniques avec le séparateur électrolyte
du générateur,
préférentiellement un film à base d'électrolyte polymère.
La présente invention utilise un procédé aqueux permettant de traiter le
matériau actif de l'électrode sous forme dispersée avec le premier électrolyte
vitreux en
solution, optionnellement en présence d'un additif de conduction, lui aussi
dispersé. La
solution est alors soit filtrée et le résidu séché, ou traitée par
pulvérisation-séchage ("spray
dried") pour former des particules individuelles partiellement ou totalement
mouillées par
le premier électrolyte vitreux, ou des particules agglomérées comportant le
matériau
d'électrode, le verre adhérent et l'additif de conduction électronique, le cas
échéant. Les
particules ont ainsi un taux de porosité plus ou moins accessible au second
électrolyte
polymère lors de l'introduction de ce dernier. Les Figures 3a) et 3b)
illustrent la

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formation d'agglomérats minéraux plus ou moins poreux et plus ou moins
pénétrés par le
second électrolyte polymère. Les particules agglomérées peuvent être
partiellement ou
totalement pénétrés par le second électrolyte, de façon à réduire la surface
du matériau
actif qui est mise en contact avec le second électrolyte.
Les procédés pour former des électrodes composites à partir d'électrolytes
polymères sont connus et peuvent être adaptés pour les besoins de la présente
invention.
On utilisera par exemple l'application de solutions de polymère, l'application
de
polymères fondus ou l'application de pré-polymères ou monomères de basses
masses
1 o moins visqueux qui seront réticulés/polymérisés après leur mise en forme
en composite.
L'usage de compositions de verres utilisant du potassium est également incluse
dans la présente invention dans la mesure où le potassium s'échange avec le
lithium et
n'interfère pas avec le fonctionnement du générateur au lithium.
Les exemples suivants sont fournis afin d'illustrer certains modes de
réalisation
préférentiels de l'invention, et ne devrait pas être interprétés comme en
limitant la portée.
Exemple 1
Une solution aqueuse de l'électrolyte solide minéral vitreux de formulation
générale (LiPO3)õ est préparée de la façon suivante. Une solution aqueuse de
(LiPO3)õ est
préparée en dissolvant 75 g d'acide polymétaphosphorique ((HPO3)õ) dans 325 g
d'eau
(cette solution peut également comprendre un alcool inférieur) et est par la
suite en partie
ou en totalité neutralisée par l'ajout d'hydroxyde de lithium monohydrate
(LiOH=H20),

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dans un rapport molaire (HPO3)õ/LiOH de 1, correspondant à l'ajout de 39.6 g
de
LiOH=H20.
Exemple 2
Une dispersion constituée de 0.25 g de LiV3O8 est agité de façon rigoureuse
avec 100 mL de la solution aqueuse de (LiPO3)õ préparée selon l'exemple 1. La
dispersion ainsi préparée montre une couleur brune typique de l'oxyde LiV3O8.
Cette
observation démontre la stabilité chimique de la solution aqueuse neutre de
l'électrolyte
solide de type (MPO3)õ où M est Li ou K, avec des matériaux d'électrode acides
représentés par LiV3O8. Une solution identique comportant un excès de base
(LiOH) a
pour conséquence de rendre la solution verdâtre. Une coloration verte est
probablement
associée à un état réduit de vanadium résultant d'une décomposition possible
de l'eau en
milieu basique. Une telle observation est également notée avec V205 lorsque
traitée au
silicate de sodium. La couleur verte résulte de l'effet basique des silicates
de métaux
alcalins et leur incompatibilité avec les oxydes à caractère acide comme V205.
Une
solution identique comportant un excès d'acide (LiPO3)õ rend la solution
orange, qui est
possiblement associée à formation de V205 suite à la formation probable d'un
acide
d'anion vanadyle en milieu acide.
2 o Exemple 3
93 g d'acide polymétaphosphorique (HPO3)n sont dissous dans 6 litres d'eau,
puis neutralisés par l'ajout de 49 g de LiOH=H20 correspondant à un rapport
molaire
(HPO3)õ /LiOH de 1. A cette solution, 491 g d'une dispersion aqueuse de noir
de carbone
(KetjenblackTM EC-600) contenant 5 % en poids de noir de carbone est mélangée
de

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façon énergique avec la solution aqueuse de polymétaphosphate de lithium, puis
1 kg de
LiCoO2 est ajouté pour compléter la dispersion aqueuse à atomiser ("spray
drying").
Cette dispersion est séchée par atomisation dans l'air sec à l'aide d'un
"spray-dryer" de
marque Buchï modèle B-190TM (Brinkmann Instruments Division). Le type
d'atomisation
utilisé est l'atomisation par buse en courant parallèle, c'est-à-dire que le
produit atomisé et
l'air de dessication s'écoulent dans la même direction. La micrographie
(Figure 4) de la
poudre obtenue montre des particules individuelles enrobées en bonne partie de
verre.
L'analyse du phosphore par spectroscopie Auger montre des particules
individuelles de
LiCoO2 recouvertes en bonne partie de verre ainsi que des goutelettes
sphériques de
1 o (LiPO3)n et de carbone résultant des conditions non optimisées du "spray
drying".
Exemple 4
208 g d'acide polymétaphosphorique (HPO31, sont dissous dans 8,4 litres d'eau,
puis neutralisés par l'ajout de 109 g de LiOH=H20 correspondant à un rapport
molaire
(HPO3)õ /LiOH de 1. A cette solution, 1.756 kg d'une dispersion aqueuse de
noir de
carbone (KetjenblackTM EC-600) contenant 5% en poids de noir de carbone est
mélangée
de façon énergique avec la solution aqueuse de polymétaphosphate de lithium,
puis 1.5 kg
de LiV3O8 est ajouté pour compléter la dispersion aqueuse à atomiser ("spray
drying").
Cette dispersion est séchée par atomisation dans l'air sec à l'aide d'un
"spray-dryer" dont la
procédure est décrite dans l'exemple 3 ci-haut. La micrographie (Figure 5) de
la poudre
obtenue montre des agglomérats de LiV3Og et d'électrolyte vitreux contenant
l'additif de
conduction électronique. La poudre à surface stabilisée chimiquement par
recouvrement
d'électrolyte vitreux contient 15 % volumique (LiPO3),,, 8% de noir de carbone
et 77%
LiV3O8.

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Exemple 5
208 g d'acide polymétaphosphorique (HPO3)õ sont dissous dans 8,4 litres d'eau
puis neutralisé par l'ajout de 109 g de LiOH=H20 correspondant à un rapport
molaire
(HPO3)õ/LiOH de 1. A cette solution, 1.756 kg d'une dispersion aqueuse de noir
de
carbone (KetjenblackTM EC-600) contenant 5 % en poids de noir de carbone est
mélangée
de façon énergique avec la solution aqueuse de polymétaphosphate de lithium,
puis 1.5 kg
de V205 est ajouté pour compléter la dispersion aqueuse à atomiser ("spray
drying").
Cette dispersion est séchée par atomisation dans l'air sec à l'aide d'un
"spray-dryer" dont la
procédure est décrite dans l'exemple 3 ci-haut. La micrographie de la poudre
obtenue
montre des agglomérats de V205 et d'électrolyte vitreux contenant l'additif de
conduction
électronique. Ce dernier résultat est similaire à celui observé à l'exemple 4.
Exemple 6
Dans cet exemple, on réalise une cathode composite en utilisant les particules
obtenues selon l'exemple 4 pour élaborer par voie solvant et épandage à l'aide
d'un gabarit
en une étape une électrode composite sur un collecteur d'aluminium recouvert
d'un
revêtement protecteur à base de carbone et d'un liant organique inerte. On
utilise cette
dernière cathode composite pour la réalisation du générateur électrochimique
selon les
étapes suivantes.
La solution d'épandage est formée d'un copolymère d'oxyde d'éthylène de
masse molaire d'environ 50 000 g/mol en solution dans l'acétonitrile à une
concentration
d'environ 15 % en poids et un sel de LiTFSI dans un rapport molaire O/Li de
30/1 par

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rapport au polymère. Les particules d'agglomérats de LiV3O8 et d'électrolyte
vitreux
contenant l'additif de conduction électronique, obtenues selon l'exemple 4,
sont dispersées
par agitation mécanique en présence de noir de carbone (KetjenblackTM EC600)
et la
suspension est enduite sur le collecteur d'aluminium recouvert d'un revêtement
protecteur
à base de carbone et d'un liant organique inerte. La cathode composite ainsi
obtenue est
séchée à 80 C durant 24 heures avant d'être assemblée avec une anode de
lithium
préalablement laminée avec un électrolyte polymère de 15 micron agissant comme
séparateur, ce dernier étant constitué d'un copolymère d'oxyde d'éthylène
contenant un sel
de lithium LiTFSI à une concentration correspondant à un rapport molaire O/Li
de 30/1
par rapport au polymère.
Lorsque cyclée à 80 C, cette pile montre une utilisation initiale
correspondant
à la capacité de la cathode prévue, ce qui confirme que toute la matière
active est bien
accessible par l'un ou l'autre des électrolytes solides de la composite. Ce
résultat confirme
1 s que ce mode de réalisation de la composite à double électrolyte solide
selon l'invention
permet l'accès des ions lithium au matériau actif de la cathode même si les
deux
électrolytes dont les conductivités ioniques sont très différentes coexistent
en contact avec
le matériau actif.
Bien que la présente invention ait été décrite à l'aide de mises en oeuvre
spécifiques, il est entendu que plusieurs variations et modifications peuvent
se greffer aux
dites mises en oeuvre, et la présente demande vise à couvrir de telles
modifications,
usages ou adaptations de la présente invention suivant, en général, les
principes de
l'invention et incluant toute variation de la présente description qui
deviendra connue ou

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conventionnelle dans le champ d'activité dans lequel se retrouve la présente
invention, et
qui peut s'appliquer aux éléments essentiels mentionnés ci-haut, en accord
avec la portée
des revendications suivantes.

Representative Drawing
A single figure which represents the drawing illustrating the invention.
Administrative Status

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Description Date
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Inactive: COVID 19 - Deadline extended 2020-06-10
Inactive: COVID 19 - Deadline extended 2020-05-28
Inactive: COVID 19 - Deadline extended 2020-05-14
Inactive: COVID 19 - Deadline extended 2020-04-28
Inactive: Expired (new Act pat) 2020-04-06
Inactive: COVID 19 - Deadline extended 2020-03-29
Common Representative Appointed 2019-10-30
Common Representative Appointed 2019-10-30
Inactive: IPC removed 2015-05-22
Inactive: IPC removed 2015-05-22
Inactive: First IPC assigned 2015-05-22
Inactive: IPC assigned 2015-05-22
Inactive: IPC assigned 2015-05-22
Inactive: IPC assigned 2015-05-22
Grant by Issuance 2009-09-08
Inactive: Cover page published 2009-09-07
Inactive: Final fee received 2009-06-12
Pre-grant 2009-06-12
Inactive: Office letter 2009-03-05
Notice of Allowance is Issued 2009-02-03
Letter Sent 2009-02-03
Notice of Allowance is Issued 2009-02-03
Inactive: Office letter 2009-01-16
Letter Sent 2009-01-16
Letter Sent 2009-01-16
Letter Sent 2009-01-16
Inactive: Office letter 2009-01-16
Inactive: Office letter 2009-01-16
Inactive: Approved for allowance (AFA) 2008-10-09
Amendment Received - Voluntary Amendment 2008-06-11
Inactive: S.30(2) Rules - Examiner requisition 2007-12-21
Letter Sent 2005-04-20
Request for Examination Received 2005-03-30
Request for Examination Requirements Determined Compliant 2005-03-30
All Requirements for Examination Determined Compliant 2005-03-30
Amendment Received - Voluntary Amendment 2005-03-30
Application Published (Open to Public Inspection) 2000-10-07
Inactive: Cover page published 2000-10-06
Letter Sent 2000-06-29
Inactive: IPC assigned 2000-05-30
Inactive: First IPC assigned 2000-05-30
Inactive: IPC assigned 2000-05-30
Inactive: Single transfer 2000-05-25
Inactive: Courtesy letter - Evidence 2000-05-16
Inactive: Filing certificate - No RFE (French) 2000-05-11
Application Received - Regular National 2000-05-10

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  • the reinstatement fee;
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Past Owners on Record
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MICHEL ARMAND
MICHEL GAUTHIER
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Description 2000-04-05 16 636
Abstract 2000-04-05 1 33
Claims 2000-04-05 6 182
Drawings 2000-04-05 5 258
Claims 2008-06-10 5 157
Representative drawing 2009-08-10 1 24
Filing Certificate (French) 2000-05-10 1 164
Courtesy - Certificate of registration (related document(s)) 2000-06-28 1 115
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Reminder - Request for Examination 2004-12-06 1 116
Acknowledgement of Request for Examination 2005-04-19 1 176
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Correspondence 2000-05-10 1 28
Correspondence 2009-01-15 1 27
Correspondence 2009-03-04 1 21
Correspondence 2009-06-11 2 76