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WO2017037179A1 - Mixed oxide surrounded by a shell and containing manganese and lithium - Google Patents

Mixed oxide surrounded by a shell and containing manganese and lithium Download PDF

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WO2017037179A1
WO2017037179A1 PCT/EP2016/070620 EP2016070620W WO2017037179A1 WO 2017037179 A1 WO2017037179 A1 WO 2017037179A1 EP 2016070620 W EP2016070620 W EP 2016070620W WO 2017037179 A1 WO2017037179 A1 WO 2017037179A1
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shell
shell particles
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mol
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Stipan Katusic
Michael Hagemann
Peter Kress
Armin Wiegand
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Evonik Degussa Gmbh
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a sheath surrounded, containing lithium and manganese mixed oxide, its preparation and use.
  • US2005 / 106463 discloses an electrode material for a lithium secondary battery containing mixed lithium / transition metal oxides and boron.
  • the electrode material has a specific surface area of 0.1 to 8 m 2 / g and a tamped density of 1.6 g to 3.0 g / cm 3 .
  • the electrode material is prepared by mixing a mixture of a lithium, nickel, manganese and cobalt compound and boric acid in the desired stoichiometric ratio with each other, from which produces a dispersion in water, the dispersion milled until a particle diameter of 30 ⁇ is reached. This is followed by spray drying.
  • the material thus obtained is thermally treated at elevated temperature.
  • the tamped density varies with the type of thermal treatment.
  • the method mentioned in US2005 / 106463 comprises many steps. It is known to produce electrode materials in a simpler way via a flame spray pyrolysis. Thus, in WO 201 1/160940 a process for the preparation of a lithium
  • Metal compound containing as metal component Ag, Al, B, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Mg, Mn, Mo, Nb, Ni, Pd, Rh, Ru, Sc, Sn, Ti , V, Y or Zn is atomized by means of a nebulizer gas to an aerosol and burned in an oxygen / hydrogen flame.
  • EP-A-3026019 discloses a powdered cathode material in the form of aggregated primary particles comprising a mixed oxide powder which has a composition corresponding to
  • Lii + x (Ni a CobMn c ) DdO 2, and H and N as a non-metal component, having a content of H 0.01 - 0, 1 wt .-% and a content of N of 0.002-0.05 wt .-% and wherein D Ag, Al, B, Ca, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, In, K, Mg, Mo, Na, Nb, Si, Sn, Ta, Ti, Ti, V, and Zr and 0 ⁇ x ⁇ 0.2; 0 ⁇ a ⁇ 1; 0 ⁇ b ⁇ 1; 0 ⁇ c ⁇ 1, 0 ⁇ d ⁇ 0.2. It is prepared by adding a solution containing a lithium compound and at least one other metal compound selected from the group consisting of Mn, Ni and Co and an ammonia-containing aerosol in one
  • all soluble doping compounds which are oxidizable can be used. These may be inorganic metal compounds or organic metal compounds.
  • a particularly preferred doping component is Al.
  • the doping compound is preferably used in an amount such that the later cathode material does not contain more than 10% by weight of doping component, more preferably 0.1 to 5% by weight.
  • Kalaignan et al. in Journal of Power Sources 196 (201 1) 3640-3645 describe the preparation of silica-clad LiMn204 cathode material via a gel route and subsequent thermal treatment. Accordingly, the crystal structure is not changed by the shell, the electrochemical properties improved.
  • Park et al. in Journal of Power Sources 126 (2004) 150-155 describe the preparation of alumina-clad LiMn2-xZr x 04 via a sol-gel route. Again, the cladding leads to improved electrochemical properties, as compared to the non-clad material.
  • the object of the present invention was to provide cathode materials which have again improved electrochemical properties compared with this prior art. Another object was to provide a method for these cathode materials.
  • the invention relates to core-shell particles (1), wherein the core comprises a mixed oxide containing lithium and manganese, characterized in that
  • the shell largely consists of silica and alumina or
  • the shell consists largely of silica or alumina and
  • the BET surface area is 10 to 30 m 2 / g, preferably 15 to 25 m 2 / g.
  • the silica is an X-ray amorphous silica. Boron should be considered as metal in the context of this invention.
  • the present invention claims two types of core shell particles.
  • the core-shell particles (1) have, for example, a higher BET surface area than the core-shell particles (2).
  • the core-shell particles (1) are the product of flame spray pyrolysis.
  • the core-shell particles (2) can be obtained by thermal aftertreatment of the core-shell particles (1).
  • Mixed oxide is the intimate mixing of all mixed oxide components to understand. It is therefore largely a mixture at the atomic level, not a physical mixture of oxides.
  • the mixed oxide particles are generally present in the form of aggregated primary particles.
  • Composition contains.
  • the presence of Lio, 78Mno, 8s02 or Lio, 96Mno, 7402 besides the main phase is called LiMri204.
  • the coating constituents contain only conventional, due to the production of these products impurities in conventional amounts.
  • Impurities from silica may be iron oxides, titania, alumina or hydrochloric acid.
  • Impurities from alumina can be iron oxides, titanium oxide,
  • Be silica or hydrochloric acid The usual amount is understood to mean that the proportion of the coating constituents silicon dioxide and aluminum oxide is at least 98% by weight, generally at least 99% by weight or 99.5% by weight.
  • the core-shell particles (1) generally have an acceptable tamped density of 300-600 g / l.
  • the BET surface area is determined according to DIN ISO 9277.
  • the tamped density is determined according to DIN EN ISO 787/1 1.
  • the shell consists essentially of silica and alumina
  • a ratio Si / Al of 0, 1-100 mol / mol has been found to be preferred and 0.2-10 mol / mol is particularly preferred.
  • the ratio M / (Li + Mn) is preferably 0.001-0.5 mol / mol, and more preferably 0.005-0.03 mol / mol.
  • Alumina and / or boria are the preferred additional metal oxides in the core.
  • the core may also contain nickel and / or cobalt.
  • Another object of the invention is a process for the preparation of the core-shell particles (1), wherein
  • metal M Al, B, Ca, Nb, Ta, Ti and V,
  • the aerosol can be prepared by co-sputtering a metal compound and a
  • Atomizing gas can be obtained by means of one or more nozzles.
  • Lithium, manganese, nickel and cobalt compound, and the metal compound can be used as such even in liquid form or in the form of a solution.
  • the nature of the metal compounds is not limited as long as they are hydrolyzable or pyrolyzable under the reaction conditions to form the metal oxides.
  • chlorides, nitrates or organometallic compounds can be used.
  • the solution contains different metal compounds of one metal or more metal compounds with different metal components. In the latter case mixed metal oxides are formed.
  • air, oxygen-enriched air and / or an inert gas such as nitrogen can be used as sputtering gas.
  • Cobalt compound as well as the metal compound in a solution.
  • the solution can be heated. Particular preference may be given to using water or a mixture of water and an organic solvent.
  • organic solvents include water or a mixture of water and an organic solvent.
  • alcohols such as methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol or tert-butanol
  • diols such as ethanediol, pentanediol, 2-methyl-2,4-pentanediol
  • C1- C12 carboxylic acids such as acetic, propionic, butanoic, hexanoic, oxalic, malonic, succinic, glutaric, adipic, octanoic, 2-ethylhexanoic, valeric, capric,
  • Lauric acid can be used. Furthermore, benzene, toluene, naphtha and / or gasoline can be used. Preferably, an aqueous solvent is used.
  • a silicon compound and / or aluminum compound each of which is hydrolyzable or pyrolyzable, is added to the reaction mixture from the first zone.
  • SiCU preferably selected from the group consisting of SiCU, CH 3 SCl 3 , (Ch 2 SiCk, (CH 2 SiCl, HSiCIs, (CH 3 ) 2 HSiCl and CH 3 C 2 H 5 SCl 2, H 4 Si, Si (OC 2 H 5 ) 4 and Si (OCH 3 ) 4 and the
  • the timing of addition of the silicon compound and / or aluminum compound is to be chosen so that the particle formation of the core constituents in the first zone is well advanced or already completed. This time depends among other things on the execution of the
  • the average residence time in the first zone and the second zone is independently 0.1 - 10 s.
  • a particular embodiment provides that ammonia is introduced into the reaction space. This can be achieved, for example, by adding ammonia to the aerosol.
  • concentration of ammonia is preferably 0.01-2 Nm 3 / mol (Li + Mn), more preferably 0.05-1.5 Nim 3 / mol (Li + Mn). The addition of ammonia seems to affect the
  • Another object of the invention are core-shell particles (2), wherein the core comprises a lithium and manganese-containing mixed oxide, and
  • the shell largely consists of silica and alumina or
  • the shell consists largely of silica or alumina and
  • the BET surface area is less than 10 m 2 / g.
  • core-shell particles (2) These particles are to be referred to in the context of the present invention as core-shell particles (2). They differ from the core-shell particles (1), inter alia, in a lower BET surface area and a higher crystallinity.
  • the further metal oxide is alumina and the tamped density of the core-shell particles (2) is 700-1500 g / l.
  • Another object of the invention is a process for the preparation of the core-shell particles (2) in which the core-shell particles (1) are thermally treated. Preferably, this is done at 800 to 1000 ° C and over a period of 1 to 10 hours.
  • the production of the core-shell particles (2) comprises the process steps for the production of the core-shell particles (1).
  • the production of the core-shell particles (2) includes a
  • metal M Al, B, Ca, Nb, Ta, Ti and V,
  • Another object of the invention is the use of the core-shell particles (2) produced by the novel process as the cathode material in lithium-ion batteries.
  • an aerosol is generated by means of a nozzle, which is atomized into a reaction space.
  • a blast gas flame burns out of hydrogen and air, in which the aerosol is brought to the reaction.
  • the mean residence time of the reaction mixture in the first zone is 0.75 s in Examples 1 and 2 and 1.75 s in Examples 3-6.
  • vapor Si (OC2Hs) 4 and / or vaporous Al (OiBu) 3 is added to the stream of the reaction mixture from the first zone, in each case together with nitrogen, and separately 2.5 kg / h of steam.
  • the average residence time of the reaction mixture in the second zone is 0.9 s in Examples 3-6.
  • the solid After cooling, the solid is separated on a filter of gaseous substances.
  • Comparative Example 1 has neither a shell nor an additional metal oxide.
  • Comparative Example 2 has a SiC shell, but no additional metal oxide in the core.
  • Inventive Example 3 has an SiC shell and Al 2 O 3 as an additional metal oxide in the core.
  • Inventive Examples 4-6 have a shell of S1O2 and Al2O3 and Al2O3 as an additional metal oxide in the core.
  • the proportion of Al2O3 in Examples 4-6 increases.
  • Table 2 shows that the shell and the additional AI2O3 in the core leads to an improvement of the electrochemical data.
  • Table 1 Starting materials and reaction conditions

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Abstract

The invention relates to a core-shell particle (1) wherein the core comprises a mixed oxide containing lithium and manganese, and a) the shell consists largely of silicon dioxide and aluminium oxide, or b) the shell consists largely of silicon dioxide or aluminium oxide and the core also contains at least one additional oxide of a metal M, where M = AI, B, Ca, Nb, Ta, Ti and V, and c) the BET surface area is 10-30 m2/g.

Description

Mit einer Hülle umgebenes Lithium und Mangan enthaltendes Mischoxid  Enveloped lithium and manganese-containing mixed oxide
Die Erfindung betrifft ein mit einer Hülle umgebenes, Lithium und Mangan enthaltendes Mischoxid, dessen Herstellung und Verwendung. The invention relates to a sheath surrounded, containing lithium and manganese mixed oxide, its preparation and use.
In US2005/106463 wird ein Elektrodenmaterial für eine Lithium-Sekundärbatterie offenbart, das Lithium/Übergangsmetall-Mischoxide und Bor enthält. Das Elektrodenmaterial weist eine spezifische Oberfläche von 0, 1 bis 8 m2/g und eine Stampfdichte von 1 ,6 g bis 3,0 g/cm3 auf. Das Elektrodenmaterial wird hergestellt, indem man ein Gemisch einer Lithium-, Nickel, Mangan- und Cobaltverbindung und Borsäure im gewünschtem stöchiometrischen Verhältnis miteinander mischt, hieraus eine Dispersion in Wasser herstellt, die Dispersion vermahlt bis ein Partikeldurchmesser von 30 μιτι erreicht ist. Anschließend erfolgt eine Sprühtrocknung. Das so erhaltene Material wird bei erhöhter Temperatur thermisch behandelt. Die Stampfdichte variiert mit der Art der thermischen Behandlung. Das in US2005/106463 genannte Verfahren umfasst viele Schritte. Es ist bekannt Elektrodenmaterialien auf einfacherem Weg über einen Flammenspraypyrolyse herzustellen. So ist in WO 201 1/160940 ein Verfahren zur Herstellung eines Lithium enthaltenden US2005 / 106463 discloses an electrode material for a lithium secondary battery containing mixed lithium / transition metal oxides and boron. The electrode material has a specific surface area of 0.1 to 8 m 2 / g and a tamped density of 1.6 g to 3.0 g / cm 3 . The electrode material is prepared by mixing a mixture of a lithium, nickel, manganese and cobalt compound and boric acid in the desired stoichiometric ratio with each other, from which produces a dispersion in water, the dispersion milled until a particle diameter of 30 μιτι is reached. This is followed by spray drying. The material thus obtained is thermally treated at elevated temperature. The tamped density varies with the type of thermal treatment. The method mentioned in US2005 / 106463 comprises many steps. It is known to produce electrode materials in a simpler way via a flame spray pyrolysis. Thus, in WO 201 1/160940 a process for the preparation of a lithium-containing
Mischoxidpulvers offenbart, bei dem man eine Lösung einer Lithiumverbindung und einer  Mixed oxide powder disclosed in which a solution of a lithium compound and a
Metallverbindung, die als Metallkomponente Ag, AI, B, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Mg, Mn, Mo, Nb, Ni, Pd, Rh, Ru, Sc, Sn, Ti, V, Y oder Zn enthält mittels eines Zerstäubergases zu einem Aerosol zerstäubt und in einer Sauerstoff-/Wasserstoffflamme verbrennt. Metal compound containing as metal component Ag, Al, B, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Mg, Mn, Mo, Nb, Ni, Pd, Rh, Ru, Sc, Sn, Ti , V, Y or Zn is atomized by means of a nebulizer gas to an aerosol and burned in an oxygen / hydrogen flame.
In EP-A-3026019 wird ein pulverförmiges Kathodenmaterial in Form aggregierter Primärpartikel umfassend ein Mischoxidpulver offenbart, welches eine Zusammensetzung entsprechend EP-A-3026019 discloses a powdered cathode material in the form of aggregated primary particles comprising a mixed oxide powder which has a composition corresponding to
Lii+x(NiaCobMnc)Dd02, sowie H und N als Nichtmetallkomponente, mit einem Anteil an H 0,01 - 0, 1 Gew.-% und einem Anteil an N von 0,002-0,05 Gew.-% aufweist und bei dem D = Ag, AI, B, Ca, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, In, K, Mg, Mo, Na, Nb, Si, Sn, Ta, Ti, TI, V, und Zr ist und 0 < x < 0,2; 0 < a < 1 ; 0 < b < 1 ; 0 < c < 1 , 0 < d < 0,2 ist. Es wird hergestellt, indem man eine Lösung enthaltend eine Lithiumverbindung und wenigstens eine weitere Metallverbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mn, Ni und Co und ein Ammoniak enthaltendes Aerosol in einer Lii + x (Ni a CobMn c ) DdO 2, and H and N as a non-metal component, having a content of H 0.01 - 0, 1 wt .-% and a content of N of 0.002-0.05 wt .-% and wherein D = Ag, Al, B, Ca, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, In, K, Mg, Mo, Na, Nb, Si, Sn, Ta, Ti, Ti, V, and Zr and 0 <x <0.2; 0 <a <1; 0 <b <1; 0 <c <1, 0 <d <0.2. It is prepared by adding a solution containing a lithium compound and at least one other metal compound selected from the group consisting of Mn, Ni and Co and an ammonia-containing aerosol in one
Hochtemperaturzone zur Reaktion bringt. Prinzipiell sind alle löslichen Dotierverbindungen einsetzbar, die oxidierbar sind. Dabei kann es sich um anorganische Metallverbindungen oder organische Metallverbindungen handeln. Eine besonders bevorzugte Dotierkomponente ist AI. Die Dotierverbindung wird bevorzugt in einer Menge eingesetzt, dass das spätere Kathodenmaterial nicht mehr als 10 Gew.-% an Dotierkomponente enthält, besonders bevorzugt 0, 1 bis 5 Gew.-%.High temperature zone brings to reaction. In principle, all soluble doping compounds which are oxidizable can be used. These may be inorganic metal compounds or organic metal compounds. A particularly preferred doping component is Al. The doping compound is preferably used in an amount such that the later cathode material does not contain more than 10% by weight of doping component, more preferably 0.1 to 5% by weight.
Kalaignan et al. beschreiben in Journal of Power Sources 196 (201 1 ) 3640-3645 die Herstellung von mit Siliciumdioxid umhülltem LiMn204-Kathodenmaterial.über eine Gelroute und nachfolgender thermischer Behandlung. Demnach wird die Kristallstruktur durch die Hülle nicht verändert, die elektrochemischen Eigenschaften verbessert. Park et al. beschreiben in Journal of Power Sources 126 (2004) 150-155 die Herstellung von mit Aluminiumoxid umhülltem LiMn2-xZrx04 über eine Sol-Gel-Route. Auch hier führt die Umhüllung zu verbesserten elektrochemischen Eigenschaften, im Vergleich zum nicht umhüllten Material. Kalaignan et al. in Journal of Power Sources 196 (201 1) 3640-3645 describe the preparation of silica-clad LiMn204 cathode material via a gel route and subsequent thermal treatment. Accordingly, the crystal structure is not changed by the shell, the electrochemical properties improved. Park et al. in Journal of Power Sources 126 (2004) 150-155 describe the preparation of alumina-clad LiMn2-xZr x 04 via a sol-gel route. Again, the cladding leads to improved electrochemical properties, as compared to the non-clad material.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es Kathodenmaterialien bereitzustellen, die gegenüber diesem Stand der Technik nochmals verbesserte elektrochemische Eigenschaften aufweisen. Eine weitere Aufgabe bestand darin, ein Verfahren für diese Kathodenmaterialien bereitzustellen. The object of the present invention was to provide cathode materials which have again improved electrochemical properties compared with this prior art. Another object was to provide a method for these cathode materials.
Gegenstand der Erfindung sind Kern-Hülle-Partikel (1 ), bei denen der Kern ein Lithium und Mangan enthaltendes Mischoxid umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass The invention relates to core-shell particles (1), wherein the core comprises a mixed oxide containing lithium and manganese, characterized in that
a) die Hülle weitestgehend aus Siliciumdioxid und Aluminiumoxid besteht oder a) the shell largely consists of silica and alumina or
b) die Hülle weitestgehend aus Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid besteht und b) the shell consists largely of silica or alumina and
der Kern zusätzlich wenigstens ein weiteres Oxid eines Metalles M mit M = AI, B, Ca, Nb, Ta, the core additionally contains at least one further oxide of a metal M with M = Al, B, Ca, Nb, Ta,
Ti und V enthält und Ti and V contains and
c) die BET-Oberfläche jeweils 10 - 30 m2/g, bevorzugt 15 - 25 m2/g, ist. c) the BET surface area is 10 to 30 m 2 / g, preferably 15 to 25 m 2 / g.
Bei dem Siliciumdioxid handelt es sich um ein röntgenamorphes Siliciumdioxid. Bor soll im Rahmen dieser Erfindung als Metall betrachtet werden.  The silica is an X-ray amorphous silica. Boron should be considered as metal in the context of this invention.
Die vorliegende Erfindung beansprucht zwei Arten von Kern Hülle-Partikeln. Die Kern-Hülle- Partikel (1 ) weisen beispielsweise eine höhere BET-Oberfläche als die Kern-Hülle-Partikel (2) auf. Die Kern-Hülle-Partikel (1 ) sind das Produkt einer Flammenspraypyrolyse. Die Kern-Hülle-Partikel (2) können durch thermische Nachbehandlung der Kern-Hülle-Partikel (1 ) erhalten werden.  The present invention claims two types of core shell particles. The core-shell particles (1) have, for example, a higher BET surface area than the core-shell particles (2). The core-shell particles (1) are the product of flame spray pyrolysis. The core-shell particles (2) can be obtained by thermal aftertreatment of the core-shell particles (1).
Unter Mischoxid ist die innige Vermischung aller Mischoxidkomponenten zu verstehen. Es handelt sich demnach weitestgehend um eine Mischung auf atomarer Ebene, nicht um eine physikalische Mischung von Oxiden. Die Mischoxidpartikel liegen in der Regel in Form von aggregierten Primärpartikeln vor. Mixed oxide is the intimate mixing of all mixed oxide components to understand. It is therefore largely a mixture at the atomic level, not a physical mixture of oxides. The mixed oxide particles are generally present in the form of aggregated primary particles.
Es ist möglich, dass der Kern unterschiedliche Mischoxide mit unterschiedlicher  It is possible that the core different mixed oxides with different
Zusammensetzung enthält. Beispielhaft sei das Vorliegen von Lio,78Mno,8s02 oder Lio,96Mno,7402 neben der Hauptphase LiMri204 genannt. Composition contains. As an example, the presence of Lio, 78Mno, 8s02 or Lio, 96Mno, 7402 besides the main phase is called LiMri204.
Unter weitestgehend ist zu verstehen, dass die Hüllbestandteile lediglich übliche, durch die Herstellung dieser Produkte bedingte Verunreinigungen in üblichen Mengen enthalten.  For the most part, it is to be understood that the coating constituents contain only conventional, due to the production of these products impurities in conventional amounts.
Verunreinigungen seitens Siliciumdioxid können Eisenoxide, Titanoxid, Aluminiumoxid oder Salzsäure sein. Verunreinigungen seitens Aluminiumoxid können Eisenoxide, Titanoxid, Impurities from silica may be iron oxides, titania, alumina or hydrochloric acid. Impurities from alumina can be iron oxides, titanium oxide,
Siliciumdioxid oder Salzsäure sein. Unter übliche Menge ist zu verstehen, dass der Anteil der Hüllbestandteile Siliciumdioxid und Aluminiumoxid jeweils mindestens 98 Gew.-%, in der Regel mindestens 99 Gew.-% oder 99,5 Gew.-% ist.  Be silica or hydrochloric acid. The usual amount is understood to mean that the proportion of the coating constituents silicon dioxide and aluminum oxide is at least 98% by weight, generally at least 99% by weight or 99.5% by weight.
Ein Elektrodenmaterial auf Basis von Lithium-Mischoxiden soll eine möglichst hohe Stampfdichte aufweisen. Hierdurch kann bei gegebener Energiekapazität das Volumen der Batterie niedrig gehalten werden. Die Kern-Hülle-Partikel (1 ) weisen in der Regel eine akzeptable Stampfdichte von 300-600 g/l auf. Die BET-Oberfläche wird bestimmt nach DIN ISO 9277. Die Stampfdichte wird bestimmt nach DIN EN ISO 787/1 1. An electrode material based on lithium mixed oxides should have the highest possible tamped density. As a result, the volume of the battery can be kept low for a given energy capacity. The core-shell particles (1) generally have an acceptable tamped density of 300-600 g / l. The BET surface area is determined according to DIN ISO 9277. The tamped density is determined according to DIN EN ISO 787/1 1.
Für den Fall, dass die Hülle im Wesentlichen aus Siliciumdioxid und Aluminiumoxid besteht hat sich ein Verhältnis Si/Al von 0, 1-100 mol/mol als bevorzugt und 0,2-10 mol/mol als besonders bevorzugt erwiesen.  In the case where the shell consists essentially of silica and alumina, a ratio Si / Al of 0, 1-100 mol / mol has been found to be preferred and 0.2-10 mol / mol is particularly preferred.
Bezüglich des Kernes gilt, dass für Kern-Hülle-Partikel (1 ) das Verhältnis M / (Li + Mn) bevorzugt 0,001-0,5 mol/mol und besonders bevorzugt 0,005-0,03 mol/mol ist. Aluminiumoxid und/oder Boroxid sind die bevorzugten zusätzlichen Metalloxide im Kern. Daneben kann der Kern auch Nickel und/oder Cobalt enthalten.  With respect to the core, for core-shell particles (1), the ratio M / (Li + Mn) is preferably 0.001-0.5 mol / mol, and more preferably 0.005-0.03 mol / mol. Alumina and / or boria are the preferred additional metal oxides in the core. In addition, the core may also contain nickel and / or cobalt.
In einer besonderen Ausführungsform weist der Kern die Zusammensetzung Lix(NiaCobMnc)Dd02 auf, wobei D = AI, B und 0 < x < 0,5; 0 < a < 1 ; 0 < b < 1 ; 0 < c < 1 ; 0 < d < 0,2 ist. In a particular embodiment, the core has the composition Lix (Ni a CobMn c ) DdO 2, where D = Al, B and 0 <x <0.5; 0 <a <1; 0 <b <1; 0 <c <1; 0 <d <0.2.
Besteht die Hülle im Wesentlichen aus Siliciumdioxid, gilt bevorzugt D = AI, x = 0,5, a = b = 0 und 0,5 < c < 2. If the shell consists essentially of silicon dioxide, it is preferable for D = Al, x = 0.5, a = b = 0 and 0.5 <c <2.
Besteht die Hülle im Wesentlichen aus Siliciumdioxid und Aluminiumoxid, gilt bevorzugt x = 0,5, a = b = d = 0 und 0,5 < c < 2, wobei jeweils Si/Al = 0,2 - 5 mol/mol ist.  If the shell essentially consists of silicon dioxide and aluminum oxide, x = 0.5, a = b = d = 0 and 0.5 <c <2, where Si / Al = 0.2 to 5 mol / mol are preferred.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der Kern-Hülle-Partikel (1 ), bei dem man  Another object of the invention is a process for the preparation of the core-shell particles (1), wherein
a) in einer ersten Zone eines Durchflussreaktors ein Gemisch enthaltend a) containing in a first zone of a flow reactor, a mixture
a1 ) ein Aerosol enthaltend eine Lithiumverbindung und Manganverbindung und  a1) an aerosol containing a lithium compound and manganese compound and
gegebenenfalls eine Nickelverbindung, eine Cobaltverbindung oder beide, und gegebenenfalls wenigstens eine Metallverbindung, mit Metall M = AI, B, Ca, Nb, Ta, Ti und V,  optionally a nickel compound, a cobalt compound or both, and optionally at least one metal compound, with metal M = Al, B, Ca, Nb, Ta, Ti and V,
a2) ein oder mehrere wasserstoffhaltige Brenngase und  a2) one or more hydrogen-containing fuel gases and
a3) ein oder mehrere Sauerstoff enthaltende Gase  a3) one or more oxygen-containing gases
in einem Reaktionsraum zündet und in der Flamme abreagieren lässt, wobei die  ignited in a reaction chamber and allowed to react in the flame, the
Gesamtmenge an Sauerstoff mindestens zur vollständigen Umsetzung des Brenngases und der Metallverbindungen ausreicht,  Total amount of oxygen sufficient for at least complete conversion of the fuel gas and the metal compounds,
b) in einer der ersten Zone nachfolgenden zweiten Zone des Durchflussreaktors zu dem b) in one of the first zone subsequent second zone of the flow reactor to the
Reaktionsgemisch aus der ersten Zone  Reaction mixture from the first zone
b1 ) eine Siliciumverbindung oder  b1) a silicon compound or
b2) eine Aluminiumverbindung oder  b2) an aluminum compound or
b3) eine Siliciumverbindung und eine Aluminiumverbindung  b3) a silicon compound and an aluminum compound
gibt,  gives,
c) nachfolgend das Reaktionsgemisch gegebenenfalls kühlt und den Feststoff von gas- oder dampfförmigen Stoffen abtrennt. c) subsequently cooling the reaction mixture, if appropriate, and separating the solid from gaseous or vaporous substances.
Das Aerosol kann durch gemeinsames Zerstäuben einer Metallverbindung und eines  The aerosol can be prepared by co-sputtering a metal compound and a
Zerstäubungsgases mittels einer oder mehrerer Düsen erhalten werden. Lithium-, Mangan-, Nickel- und Cobaltverbindung, sowie die Metallverbindung kann als solche selbst in flüssiger Form oder in Form einer Lösung eingesetzt werden. Atomizing gas can be obtained by means of one or more nozzles. Lithium, manganese, nickel and cobalt compound, and the metal compound can be used as such even in liquid form or in the form of a solution.
Prinzipiell ist die Natur der Metallverbindungen nicht weiter beschränkt, solange sie unter den Reaktionsbedingungen unter Bildung der Metalloxide hydrolysierbar oder pyrolysierbar sind. So können beispielsweise Chloride, Nitrate oder metallorganische Verbindungen eingesetzt werden. Es ist ebenso möglich, dass die Lösung unterschiedliche Metallverbindungen eines Metalles oder mehrere Metallverbindungen mit unterschiedlichen Metallkomponenten enthält. Im letzteren Fall werden Metallmischoxide gebildet.  In principle, the nature of the metal compounds is not limited as long as they are hydrolyzable or pyrolyzable under the reaction conditions to form the metal oxides. Thus, for example, chlorides, nitrates or organometallic compounds can be used. It is also possible that the solution contains different metal compounds of one metal or more metal compounds with different metal components. In the latter case mixed metal oxides are formed.
Als Zerstäubungsgas kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft und/oder ein inertes Gas wie Stickstoff eingesetzt werden.  In the method according to the invention, air, oxygen-enriched air and / or an inert gas such as nitrogen can be used as sputtering gas.
Es ist für die vorliegende Erfindung vorteilhaft, wenn die Lithium-, Mangan-, Nickel- und  It is advantageous for the present invention if the lithium, manganese, nickel and
Cobaltverbindung, sowie die Metallverbindung in einer Lösung vorliegen. Um die Löslichkeit zu Erreichen und um eine geeignete Viskosität für das Zerstäuben der Lösung zu erzielen kann die Lösung erwärmt werden. Besonders bevorzugt kann Wasser oder ein Mischung aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel eingesetzt werden. Als organische Lösungsmittel, Cobalt compound, as well as the metal compound in a solution. In order to achieve solubility and to achieve a suitable viscosity for sputtering the solution, the solution can be heated. Particular preference may be given to using water or a mixture of water and an organic solvent. As organic solvents,
beziehungsweise als Bestandteil von organischen Lösungsmittelgemischen, können bevorzugt Alkohole wie Methanol, Ethanol, n-Propanol, iso-Propanol, n-Butanol oder tert.-Butanol, Diole wie Ethandiol, Pentandiol, 2-Methyl-2,4-pentandiol, C1-C12-Carbonsäuren wie beispielsweise Essigsäure, Propionsäure, Butansäure, Hexansäure, Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Octansäure, 2-Ethyl-Hexansäure, Valeriansäure, Caprinsäure, or as a constituent of organic solvent mixtures, preference may be given to alcohols such as methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol or tert-butanol, diols such as ethanediol, pentanediol, 2-methyl-2,4-pentanediol, C1- C12 carboxylic acids such as acetic, propionic, butanoic, hexanoic, oxalic, malonic, succinic, glutaric, adipic, octanoic, 2-ethylhexanoic, valeric, capric,
Laurinsäure eingesetzt werden. Weiterhin können Benzol, Toluol, Naphtha und/oder Benzin eingesetzt werden. Bevorzugte wird ein wässeriges Lösungsmittel eingesetzt.  Lauric acid can be used. Furthermore, benzene, toluene, naphtha and / or gasoline can be used. Preferably, an aqueous solvent is used.
In der zweiten Zone des Durchflussreaktors wird dem Reaktionsgemisch aus der ersten Zone eine Siliciumverbindung und/oder Aluminiumverbindung, die jeweils hydrolysierbar oder pyrolysierbar ist, zugegeben.  In the second zone of the flow-through reactor, a silicon compound and / or aluminum compound, each of which is hydrolyzable or pyrolyzable, is added to the reaction mixture from the first zone.
Diese werden bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus SiCU, CH3S1CI3, (Ch ^SiCk, (Ch ^SiCI, HSiCIs, (CH3)2HSiCI und CH3C2H5S1CI2, H4Si, Si(OC2H5)4 und Si(OCH3)4 und die These are preferably selected from the group consisting of SiCU, CH 3 SCl 3 , (Ch 2 SiCk, (CH 2 SiCl, HSiCIs, (CH 3 ) 2 HSiCl and CH 3 C 2 H 5 SCl 2, H 4 Si, Si (OC 2 H 5 ) 4 and Si (OCH 3 ) 4 and the
Aluminiumverbindung aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumalkoholaten, wie An aluminum compound selected from the group consisting of aluminum alcoholates, such as
Aluminiumisopropylat oder Aluminium-sek.butylat, Aluminiumcarboxylaten, wie Aluminiumacetat und Aluminium-2-ethylhexanoat, und Aluminiumacetylacetonat ausgewählt. Aluminum isopropylate or aluminum sec-butylate, aluminum carboxylates such as aluminum acetate and aluminum 2-ethylhexanoate, and aluminum acetylacetonate.
Der Zeitpunkt der Zugabe der Siliciumverbindung und/oder Aluminiumverbindung ist so zu wählen, dass die Partikelbildung der Kernbestandteile in der ersten Zone weit fortgeschritten oder bereits abgeschlossen ist. Dieser Zeitpunkt ist unter anderem abhängig von der Ausführung des  The timing of addition of the silicon compound and / or aluminum compound is to be chosen so that the particle formation of the core constituents in the first zone is well advanced or already completed. This time depends among other things on the execution of the
Durchflussreaktors und der Einsatzstoffe. In der Regel ist die mittlere Verweilzeit in der ersten Zone und der zweiten Zone unabhängig voneinander 0,1 - 10 s. Flow reactor and the starting materials. In general, the average residence time in the first zone and the second zone is independently 0.1 - 10 s.
Eine besondere Ausführungsform sieht vor, dass man Ammoniak in den Reaktionsraum einbringt. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem man dem Aerosol Ammoniak hinzufügt. Die Konzentration von Ammoniak beträgt bevorzugt 0,01-2 Nm3/mol (Li + Mn), besonders bevorzugt 0,05-1 ,5 Nim3/ mol (Li + Mn). Die Zugabe von Ammoniak scheint einen Einfluss auf die A particular embodiment provides that ammonia is introduced into the reaction space. This can be achieved, for example, by adding ammonia to the aerosol. The concentration of ammonia is preferably 0.01-2 Nm 3 / mol (Li + Mn), more preferably 0.05-1.5 Nim 3 / mol (Li + Mn). The addition of ammonia seems to affect the
Homogenität und Kristallinität des Materiales zu haben. Homogeneity and crystallinity of the material to have.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Kern-Hülle-Partikel (2), bei denen der Kern ein Lithium und Mangan enthaltendes Mischoxid umfasst, und  Another object of the invention are core-shell particles (2), wherein the core comprises a lithium and manganese-containing mixed oxide, and
a) die Hülle weitestgehend aus Siliciumdioxid und Aluminiumoxid besteht oder a) the shell largely consists of silica and alumina or
b) die Hülle weitestgehend aus Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid besteht und b) the shell consists largely of silica or alumina and
der Kern zusätzlich wenigstens ein weiteres Oxid eines Metalles M mit M = AI, B, Ca, Nb, Ta, Ti und V enthält und  the core additionally contains at least one further oxide of a metal M with M = Al, B, Ca, Nb, Ta, Ti and V and
c) die BET-Oberfläche weniger als 10 m2/g beträgt. c) the BET surface area is less than 10 m 2 / g.
Diese Partikel sollen im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Kern-Hülle-Partikel (2) bezeichnet werden. Sie unterscheiden sich von den Kern-Hülle-Partikeln (1 ) unter anderem in einer niedrigeren BET-Oberfläche und einer höheren Kristallinität. These particles are to be referred to in the context of the present invention as core-shell particles (2). They differ from the core-shell particles (1), inter alia, in a lower BET surface area and a higher crystallinity.
Bei einer besonderen Ausführungsform ist das weitere Metalloxid Aluminiumoxid ist und die Stampfdichte der Kern-Hülle-Partikel (2) beträgt 700 - 1500 g/l.  In a particular embodiment, the further metal oxide is alumina and the tamped density of the core-shell particles (2) is 700-1500 g / l.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der Kern-Hülle-Partikel (2) bei dem man die Kern-Hülle-Partikel (1 ) thermisch behandelt. Vorzugsweise erfolgt dies bei 800 bis 1000°C und über einen Zeitraum von 1 bis 10 Stunden. Another object of the invention is a process for the preparation of the core-shell particles (2) in which the core-shell particles (1) are thermally treated. Preferably, this is done at 800 to 1000 ° C and over a period of 1 to 10 hours.
Somit umfasst die Herstellung der Kern-Hülle-Partikel (2) die Verfahrensschritte zur Herstellung der Kern-Hülle-Partikel (1 ). Insgesamt umfasst die Herstellung der Kern-Hülle-Partikel (2) ein  Thus, the production of the core-shell particles (2) comprises the process steps for the production of the core-shell particles (1). Overall, the production of the core-shell particles (2) includes a
Verfahren bei dem man Method in which one
a) in einer ersten Zone eines Durchflussreaktors ein Gemisch enthaltend a) containing in a first zone of a flow reactor, a mixture
a1 ) ein Aerosol enthaltend eine Lithiumverbindung und Manganverbindung und  a1) an aerosol containing a lithium compound and manganese compound and
gegebenenfalls eine Nickelverbindung, eine Cobaltverbindung oder beide, und gegebenenfalls wenigstens eine Metallverbindung, mit Metall M = AI, B, Ca, Nb, Ta, Ti und V,  optionally a nickel compound, a cobalt compound or both, and optionally at least one metal compound, with metal M = Al, B, Ca, Nb, Ta, Ti and V,
a2) ein oder mehrere wasserstoffhaltige Brenngase und  a2) one or more hydrogen-containing fuel gases and
a3) ein oder mehrere Sauerstoff enthaltende Gase  a3) one or more oxygen-containing gases
in einem Reaktionsraum zündet und in der Flamme abreagieren lässt, wobei die  ignited in a reaction chamber and allowed to react in the flame, the
Gesamtmenge an Sauerstoff mindestens zur vollständigen Umsetzung des Brenngases und der Metallverbindungen ausreicht,  Total amount of oxygen sufficient for at least complete conversion of the fuel gas and the metal compounds,
in einer der ersten Zone nachfolgenden zweiten Zone des Durchflussreaktors zu dem  in one of the first zone subsequent second zone of the flow reactor to the
Reaktionsgemisch aus der ersten Zone  Reaction mixture from the first zone
b1 ) eine Siliciumverbindung oder  b1) a silicon compound or
b2) eine Aluminiumverbindung oder  b2) an aluminum compound or
b3) eine Siliciumverbindung und eine Aluminiumverbindung  b3) a silicon compound and an aluminum compound
gibt,  gives,
c) nachfolgend das Reaktionsgemisch gegebenenfalls kühlt und den Feststoff von gas- oder dampfförmigen Stoffen abtrennt und d) den Feststoff thermisch behandelt, bevorzugt bei 800-1000°C über einen Zeitraum von 1-10 Stunden. c) subsequently, if appropriate, cooling the reaction mixture and separating off the solid from gaseous or vaporous substances, and d) thermally treating the solid, preferably at 800-1000 ° C over a period of 1-10 hours.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kern-Hülle-Partikel (2) als Kathodenmaterial in Lithiumionenbatterien. Beispiele  Another object of the invention is the use of the core-shell particles (2) produced by the novel process as the cathode material in lithium-ion batteries. Examples
Für die Beispiele 1 bis 6 wird zunächst eine Lösung der Metallverbindung in Wasser hergestellt, die den Kern der Kern-Hülle-Partikel bildet. Die Metallverbindungen und die Zusammensetzung der Lösung ist in Tabelle 1 wiedergegeben.  For Examples 1 to 6, first a solution of the metal compound in water is prepared, which forms the core of the core-shell particles. The metal compounds and the composition of the solution are shown in Table 1.
Aus der Lösung, Zerstäuberluft und gegebenenfalls Ammoniak, wird mittels einer Düse ein Aerosol erzeugt, welches in einen Reaktionsraum zerstäubt wird. Hier brennt eine Knallgasflamme aus Wasserstoff und Luft, in der das Aerosol zur Reaktion gebracht wird. Die mittlere Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der ersten Zone beträgt 0,75 s in den Beispielen 1 und 2 und 1 ,75 s in den Beispielen 3 -6.  From the solution, atomizing air and possibly ammonia, an aerosol is generated by means of a nozzle, which is atomized into a reaction space. Here a blast gas flame burns out of hydrogen and air, in which the aerosol is brought to the reaction. The mean residence time of the reaction mixture in the first zone is 0.75 s in Examples 1 and 2 and 1.75 s in Examples 3-6.
In der zweiten Zone gibt man in den Strom des Reaktionsgemisches aus der ersten Zone dampfförmiges Si(OC2Hs)4 und/oder dampfförmiges AI(OiBu)3, jeweils zusammen mit Stickstoff, sowie separat 2,5 kg/h Wasserdampf. Die mittlere Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der zweiten Zone beträgt in den Beispielen 3-6 0,9 s.  In the second zone, vapor Si (OC2Hs) 4 and / or vaporous Al (OiBu) 3 is added to the stream of the reaction mixture from the first zone, in each case together with nitrogen, and separately 2.5 kg / h of steam. The average residence time of the reaction mixture in the second zone is 0.9 s in Examples 3-6.
Nach Abkühlung wird der Feststoff an einem Filter von gasförmigen Stoffen abgetrennt.  After cooling, the solid is separated on a filter of gaseous substances.
Der Feststoff wird über einen Zeitraum von 4 Stunden auf eine Temperatur von 875°C erhitzt. Tabelle 1 nennt die Einsatzstoffe und Reaktionsbedingungen, Tabelle 2 nennt wichtige  The solid is heated to a temperature of 875 ° C over a period of 4 hours. Table 1 lists the starting materials and reaction conditions, Table 2 lists important
Stoffeig enschaften . Material properties.
Vergleichsbeispiel 1 weist weder eine Hülle noch ein zusätzliches Metalloxid auf.  Comparative Example 1 has neither a shell nor an additional metal oxide.
Vergleichsbeispiel 2 weist eine SiC -Hülle, jedoch keine zusätzliches Metalloxid im Kern auf. Das erfindungsgemäße Beispiel 3 weist eine SiC -Hülle und AI2O3 als zusätzliches Metalloxid im Kern auf. Comparative Example 2 has a SiC shell, but no additional metal oxide in the core. Inventive Example 3 has an SiC shell and Al 2 O 3 as an additional metal oxide in the core.
Die erfindungsgemäßen Beispiele 4-6 weisen eine Hülle aus S1O2 und AI2O3 und AI2O3 als zusätzliches Metalloxid im Kern auf. Dabei steigt der Anteil an AI2O3 in den Beispielen 4-6.  Inventive Examples 4-6 have a shell of S1O2 and Al2O3 and Al2O3 as an additional metal oxide in the core. The proportion of Al2O3 in Examples 4-6 increases.
Tabelle 2 zeigt, dass die Hülle und das zusätzliche AI2O3 im Kern zu einer Verbesserung der elektrochemischen Daten führt. Tabelle 1 : Einsatzstoffe und Reaktionsbedingungen Table 2 shows that the shell and the additional AI2O3 in the core leads to an improvement of the electrochemical data. Table 1: Starting materials and reaction conditions
Figure imgf000008_0001
Figure imgf000008_0001
Temperung2) Annealing 2)
Ofentemperatur °C 875  Oven temperature ° C 875
Temperzeit h 4  Annealing time h 4
1 ) 02-angereichtere Luft: 02-Gehalt = 28,9 Vol-%; 2) Drehrohrofen, mit Luft durchströmt 1) 0 2- enriched air: 0 2 content = 28.9% by volume; 2) Rotary kiln, through which air flows
Tabelle 2: Physikalisch-chemische Eigenschaften der Pulver Table 2: Physico-chemical properties of the powders
Figure imgf000008_0002
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1 ) FSP = Flammenspraypyrolyse; 2) 2,5-4,8V;  1) FSP = flame spray pyrolysis; 2) 2.5-4.8V;

Claims

Patentansprüche claims
1. Kern-Hülle-Partikel (1 ) bei denen der Kern ein Lithium und Mangan enthaltendes Mischoxid umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass  1. core-shell particles (1) in which the core comprises a lithium and manganese-containing mixed oxide, characterized in that
a) die Hülle weitestgehend aus Siliciumdioxid und Aluminiumoxid besteht oder  a) the shell largely consists of silica and alumina or
b) die Hülle weitestgehend aus Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid besteht und  b) the shell consists largely of silica or alumina and
der Kern zusätzlich wenigstens ein weiteres Oxid eines Metalles M mit M = AI, B, Ca, Nb, Ta, Ti und V enthält und  the core additionally contains at least one further oxide of a metal M with M = Al, B, Ca, Nb, Ta, Ti and V and
c) die BET-Oberfläche 10-30 m2/g ist. c) the BET surface area is 10-30 m 2 / g.
2. Kern-Hülle-Partikel (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass  2. core-shell particles (1) according to claim 1, characterized in that
die Hülle ein Verhältnis Si/Al = 0, 1-100 mol/mol aufweist.  the shell has a ratio Si / Al = 0, 1-100 mol / mol.
3. Kern-Hülle-Partikel (1 )nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass  3. core-shell particles (1) according to claims 1 or 2, characterized in that
das Verhältnis M / (Li + Mn) 0,001-0,5 mol/mol ist.  the ratio M / (Li + Mn) is 0.001-0.5 mol / mol.
4. Kern-Hülle-Partikel (1 ) nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass  4. core-shell particles (1) according to claims 1 to 3, characterized in that
der Kern Aluminiumoxid und/oder Boroxid enthält.  the core contains alumina and / or boron oxide.
5. Kern-Hülle-Partikel (1 )nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 5. core-shell particles (1) according to claims 1 to 4, characterized in that
der Kern Nickel und/oder Cobalt enthält.  the core contains nickel and / or cobalt.
6. Kern-Hülle-Partikel (1 )nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass  6. core-shell particles (1) according to claims 1 to 5, characterized in that
der Kern die Zusammensetzung Lix(NiaCobMnc)Dd02 besitzt, wobei the core has the composition Li x (Ni a CobMn c ) DdO 2, where
D = AI, B und 0,5 < x < 1 ,5; 0 < a < 1 ; 0 < b < 1 ; 0 < c < 2; 0 < d < 0,2 ist.  D = Al, B and 0.5 <x <1, 5; 0 <a <1; 0 <b <1; 0 <c <2; 0 <d <0.2.
7. Kern-Hülle-Partikel (1 )nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass 7. core-shell particles (1) according to claim 6, characterized in that
D = AI, x = 0,5, a = b = 0 und 0,5 < c < 2 ist und die Hülle im wesentlichen aus Siliciumdioxid besteht.  D = Al, x = 0.5, a = b = 0 and 0.5 <c <2 and the shell consists essentially of silica.
8. Kern-Hülle-Partikel (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass  8. core-shell particles (1) according to claim 6, characterized in that
für den Kern x = 0,5, a = b = d = 0 und 0,5 < c < 2; gilt und die Hülle im wesentlichen aus Siliciumdioxid und Aluminiumoxid besteht, wobei Si/Al = 0,2 - 5 mol/mol ist.  for the kernel x = 0.5, a = b = d = 0 and 0.5 <c <2; and the shell consists essentially of silica and alumina, where Si / Al = 0.2-5 mol / mol.
9. Kern-Hülle-Partikel (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass  9. core-shell particles (1) according to claim 6, characterized in that
für den Kern D = AI, a = b = x = 0 und 0,5 < c < 2 gilt und die Hülle im wesentlichen aus Siliciumdioxid und Aluminiumoxid besteht, wobei Si/Al = 0,2 - 5 mol/mol ist.  for the core D = Al, a = b = x = 0 and 0.5 <c <2 and the shell consists essentially of silica and alumina, where Si / Al = 0.2 to 5 mol / mol.
10. Verfahren zur Herstellung der Kern-Hülle-Partikel (1 ) gemäß der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man  10. A process for the preparation of the core-shell particles (1) according to claims 1 to 9, characterized in that one
a) in einer ersten Zone eines Durchflussreaktors ein Gemisch enthaltend  a) containing in a first zone of a flow reactor, a mixture
a1 ) ein Aerosol enthaltend eine Lithiumverbindung und Manganverbindung und  a1) an aerosol containing a lithium compound and manganese compound and
gegebenenfalls eine Nickelverbindung, eine Cobaltverbindung oder beide, und gegebenenfalls wenigstens eine Metallverbindung, mit Metall M = AI, B, Ca, Nb, Ta, optionally a nickel compound, a cobalt compound or both, and optionally at least one metal compound, with metal M = Al, B, Ca, Nb, Ta,
Ti und V, Ti and V,
a2) ein oder mehrere wasserstoffhaltige Brenngase und  a2) one or more hydrogen-containing fuel gases and
a3) ein oder mehrere Sauerstoff enthaltende Gase in einem Reaktionsraum zündet und in der Flamme abreagieren lässt, wobei die Gesamtmenge an Sauerstoff mindestens zur vollständigen Umsetzung des Brenngases und der Metallverbindungen ausreicht, a3) one or more oxygen-containing gases ignited in a reaction space and allowed to react in the flame, wherein the total amount of oxygen is sufficient at least for complete conversion of the fuel gas and the metal compounds,
b) in einer der ersten Zone nachfolgenden zweiten Zone des Durchflussreaktors zu dem Reaktionsgemisch aus der ersten Zone  b) in one of the first zone subsequent second zone of the flow reactor to the reaction mixture from the first zone
b1 ) eine Siliciumverbindung oder  b1) a silicon compound or
b2) eine Aluminiumverbindung oder  b2) an aluminum compound or
b3) eine Siliciumverbindung und eine Aluminiumverbindung  b3) a silicon compound and an aluminum compound
gibt,  gives,
c) nachfolgend das Reaktionsgemisch gegebenenfalls kühlt und den Feststoff von gas- oder dampfförmigen Stoffen abtrennt.  c) subsequently cooling the reaction mixture, if appropriate, and separating the solid from gaseous or vaporous substances.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass  1 1. A method according to claim 10, characterized in that
die Metallverbindung aus der Gruppe bestehend aus Nitraten, Chloriden, Bromiden, Alkoxiden und Carboxylaten ausgewählt wird.  the metal compound is selected from the group consisting of nitrates, chlorides, bromides, alkoxides and carboxylates.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass 12. The method according to claims 10 or 1 1, characterized in that
die in der zweiten Zone eingesetzte Siliciumverbindung aus der Gruppe bestehend aus SiCU, CHsSiCIs, (CH3)2SiCl2, (CH3)3SiCI, HSiCIs, (CH3)2HSiCI und CH3C2H5S1CI2, H4Si, Si(OC2H5)4 und Si(OCH3)4 und die Aluminiumverbindung aus der Gruppe bestehend aus Aluminium- alkoholaten, Aluminiumcarboxylaten und Aluminiumacetylacetonat ausgewählt werden. the silicon compound used in the second zone and consisting of SiCU, CHsSiCIs, (CH 3 ) 2 SiCl 2 , (CH 3 ) 3 SiCl, HSiCIs, (CH 3 ) 2 HSiCl and CH 3 C 2 H 5 SCl 2 , H 4 Si, Si (OC 2 H 5 ) 4 and Si (OCH3) 4 and the aluminum compound are selected from the group consisting of aluminum alkoxides, aluminum carboxylates and aluminum acetylacetonate.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass 13. The method according to claims 10 to 12, characterized in that
in Zone 1 und Zone 2 die mittlere Verweilzeit 0,1 - 10 s ist.  in Zone 1 and Zone 2 the mean residence time is 0.1 - 10 s.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass  14. The method according to claims 10 to 13, characterized in that
man Ammoniak in den Reaktionsraum einbringt.  ammonia is introduced into the reaction space.
15. Kern-Hülle-Partikel (2), bei denen der Kern ein Lithium und Mangan enthaltendes Mischoxid umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass  15. core-shell particles (2), wherein the core comprises a mixed oxide containing lithium and manganese, characterized in that
a) die Hülle weitestgehend aus Siliciumdioxid und Aluminiumoxid besteht oder  a) the shell largely consists of silica and alumina or
b) die Hülle weitestgehend aus Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid besteht und  b) the shell consists largely of silica or alumina and
der Kern zusätzlich wenigstens ein weiteres Oxid eines Metalles M mit M = AI, B, Ca, Nb, Ta, Ti und V enthält und  the core additionally contains at least one further oxide of a metal M with M = Al, B, Ca, Nb, Ta, Ti and V and
c) die BET-Oberfläche weniger als 10 m2/g beträgt. c) the BET surface area is less than 10 m 2 / g.
16. Kern-Hülle-Partikel (2) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass  16. core-shell particles (2) according to claim 15, characterized in that
das weitere Metalloxid Aluminiumoxid ist und die Stampfdichte von 700 - 1500 g/l beträgt. the further metal oxide is alumina and the tamped density is from 700 to 1500 g / l.
17. Verfahren zur Herstellung der Kern-Hülle-Partikel (2) nach den Ansprüchen 15 oder 16, 17. A process for the preparation of the core-shell particles (2) according to claims 15 or 16,
dadurch gekennzeichnet, dass man  characterized in that one
die Kern-Hülle-Partikel gemäß der Ansprüche 1 bis 9 thermisch behandelt.  the core-shell particles according to claims 1 to 9 thermally treated.
18. Verwendung der Kern-Hülle-Partikel (2) gemäß Anspruch 15 oder 16 als Kathodenmaterial in Lithiumionenbatterien.  18. Use of the core-shell particles (2) according to claim 15 or 16 as cathode material in lithium-ion batteries.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111193019A (en) * 2020-01-13 2020-05-22 惠州亿纬锂能股份有限公司 Lithium supplement additive, preparation method thereof and lithium ion battery

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2399867A1 (en) * 2010-06-25 2011-12-28 Evonik Degussa GmbH Method for producing mixed oxides containing lithium
US20120040247A1 (en) * 2010-07-16 2012-02-16 Colorado State University Research Foundation LAYERED COMPOSITE MATERIALS HAVING THE COMPOSITION: (1-x-y)LiNiO2(xLi2Mn03)(yLiCoO2), AND SURFACE COATINGS THEREFOR
WO2014142803A1 (en) * 2013-03-12 2014-09-18 Sachem, Inc. Oxide shell formation on inorganic substrates via lithium polyoxoanion salt deposition

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7241532B2 (en) 2002-03-28 2007-07-10 Mitsubishi Chemical Corporation Positive-electrode material for lithium secondary battery, secondary battery employing the same, and process for producing positive-electrode material for lithium secondary battery
EP3026019A1 (en) 2014-11-25 2016-06-01 Evonik Degussa GmbH Method for the preparation of a cathode material and special cathode material

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2399867A1 (en) * 2010-06-25 2011-12-28 Evonik Degussa GmbH Method for producing mixed oxides containing lithium
US20120040247A1 (en) * 2010-07-16 2012-02-16 Colorado State University Research Foundation LAYERED COMPOSITE MATERIALS HAVING THE COMPOSITION: (1-x-y)LiNiO2(xLi2Mn03)(yLiCoO2), AND SURFACE COATINGS THEREFOR
WO2014142803A1 (en) * 2013-03-12 2014-09-18 Sachem, Inc. Oxide shell formation on inorganic substrates via lithium polyoxoanion salt deposition

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J.-S. KIM ET AL: "The Electrochemical Stability of Spinel Electrodes Coated with ZrO[sub 2], Al[sub 2]O[sub 3], and SiO[sub 2] from Colloidal Suspensions", JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY, vol. 151, no. 10, 1 January 2004 (2004-01-01), US, pages A1755, XP055310521, ISSN: 0013-4651, DOI: 10.1149/1.1793713 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111193019A (en) * 2020-01-13 2020-05-22 惠州亿纬锂能股份有限公司 Lithium supplement additive, preparation method thereof and lithium ion battery

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