WO2015149173A1 - Polymères et leur utilisation comme agents lubrifiants dans la production de films de métaux alcalins - Google Patents

Polymères et leur utilisation comme agents lubrifiants dans la production de films de métaux alcalins Download PDF

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Michel Armand
Patrick Bouchard
Serge VERREAULT
Julie HAMEL-PÂQUET
Gabriel Girard
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Definitions

  • the technology relates to the field of polymers and their use as lubricating rolling agents (between rolls) and compositions comprising them.
  • the technology also relates to alkali metal films comprising the lubricating agent and / or the composition on one or both surfaces.
  • the technology is also related to processes for producing alkali metal thin films, or alloys thereof, including the use of lubricating agents and compositions, and to the films so produced, which are suitable for use in electrochemical cells.
  • An approach normally used for rolling or calendering of hard metals, such as iron and nickel, is based on the use of liquid rolling additives such as organic solvents and may contain greases or lubricants.
  • liquid rolling additives such as organic solvents and may contain greases or lubricants.
  • examples include fatty acids or their derivatives such as lauric or stearic acids, and alcohols, for example EPAL 1012 TM from Ethyl Corporation USA, a mixture of C 10 -C 12 linear primary alcohols.
  • EPAL 1012 TM from Ethyl Corporation USA
  • the use of such additives involves major disadvantages resulting from the reactivity of the lithium and / or the non-conductive nature of these additives.
  • the chemical reactivity of the surface of lithium in contact with solvents or lubricants including reactive organic functions will create an electrically insulating passivation layer on the surface of the metal, limiting and the proper functioning of electrochemical cells, especially in rechargeable batteries.
  • solvents or lubricants including reactive organic functions eg, organic acids and alcohols
  • the removal of lubricants or greases remaining in contact with the lithium after rolling is very difficult.
  • These lubricating agents are electrical insulators and are not soluble in the electrolyte. When these are left on the films produced, they interfere with the proper functioning of the lithium electrodes that are formed. Washing these agents on the surface of the lithium film generally leads to surface contamination, i.e., lower quality lithium films.
  • lubricating agents for the more reliable preparation of lithium thin films have been described in U.S. Patent Nos. 5,837,401 and 6,019,801.
  • the lubricating agents used in these two patents include polymers including solvating polymeric chains.
  • the preferred agents described therein are based on fatty acid diesters, such as polyoxyethylene distearates of the formula: CH 3 (CH 2) 16C (O) O (CH 2 CH 2 O) n C (O) (CH 2 ) 16CH 3, where n varies between 3 and 100, the polymers having polyoxyethylene segments of molecular weight equal to 200, 400 and 600 being preferred.
  • the methods described therein allow the production of, for example, 300 meter long lithium films with a thickness of 25 m ⁇ 2 m at a speed of about 20 m / min. It is generally described that these methods can reach a production speed of up to 50 m / min.
  • a lubricant defined as a polymer of Formula I:
  • n is a positive integer and denotes the number of repeating units A in the polymer; n is zero or a positive integer and denotes the number of repeating units B in the polymer, the repeating unit B being absent when n is zero; wherein m and n are selected such that the molecular weight of the polymer of Formula I is in the range of 1000 to 10 6 ;
  • R 1 is, independently at each occurrence, selected from linear or branched monovalent hydrocarbon radicals
  • R 2 is, independently at each occurrence, selected from -CH 2 CH 2 0- and -CH 2 CH 2 CH 2 O-, where R 2 is N-linked by a carbon atom, or R 2 is absent and N is covalently bound to R 4 ;
  • R 3 is, independently at each occurrence, selected from linear or branched monovalent hydrocarbon radicals;
  • R 4 is, independently at each occurrence, a polyether residue of formula - [CH (R 5 ) CH 2 0] s CH 3 , where 5 ⁇ s ⁇ 100;
  • R 5 is, independently at each occurrence, H or CH 3 .
  • m and n are selected so that the molecular weight of the lubricating agent of Formula I is in the range of 2000 to 250,000, or 2,000 to 50,000, or 50,000 to 200,000.
  • the ratio of repeating units A: B in molar percentage in the polymer is in the range of 100: 0 to 10:90.
  • R 1 is, independently at each occurrence, a linear or branched hydrocarbon radical of formula C r H 2r + 1 , where 4 ⁇ r ⁇ 24, or in which 8 ⁇ r ⁇ 18 and all the others groups are as defined above.
  • R 3 is, independently at each occurrence, a linear or branched hydrocarbon radical of formula C t H 2t + 1, where 4 ⁇ t ⁇ 24, or in which 8 ⁇ t ⁇ 18, and all others groups are as defined above.
  • s is selected from integers ranging from 8 to 50, and all other groups are as previously defined.
  • R 2 is, at each occurrence, a divalent radical of formula -CH 2 CH 2 O-, or R 2 is, at each occurrence, a divalent radical of formula -CH 2 CH 2 CH 2 0 - or R 2 is absent, and all other groups are as defined above.
  • R 4 is a polyether residue of formula - [CH (R 5 ) CH 2 0] s CH 3 , in which R 5 is CH 3 at each occurrence, and all the other groups are as defined previously .
  • R 5 is a hydrogen atom at each occurrence, and all other groups are as previously defined.
  • R 5 is, independently at each occurrence, CH 3 or hydrogen, such that R 4 is a polyether residue comprising repeating units of propylene oxide (PO) and ethylene oxide (EO), for example in a PO: EO molar ratio of between about 20: 1 and about 1: 30, or between about 10: 1 and about 1: 10.
  • the polyether residue R 4 has a molecular weight ranging from about 300 g / mole to about 5000 g / mole, or from about 500 g mole at about 2500 g / mole.
  • the lubricating agent is chosen from Polymers 1 to 5 as defined in Table 1.
  • the present application describes a composition
  • a composition comprising a lubricant as defined herein, together with an alkali metal inert solvent.
  • the solvent is selected from hydrocarbon solvents, aromatic solvents, and combinations thereof, i.e., solvent systems comprising an aromatic solvent and a hydrocarbon solvent.
  • the hydrocarbon solvent may be selected from hexane and heptane and the aromatic solvent may be toluene.
  • the composition comprises the lubricating agent at a concentration of about 0.001% to about 10% (w / v), or about 0.01% to about 5% (w / v), of the total volume of the composition.
  • the present application also discloses an alkali metal film having a first and a second surface, and comprising on at least one of the first and second surfaces a thin layer of the lubricant or composition.
  • the alkali metal film has a thickness in the range of about 5 m to about 50 m.
  • the alkali metal is chosen from lithium, lithium alloys, sodium, and sodium alloys, or lithium having a purity of at least 99% by weight, or a lithium alloy comprising less than 3000 ppm of impurities by weight.
  • the alkali metal film as defined herein comprises a passivation layer on at least one of its first and second surfaces, possibly on both surfaces.
  • the Passivation layer may be 500 A thick or less, 100 A or less, or 50 A or less.
  • the alkali metal is lithium or a lithium alloy and the passivation layer comprises Li 2 O, Li 2 CO 3 , LiOH, or a combination of at least two thereof.
  • the present application describes a process for the production of an alkali metal film and the alkali metal film thus produced, the process comprising the steps of: a) applying a composition comprising a lubricating agent as defined herein on at least one of the first and second surfaces of an alkali metal strip to provide a lubricated alkali metal strip; and b) rolling the lubricated alkali metal strip obtained in step (a) between at least two rolls to produce an alkali metal film.
  • steps (a) and (b) are performed in a substantially dry air atmosphere, for example, in an anhydrous or controlled humidity chamber with a dew point between -45 and -55 ⁇ , for 0.7 to 2.2% relative humidity, preferably a dew point of about -50 ⁇ and a relative humidity of about 1.3%.
  • the method further comprises a step of obtaining the alkali metal strip, for example by extrusion of an ingot or an alkali metal rod.
  • step (a) is carried out by applying the composition to the strip at the inlet of the rollers and may also be carried out by prior coating of the rolling rolls with or without additional addition of composition directly on the strip before step (b).
  • the alkali metal films as defined herein may be used, inter alia, for producing electrodes and electrochemical cells comprising them in combination with an electrolyte and a counter electrode, preferably both in the form of films.
  • the electrolyte may be a non-liquid electrolyte aqueous composition comprising a compatible organic solvent, a liquid electrolyte consisting of a molten salt, a gel polymer electrolyte or a solid polymer electrolyte.
  • the counterelectrode comprises an active electrode material as defined herein or as generally used in the field. DETAILED DESCRIPTION
  • polyether alkylsuccinimide copolymers of Formula I are useful as lubricants used in the rolling of alkali metal films. These agents are polyether alkylsuccinimide copolymers of Formula I:
  • n and n respectively denote the number of repeating units A and B in the polymer, where m is a positive integer and n is a positive integer or zero when the repeating unit B is absent, and m and n are selected that the molecular weight of the polymer of Formula I is in the range of 1000 to 10 6 , from 2000 to 250 000, from 2000 to 100 000, from 2000 to 50 000, or from 50 000 to 200 000 inclusive ;
  • R 1 is, independently at each occurrence, chosen from linear or branched monovalent hydrocarbon radicals, preferably from linear or branched monovalent hydrocarbon radicals of formula C r H 2 r + 1, where 4 ⁇ r ⁇ 24, preferably where 8 ⁇ r ⁇ 18;
  • R 2 is, independently at each occurrence, selected from -CH 2 CH 2 0- and -CH 2 CH 2 CH 2 O-, where R 2 is N-linked by a carbon atom, or R 2 is absent and N is bound to R 4 covalently;
  • R 3 is, independently at each occurrence, chosen from linear or branched monovalent hydrocarbon radicals, preferably from linear or branched monovalent hydrocarbon radicals of formula CtH 2t + 1, where 4 ⁇ t ⁇ 24, preferably where 8 ⁇ t ⁇ 18 ;
  • R 4 is, independently at each occurrence, a polyether residue of formula - [CH (R 5 ) CH 2 0] s CH 3 , where 5 ⁇ s ⁇ 100, preferably where 8 ⁇ s ⁇ 50; and R 5 is, independently at each occurrence, a hydrogen atom or a CH 3 group.
  • the ratio of repeating units A: B in molar percentage in the lubricating agent is between 100: 0 and 10:90, preferably between 100: 0 and 20:80 inclusive. According to another embodiment, the ratio of repeating units A: B in molar percentage in the lubricating agent is between 60:40 and 10:90.
  • R 4 is a polyether residue of formula - [CH (R 5 ) CH 2 0] s CH 3 , wherein 5 ⁇ s ⁇ 100, and R 5 is CH 3 at each occurrence, preferably where
  • R 4 is a polyether residue of formula - [CH (R 5 ) CH 2 0] s CH 3 , wherein 5 ⁇ s ⁇ 100, and R 5 is an atom hydrogen at each occurrence, preferably where 8 ⁇ s ⁇ 50.
  • R 4 is a polyether residue of formula - [CH (R 5 ) CH 2 0] s CH 3 in which 5 ⁇ s ⁇ And R 5 is independently at each occurrence CH 3 or hydrogen, preferably where 8 ⁇ s ⁇ 50, R 4 is thus a polyether chain having repeating units of propylene oxide (PO) and ethylene oxide (EO) (also referred to herein as a polyether chain PO / EO).
  • PO propylene oxide
  • EO ethylene oxide
  • R 4 is a PO / EO polyether chain covalently linked to N (the nitrogen atom of a succinimide group).
  • these PO / EO polyether chains include, but are not limited to, polyethers having a PO / EO molar ratio ranging from about 20: 1 to about 1: 30, or from about 10: 1 to about 1:10, of preferably having a molecular weight ranging from about 300 to about 5000, preferably about 500 to about 2500.
  • R 4 also include the polyether PA / EO chains polyether amines, the amine group being part of the succinimide of the unit a, such as monoamines Jeffamine ® series "M", for example the M-600, M-1000, M-2005 and M-2070 (Huntsman Corporation, Texas, USA), having a respective molar content PO: EO of 9: 1, 3: 19, 29: 6 and 10:31.
  • the repeat unit B content in the polymer of Formula I is adjusted to obtain a solvent-soluble polymer or a non-polar solvent system, for example, such a solvent or solvent system comprises solvents. hydrocarbon (e.g., hexane, heptane), aromatic (e.g., toluene), or mixtures thereof.
  • hydrocarbon e.g., hexane, heptane
  • aromatic e.g., toluene
  • Non-limiting examples of lubricating agent polymers of Formula I are as detailed in Table 1.
  • the lubricating agents of Formula I may be prepared by: (a) obtaining an alkylene R 1 CHCH 2 alternating copolymer (a) and maleic anhydride, R 1 being as defined above. This copolymer is then reacted with an amine of formula R 4 -R 2 -NH 2 , optionally at the same time, before or after with an amine of formula R 3 -NH 2 , in which R 2 , R 3 and R are such than previously defined. Examples of methods for producing lubricating agents are hereinafter further illustrated in Synthesis Examples 1 to 4.
  • compositions described herein comprise at least one lubricating agent of Formula I. These compositions may also include additional components such as inert alkali metal solvents.
  • solvents include, without limitation, hydrocarbon solvents (e.g., hexane, heptane, etc.), aromatic solvents (e.g., toluene, etc.), or mixtures thereof. //. Alkaline metal films
  • the alkali metal films consist of, for example, lithium or a lithium alloy, sodium or a sodium alloy, preferably lithium or an alloy in which lithium is the major component, preferably lithium having a purity of at least 99% by weight, or a lithium alloy comprising less than 3000 ppm impurities by weight.
  • the alkali metal film as produced herein comprises on one of its two surfaces or on these two surfaces, a thin layer of a lubricant of Formula I or a composition comprising it.
  • a lubricant of Formula I for example, lithium films comprising at least one lubricating agent or a composition of the invention on a surface (s) can generally have a lower impedance when compared to lithium films produced with the use of other lubricating additives.
  • Other improved properties of these films may also include a more stable and uniform passivation layer, and improved cycling properties.
  • the passivation layer on the lithium film comprises lithium carbonate, lithium oxide and / or lithium hydroxide . ///.
  • the alkali metal films as described herein are produced by rolling or calendering between rolls using the lubricating agents of Formula I and the compositions comprising them.
  • Processes for preparing lithium films by metal rolling are illustrated, for example, in US Patent Nos. 5,837,401 and 6,019,801 (both issued to Gauthier et al.).
  • the methods described in Gauthier et al. can be made using the lubricating agents and compositions as described herein (for example, see Section I above).
  • a lithium strip of about 250 ⁇ thick is used in the rolling process to produce a lithium film.
  • Lithium strips can be obtained, for example, by extrusion of commercially available lithium ingots or rods.
  • a lithium strip previously mounted on an unwinder, is passed between two work rolls.
  • a lubricant is added (for example, using a spout on the strip and / or by pre-coating the work rolls) at the point of insertion of the lithium strip between the two rollers, ie say just before the rolling step.
  • the lithium film emerging from the work rolls can be wound on a reel for later use.
  • the lubricant acts, at least in part, to prevent the adhesion of the lithium film to itself.
  • the lubricated lithium film produced is used directly for other rolling steps (for example, by continuous or series rolling) with a solid polymer electrolyte layer, a protective layer, and / or or a current collector (for example, in a current collector / lithium film / electrolyte configuration or a current collector / lithium film / protective layer / electrolyte configuration).
  • a solid polymer electrolyte layer for example, a solid polymer electrolyte layer, a protective layer, and / or or a current collector (for example, in a current collector / lithium film / electrolyte configuration or a current collector / lithium film / protective layer / electrolyte configuration).
  • the series-fed reels or rolling mills provide sufficient tension to the lithium film to reduce the adhesion of the lithium film to the work rolls but without excessive tension to prevent tearing of the lithium film.
  • the roll rolling step can produce an alkali metal film at a rate in the range of about 10 m / min to about 50 m / min of alkali metal film.
  • the working rolls must be composed and / or covered with a material inert to the alkali metal (such as lithium metal) in the presence of the lubricating agent and / or the composition of the invention.
  • the rolls may be composed of hard polymers such as plastics, metal rolls covered with plastic, stainless steel rolls, etc.
  • the process of the invention can be carried out under an anhydrous atmosphere, preferably in a substantially dry air atmosphere, for example, in an anhydrous or controlled humidity chamber, for example having a dew point between -45 and -55 ⁇ , for from 0.7 to 2.2% relative humidity, preferably a dew point of about -50 ⁇ to 1.3% relative humidity.
  • the electrochemical cells comprise at least one electrode having a film of alkaline material, such as lithium, as the electrode active material, a counter electrode and an electrolyte between the electrode and the counter electrode.
  • the electrochemical cells comprising a plurality of arrangements (e.g., a plurality of electrode / electrolyte / counterelectrode or counter electrode / electrolyte / electrode / electrolyte / counterelectrode arrangements).
  • the cell may be a multilayer material that can be folded or rolled into a cylinder.
  • Electrochemical cells in which the lithium films described herein could also be used also include lithium-air electrochemical cells such as those described in the PCT application published under the number WO2012 / 071668 (Zaghib et al.).
  • the Formula I polymer or composition thereof may be present at the surface between the lithium film and its adjacent layer (e.g., current collector, electrolyte, etc.), or may be in part or completely diffuse, dispersed or dissolved in the electrolyte.
  • the lubricating agent (or its composition) is present between the electrode and the electrolyte and is ion-conductive, for example by dissolving the lithium salts present in the electrolyte.
  • the electrochemical cell comprising a lithium film as described herein, is sealed or included inside a sealed compartment. at.
  • An electrode comprises at least one alkali metal film as described in Section II or as prepared by the method of Section III.
  • the alkali metal film of the electrode is a bright lithium film or an alloy in which lithium is the major component, preferably lithium having a purity of at least 99% by weight, or a lithium alloy. lithium comprising less than 3000 ppm impurities by weight.
  • the electrode further comprises a current collector made of a metal layer such as, for example, a layer of nickel or copper adhering to the surface of the opposite alkali metal film of the surface. facing or facing the electrolyte layer.
  • a current collector made of a metal layer such as, for example, a layer of nickel or copper adhering to the surface of the opposite alkali metal film of the surface. facing or facing the electrolyte layer.
  • an ion-conductive protective layer may be present between the alkali metal film (e.g., Li, Na, or an alloy of either) and the electrolyte, for example, to protect the lithium film from degradation and / or prevent the formation of dendrites.
  • An ionically conductive protective layer comprising, for example, an ion-conducting polymer, a ceramic (eg, lithium and phosphorus oxynitride (LIPON), etc.), glass, or a combination of two or more of these can be applied to the surface of the lithium film or the electrolyte layer (for example, a solid polymer electrolyte) before assembly.
  • the vitreous or ceramic protective layers are applied by standard methods such as sputtering, or laser or plasma ablation. Examples of protective layers are described in the PCT application published under the number WO2008 / 009107 (Zaghib et al.).
  • the electrolytes used in these electrochemical cells include any electrolyte compatible with the use of bright lithium film electrodes or other alkali metal.
  • Examples of such electrolytes include, without limitation, non-aqueous liquid electrolytes, gel polymer electrolytes, and solid polymer electrolytes.
  • the following electrolytes are illustrative examples and should not be construed as limiting.
  • compatible liquid electrolytes include organic liquid electrolytes comprising an aprotic polar solvent such as ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC) ), methyl carbonate and ethyl (EMC), ⁇ -butyrolactone ( ⁇ -BL), vinyl carbonate (VC), and mixtures thereof, and lithium salts such as LiTFSI, LiPF 6 , etc.
  • aprotic polar solvent such as ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC) ), methyl carbonate and ethyl (EMC), ⁇ -butyrolactone ( ⁇ -BL), vinyl carbonate (VC), and mixtures thereof
  • lithium salts such as LiTFSI, LiPF 6 , etc.
  • Other examples of compatible liquid electrolytes include molten salt electrolytes comprising lithium salts such as lithium chloride, lithium bromide, lithium fluoride
  • liquid electrolytes of molten salts can be found in US2002 / 01 10739 (McEwen et al).
  • the liquid electrolyte may impregnate a separator such as a polymer separator (for example, polypropylene, polyethylene, or a copolymer thereof).
  • Compatible gel polymer electrolytes may comprise, for example, polymer precursors and lithium salts (such as LiTFSI, LiPF 6 , etc.), an aprotic polar solvent as defined above, a polymerization / crosslinking initiator when required.
  • examples of such gel electrolytes include, without limitation, the gel electrolytes described in PCT applications published as WO2009 / 11861 (Zaghib et al.) And WO2004 / 068610 (Zaghib et al.).
  • a gel electrolyte may also impregnate a separator as defined above.
  • Solid polymer electrolytes can generally comprise one or more crosslinked or non-crosslinked polar solid polymers and salts, for example, lithium salts such as LiTFSI, LiPF 6 , LiDCTA, LiBETI, LiFSI, LiBF 4 , LiBOB, etc.
  • Polyether type polymers such as poly (ethylene oxide) based (PEO) based polymers can be used, but several other lithium compatible polymers are also known for the production of EPS. Examples of such polymers include star-shaped or comb multi-branched polymers such as those described in PCT Publication No. WO2003 / 063287 (Zaghib et al.). vs. against electrode:
  • the counterelectrodes comprise at least one electrochemically active material (MEA) compatible with the use of alkali metal electrodes, and particularly lithium metal electrodes.
  • MEA electrochemically active material
  • Any counter-electrode MEA known from the field can be used in these electrochemical cells.
  • the counter-electrode MEA can operate at a voltage within the range of about 1V to about 5V. Examples of counter-electrode MEAs are found, for example, in Whittingham M.S. (2004), Chem. Rev., 104, 4271 - 4301, hereby incorporated by reference in its entirety and for all purposes.
  • non-limiting examples of MEA counterelectrodes include lithium titanates (eg Li 4 Ti 5 O 12 ), sulfur or materials comprising sulfur, lithium phosphates and of metal (eg LiM'P0 4 where M 'is Fe, Ni, Mn, Co, or combinations thereof), vanadium oxides (eg LiV 3 0 8 , V 2 0 5 , etc.), and oxides of lithium and metal, such as LiMn 2 0 4 , LiM "O 2 (M” being Mn, Co, Ni or combinations thereof), Li (NiM "') O 2 (M” being Mn, Co, Al, Fe, Cr, Ti, Zr, etc., or combinations thereof).
  • the MEA of the counter electrode when the electrode comprises a sodium film is known to those skilled in the art.
  • these include sulfur or a material comprising sulfur, sodium phosphates, and one or more metals (eg, Na 2 FePO 4 F, Na 2 FeP 2 O 7 F, NaVPO 4 F, Na 2 x Cr x P0 4 F, where x ⁇ 1, for example 0 ⁇ x ⁇ 0.1) or sulphates of sodium and a metal (eg Na 2 Fe 2 (S0 4 ) 3)
  • the counter-electrode MEA can also be oxygen in a lithium-air or sodium-air cell depending on the alkali metal of the electrode.
  • the counterelectrode may also include an electronically conductive material such as a carbon source, including, for example, Ketjen ® carbon, Shawinigan carbon, graphite, carbon fiber, gas phase carbon fiber (VGCF) , non-powdery carbon obtained by carbonization of an organic precursor, and a combination of two or more thereof.
  • a carbon source including, for example, Ketjen ® carbon, Shawinigan carbon, graphite, carbon fiber, gas phase carbon fiber (VGCF) , non-powdery carbon obtained by carbonization of an organic precursor, and a combination of two or more thereof.
  • the carbon used can be of natural or synthetic origin.
  • the counter-electrode may be a composite counter-electrode which further comprises a polymeric binder, and optionally an alkali metal salt such as lithium salts (eg LiTFSI, LiDCTA, LiBETI, LiFSI, LiPF 6 , LiBF 4 , LiBOB, etc.) or sodium salts (eg NaClO 4 , NaPF 6 , etc.).
  • an alkali metal salt such as lithium salts (eg LiTFSI, LiDCTA, LiBETI, LiFSI, LiPF 6 , LiBF 4 , LiBOB, etc.) or sodium salts (eg NaClO 4 , NaPF 6 , etc.).
  • PEO (200) distearate PEO-200 distearate as described in US Patent No. 6,019,801.
  • EPS Solid Polymer Electrolyte
  • Polymer 1 is a polymer of Formula I having a molecular weight of about 5000, in which unit B is absent, R 1 is C 6 H 33 , R 2 is absent, and R 4 is covalently bonded to N and represents the residue of Jeffamine ® M-1000, a polyetheramine having a ratio PO / EO of 3/19.
  • Polymer 2 is a polymer of Formula I having a molecular weight of about 5000, in which unit B is absent, R 1 is C 6 H 33 , R 2 is absent, and R 4 is covalently bonded to N and represents the residue of Jeffamine ® M-2070, a polyetheramine having a ratio PO / EO of 10/31.
  • a lubricant was prepared by the addition of 1% by weight of PEO (200) distearate to a mixture of toluene and hexane (80:20 (vol: vol), both anhydrous). A 27 m thick lithium film was then immersed in this lubricant for 5 minutes. at. Symmetrical cell:
  • a 4 cm 2 cell was assembled in the laboratory according to the Li / EPS / Li configuration.
  • the initial impedance of the Li / EPS / Li cell at 80 ° C was 15 ohms. After six weeks, the impedance reached 1 1 1 ohms, showing a 640% increase in impedance.
  • a 4 cm 2 cell was assembled in the laboratory according to the C- LiFePO 4 / EPS / Li configuration. The cell was then discharged at a rate of C / 4 and charged at a rate of C / 4 at a voltage of 2.5 V to 3.8 V at 80 °. The initial capacity of the cell was 158 mAh / g. After 350 cycles, the capacity reached 80% of the initial capacity.
  • Example 2
  • the lubricant was prepared by the addition of 1% by weight of Polymer 1 to a mixture of toluene and hexane (80:20 (vol: vol), both anhydrous). A 27 m thick lithium film was then immersed in this lubricant for about 5 minutes. at. Symmetrical cell:
  • a 4 cm 2 cell was assembled in the laboratory according to the Li / EPS / Li configuration.
  • the initial impedance of Li / EPS / Li configuration cell at 80 ° C was 22 ohms. After six weeks, the impedance reached 48 ohms, showing a 120% increase in impedance.
  • a 4 cm 2 cell was assembled in the laboratory according to the C-LiFePO 4 / EPS / Li configuration as in Example 1 (b). The cell was then discharged at a rate of C / 4 and charged at a rate of C / 4 at a voltage of 2.5 V to 3.8 V at 80 °. The initial capacity of the cell was 160 mAh / g. After 1,100 cycles, the capacity reached 80% of the initial capacity. vs. conclusions:
  • Example 3 The increase of the impedance is lower in this cell than in that of Example 1, where a lubricant based on PEO (200) distearate was used.
  • a Polymer 1 based lubricant results in a stable and more uniform passivation layer on the surface of the lithium.
  • the cell incorporating the lithium film comprising a thin layer of Polymer 1 achieved improved cycle life when compared to the cell described in Example 1.
  • the lubricant was prepared by the addition of 1% by weight of Polymer 2 to a mixture of toluene and hexane (80:20 (vol: vol), both anhydrous). A 27 m thick lithium film was then immersed in this lubricant for about 5 minutes. at. Symmetrical cell:
  • a 4 cm 2 cell was assembled in the laboratory according to the Li / EPS / Li configuration.
  • the initial impedance of Li / EPS / Li configuration cell at 80 ° C was 23 ohms. After six weeks, the impedance reached 45 ohms, showing a 96% increase in impedance.
  • a 4 cm 2 cell was assembled in the laboratory according to the C-LiFePO 4 / EPS / Li configuration as in Example 1 (b). The cell was then discharged at a rate of C / 4 and charged at a rate of C / 4 at a voltage of 2.5 V to 3.8 V at 80 °. The initial capacity of the cell was 161 mAh / g. After 1,300 cycles, the capacity reached 80% of the initial capacity (a decrease of 20%). vs. conclusions:
  • Example 1 (b) where the PEO (200) distearate lubricant was used.
  • the use of the Polymer 2 lubricant also results in a very stable and more uniform passivation layer on the surface of the lithium. This cell also achieved improved cycle life when compared to the cell described in Example 1 (b).
  • Synthesis Example 1 36.26 g of a poly (octadecene-a / f-maleic anhydride) of Business (M w s 65,000) are dissolved in 250ml of toluene under stirring at room temperature. Octadecylamine (18 g) in 100 ml of toluene is added dropwise to the stirred solution over a period of 2 hours. Then, 40 g of Jeffamine ® Type M-1000 (XTJ-506) with a ratio PO / EO 3: 19 diluted in 50 ml of toluene are added quickly and always with stirring.
  • a poly (octadecene-a / f-maleic anhydride) of Business M w s 65,000
  • the resulting ternary solution is then placed in a 500 ml flask equipped with a Dean-Stark apparatus and a condenser. The solution is refluxed for 8 hours, during which time the water released during the formation of imide appears gradually in the burette of the Dean-Stark apparatus.
  • the resulting viscous polymer solution is then filtered and evaporated in a rotary evaporator.
  • the sticky substance obtained is redissolved in 625 ml of heptane and washed 5 times with a volume of 100 ml of an aqueous solution of sulfuric acid (H 2 S0) at 0.1 M to remove excess Jeffamine ®. Extraction of Jeffamine ® is then followed by rinsing with 5 portions of demineralized water.
  • the drying of the heptane solution is carried out by adding 40 g of molecular sieve 4 previously treated under vacuum at 200 °.
  • the 10% (weight / volume) solution of Polymer 3 in the heptane thus obtained is ready for dilution and / or subsequent use in the rolling of an alkali metal such as lithium.
  • Synthesis Example 2 36.26 g of a commercial poly (octadecene- ⁇ / ⁇ -maleic anhydride) polymer (M w s 65,000) and 11 g of triethylamine are dissolved in 250 mL of toluene with stirring at room temperature. . Octadecylamine (21.5 g) in 100 ml of toluene is added dropwise to the stirred solution over a period of 2 hours. Then, 45 g of Jeffamine M-2070 type ® with a PO / EO ratio of 10:31 dissolved in 100 ml of toluene are added quickly and always with stirring.
  • the resulting quaternary solution is then placed in a 500 ml flask equipped with a Dean-Stark apparatus and a condenser. The solution is refluxed for 8 hours, during which time the water released during the formation of Shy appears gradually in the burette of the device Dean-Stark.
  • the resulting viscous polymer solution is then filtered and evaporated.
  • the waxy substance obtained is redissolved in 900 ml of heptane and washed 5 times with a volume of 200 ml of a 0.1 M aqueous sulfuric acid solution (H 2 SO 4 ) in order to eliminate the excess of Jeffamine ® and triethylamine.
  • the extraction is then followed by rinsing with 5 portions of demineralized water.
  • the drying of the heptane solution is carried out by adding 40 g of molecular sieve 4 previously treated under vacuum at 200 °.
  • the 10% (w / v) solution of Polymer 4 in the heptane thus obtained is ready for dilution and / or subsequent use in the rolling of an alkali metal such as lithium.
  • the slightly brown colored solution is washed with 0.1 M sulfuric acid solution three times, then with pure water again three times.
  • the supernatant solution is separated and the toluene is evaporated.
  • a viscous liquid having a molecular weight of about 5000 (Polymer 2) is obtained which can be used in a rolling process.

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Abstract

La technologie décrite concerne des polymères utilisés comme agents lubrifiants de laminage, des compositions les comprenant, et des films de métaux alcalins comprenant les polymères ou compositions sur leur surface(s). L'utilisation de ces polymères et compositions est aussi décrite pour le laminage de feuillards de métaux alcalins ou d'alliages de ceux-ci pour l'obtention de films minces. Des procédés de fabrication de ces films minces, lesquels conviennent à l'utilisation dans des cellules électrochimiques, sont aussi décrits. La technologie décrite propose un lubrifiant amélioré selon la formule I lequel, par exemple, atteint une conductivité accrue et/ou permet d'obtenir des cellules électrochimiques avec une durée de vie, en cycles, améliorée.

Description

POLYMÈRES ET LEUR UTILISATION COMME AGENTS LUBRIFIANTS DANS LA PRODUCTION DE FILMS DE MÉTAUX ALCALINS
DEMANDE PRIORITAIRE
La présente demande revendique la priorité, sous la loi applicable, de la demande provisoire américaine no 61/973,493, laquelle est incorporée ici par référence dans son intégralité et à toutes fins.
DOMAINE TECHNIQUE La technologie se rapporte au domaine des polymères et à leur utilisation comme agents lubrifiants de laminage (entre des rouleaux) et aux compositions les comprenant. La technologie se rapporte aussi aux films de métaux alcalins comprenant l'agent lubrifiant et/ou la composition sur une ou ses deux surface(s). La technologie est aussi reliée aux procédés de production de films minces de métaux alcalins, ou de leurs alliages, comprenant l'utilisation des agents lubrifiants et des compositions, et aux films ainsi produits, qui sont adaptés pour utilisation dans des cellules électrochimiques.
CONTEXTE
La production de films minces de lithium sous forme de larges bandes, et en longueurs de plusieurs dizaines de mètres, au moyen de procédés rapides et fiables, fait face à d'importantes difficultés techniques attribuables aux propriétés physiques et chimiques extrêmes de ce métal : réactivité chimique, malléabilité, auto-soudage rapide par simple contact et forte adhésion sur la plupart des matériaux solides, y compris les métaux usuels. Les méthodes de laminage précédentes telles que décrites dans le brevet américain No 3,721 ,1 13, utilisent des rouleaux de plastique dur ou de métal recouvert de plastique, mais des passages successifs du film entre les rouleaux étaient nécessaires afin d'obtenir un film d'environ 30 à 40 m. Des procédés basés sur le revêtement de lithium fondu sur un support métallique ou plastique, ont aussi été décrits dans le brevet américain No 4,824,746.
Les difficultés rencontrées lors de la réalisation du laminage de films minces de lithium, par exemple, ayant une épaisseur pouvant aller de 5 à 40 microns, sont principalement dues à la réactivité et à l'adhésion du métal laminé aux matériaux avec lesquels il est en contact (e.g. les rouleaux de laminage, les films plastiques de protection, les additifs de laminage), ainsi qu'aux mauvaises propriétés mécaniques des feuillards minces. Par exemple, un film de lithium de 20 m d'épaisseur et de 10 cm de largeur se brise sous une tension d'étirement de 579.13 kPa ou plus, ce qui ne permet pas de tirer sur le film à la sortie des rouleaux ou de décoller celui-ci des rouleaux de laminage si le film de lithium y adhère un tant soit peu.
Une approche normalement utilisée pour le laminage ou le calandrage de métaux durs, tels que le fer et le nickel, est basée sur l'emploi d'additifs de laminage liquides tels que des solvants organiques et pouvant contenir des graisses ou des agents lubrifiants. Des exemples incluent les acides gras ou leurs dérivés comme les acides laurique ou stéarique, et les alcools, par exemple EPAL 1012™ d'Ethyl Corporation U.S.A., un mélange d'alcools primaires linéaires en Ci0-Ci2. Pour le lithium et particulièrement pour le lithium destiné à l'utilisation dans des cellules électrochimiques, l'emploi de tels additifs implique des inconvénients majeurs résultant de la réactivité du lithium et/ou de la nature non-conductrice de ces additifs.
Selon un exemple, la réactivité chimique de la surface du lithium en contact avec des solvants ou agents lubrifiants comprenant des fonctions organiques réactives (par exemple, des acides organiques et des alcools) créera une couche de passivation isolante électroniquement à la surface du métal, limitant ainsi le bon fonctionnement des cellules électrochimiques, en particulier dans des piles rechargeables. Dans un deuxième exemple, le retrait des agents lubrifiants ou graisses restés en contact avec le lithium après laminage est très difficile. Ces agents lubrifiants sont des isolants électriques et ne sont pas solubles dans l'électrolyte. Lorsque ceux-ci sont laissés sur les films produits, ils nuisent ainsi au bon fonctionnement des électrodes de lithium qui en sont constituées. Le lavage de ces agents sur la surface du film de lithium conduit généralement à une contamination de la surface, c'est-à-dire à des films de lithium de moindre qualité.
Les méthodes de laminage employant des agents lubrifiants pour la préparation de façon plus fiable de films minces de lithium ont été décrits dans les brevets américains nos 5,837,401 et 6,019,801 . Les agents lubrifiants utilisés dans ces deux brevets comprennent des polymères incluant des chaînes polymériques solvatantes. Les agents préférés qui y sont décrits sont basés sur des diesters d'acides gras, tels que les distéarates de polyoxyéthylène de formule : CH3(CH2)i6C(0)0(CH2CH20)nC(0)(CH2)i6CH3, où n varie entre 3 et 100, les polymères ayant des segments polyoxyéthylène de masse moléculaire égale à 200, 400 et 600 étant préférés. Les méthodes décrites dans ceux-ci permettent la production, par exemple, de films de lithium de 300 mètres de long avec une épaisseur de 25 m ± 2 m à une vitesse d'environ 20 m/min. Il est généralement décrit que ces méthodes peuvent atteindre une vitesse de production allant jusqu'à 50 m/min.
Tandis que cette méthode était une amélioration par rapport à la technologie disponible à l'époque, il existe toujours un besoin pour le développement de nouveaux agents lubrifiants améliorés, par exemple, atteignant une conductivité accrue et/ou permettant d'obtenir des cellules électrochimiques avec une durée de vie, en cycles, améliorée.
Des polymères modifiés à base de films de poly(octadécène-a/f-anhydride maléique) sur des plaques de verre ont été décrits dans Schmidt et al, 2003, J. Appt. Polym. Se, 87, 1255-1266. Ce document, en fait, réfère à l'incorporation d'amines fonctionnalisées dans le polymère et l'utilisation des plaques de verre obtenues dans des études d'immobilisation covalente de protéines, une utilisation très différente de celle d'agents lubrifiants dans le laminage de métaux alcalin.
DESCRIPTION SOMMAIRE Selon un premier aspect, la présente demande décrit un agent lubrifiant défini comme un polymère de Formule I:
Figure imgf000006_0001
Formule I dans lequel,
m est un nombre entier positif et désigne le nombre d'unités répétitive A dans le polymère; n est zéro ou un nombre entier positif et désigne le nombre d'unités répétitive B dans le polymère, l'unité répétitive B étant absente lorsque n est zéro; où m et n sont choisis tel que la masse moléculaire du polymère de Formule I située dans l'intervalle de 1000 à 106;
R1 est, indépendamment à chaque occurrence, choisi parmi les radicaux hydrocarbonés monovalents linéaires ou ramifiés;
R2 est, indépendamment à chaque occurrence, choisi parmi -CH2CH20- et -CH2CH2CH20-, où R2 est lié à N par un atome de carbone, ou R2 est absent et N est lié de façon covalente à R4; R3 est, indépendamment à chaque occurrence, choisi parmi les radicaux hydrocarbonés monovalents linéaires ou ramifiés;
R4 est, indépendamment à chaque occurrence, un résidu polyéther de formule -[CH(R5)CH20]sCH3, où 5 < s < 100 ; et
R5 est, indépendamment à chaque occurrence, H ou CH3.
Selon un mode de réalisation, m et n sont choisis de sorte que la masse moléculaire de l'agent lubrifiant de Formule I se situe dans l'intervalle de 2000 à 250 000, ou de 2000 à 50 000, ou encore de 50 000 à 200 000. Selon un autre mode de réalisation, le ratio des unités répétitives A:B en pourcentage molaire dans le polymère se situe dans l'intervalle de 100:0 à 10:90.
Selon un autre mode de réalisation, R1 est, indépendamment à chaque occurrence, un radical hydrocarboné linéaire ou ramifié de formule CrH2r+1 , où 4 < r < 24, ou dans lequel 8 < r < 18 et tous les autres groupes sont tels que définis précédemment. Dans un autre mode de réalisation, R3 est, indépendamment à chaque occurrence, un radical hydrocarboné linéaire ou ramifié de formule CtH2t+i , où 4 < t < 24, ou dans lequel 8 < t < 18, et tous les autres groupes sont tels que définis précédemment. Dans un autre mode de réalisation, s est choisi parmi les nombres entiers allant de 8 à 50, et tous les autres groupes sont tels que définis précédemment. Selon un autre mode de réalisation, R2 est, à chaque occurrence, un radical divalent de formule -CH2CH20-, ou R2 est, à chaque occurrence, un radical divalent de formule -CH2CH2CH20-, ou encore R2 est absent, et tous les autres groupes sont tels que définis précédemment.
Selon un mode de réalisation, R4 est un résidu polyéther de formule - [CH(R5)CH20]sCH3, dans lequel R5 est CH3 à chaque occurrence, et tous les autres groupes sont tels que définis précédemment. Dans un autre mode de réalisation, R5 est un atome d'hydrogène à chaque occurrence, et tous les autres groupes sont tels que définis précédemment. Selon un autre mode, R5 est, indépendamment à chaque occurrence, CH3 ou hydrogène, tel que R4 est un résidu polyéther comprenant des unités répétitives d'oxyde de propylène (PO) et d'oxyde d'éthylène (EO), par exemple dans un ratio molaire en PO:EO situé entre environ 20: 1 et environ 1 :30, ou entre environ 10:1 et environ 1 : 10. Selon un exemple, le résidu polyéther R4 a une masse moléculaire se situant dans l'intervalle allant d'environ 300 g/mole à environ 5000 g/mole, ou allant d'environ 500 g/mole à environ 2500 g/mole.
Selon un autre mode de réalisation, l'agent lubrifiant est choisi parmi les Polymères 1 à 5 tels que définis au Tableau 1 .
Selon un autre aspect, la présente demande décrit une composition comprenant un agent lubrifiant tel qu'ici défini, conjointement avec un solvant inerte aux métaux alcalins. Par exemple, le solvant est choisi parmi les solvants hydrocarbonés, les solvants aromatiques, et leurs combinaisons, c'est-à-dire des systèmes de solvants comprenant un solvant aromatique et un solvant hydrocarboné. Le solvant hydrocarboné peut être choisi parmi l'hexane et l'heptane et le solvant aromatique peut être le toluène. Selon un mode de réalisation, la composition comprend l'agent lubrifiant à une concentration d'environ 0.001 % à environ 10% (poids/volume), ou environ 0.01 % à environ 5% (poids/v), du volume total de la composition.
Selon un autre aspect, la présente demande décrit aussi un film de métal alcalin ayant une première et une deuxième surface, et comprenant sur au moins l'une des première et deuxième surfaces, une mince couche de l'agent lubrifiant ou de la composition. Par exemple, le film de métal alcalin a une épaisseur si situant dans l'intervalle d'environ 5 m à environ 50 m. Selon un mode de réalisation, le métal alcalin est choisi parmi le lithium, les alliages de lithium, le sodium, et les alliages de sodium, ou du lithium ayant une pureté d'au moins 99% en poids, ou un alliage de lithium comprenant moins de 3000 ppm d'impuretés en poids.
Dans un autre mode de réalisation, le film de métal alcalin tel qu'ici défini comprend une couche de passivation sur au moins une de ses première et deuxième surfaces, éventuellement, sur ses deux surfaces. Par exemple, la couche de passivation peut être d'une épaisseur de 500 A ou moins, de 100 A ou moins, ou encore de 50 A ou moins. Par exemple, le métal alcalin est du lithium ou un alliage de lithium et la couche de passivation comprend du Li20, du Li2C03, du LiOH, ou une combinaison d'au moins deux de ceux-ci. Selon encore un autre aspect, la présente demande décrit un procédé pour la production d'un film de métal alcalin et le film de métal alcalin ainsi produit, le procédé comprenant les étapes : a) d'application d'une composition comprenant un agent lubrifiant tel qu'ici défini sur au moins l'une des première et deuxième surface d'un feuillard de métal alcalin afin d'obtenir un feuillard de métal alcalin lubrifié; et b) de laminage du feuillard de métal alcalin lubrifié obtenu à l'étape (a) entre au moins deux rouleaux pour produire un film de métal alcalin.
Dans une mode réalisation, au moins les étapes (a) et (b) sont accomplies sous atmosphère d'air essentiellement sec, par exemple, dans une chambre anhydre ou à humidité contrôlée avec un point de rosée situé entre -45 et -55Ό, pour 0.7 to 2.2% d'humidité relative, préférablement un point de rosée d'environ -50Ό et une humidité relative d'environ 1 .3%.
Selon un autre mode de réalisation, le procédé comprend, en outre, une étape d'obtention du feuillard de métal alcalin, par exemple, par extrusion d'un lingot ou d'une tige de métal alcalin.
Selon un autre aspect, l'étape (a) s'effectue par l'application de la composition sur le feuillard à l'entrée des rouleaux et peut aussi s'effectuer par enduction préalable des rouleaux de laminage avec ou sans ajout additionnel de composition directement sur le feuillard avant l'étape (b). Les films de métaux alcalins tels que définis ici peuvent être utilisés, entre autre, pour la production d'électrodes et de cellules électrochimiques les comprenant en combinaison avec un électrolyte et une contre-électrode, préférablement tous deux sous forme de films. L'électrolyte peut être un électrolyte liquide non- aqueux comprenant un solvant organique compatible, un électrolyte liquide constitué d'un sel fondu, un électrolyte polymère gel ou un électrolyte polymère solide. La contre-électrode comprend un matériau actif de contre-électrode tel qu'ici défini ou tel que généralement utilisé dans le domaine. DESCRIPTION DÉTAILLÉE
La description détaillée et les exemples qui suivent sont à titre d'illustration et ne doivent pas être interprétés comme limitant davantage la portée de l'invention.
Le terme « environ » tel qu'utilisé dans le présent document signifie approximativement, dans la région de, et autour de. Lorsque le terme « environ » est utilisé en lien avec une valeur numérique, il la modifie au-dessus et en dessous par une variation de 10% par rapport à la valeur nominale. Ce terme peut aussi tenir compte, par exemple, de l'erreur expérimentale d'un appareil de mesure.
Lorsqu'un intervalle de valeurs est mentionné dans la présente demande, les bornes inférieures et supérieures de l'intervalle sont, à moins d'indication contraire, toujours incluses dans la définition.
/. Agents lubrifiants et leurs compositions:
Les polymères décrits ici sont utiles comme agents lubrifiants utilisés dans le laminage de films de métaux alcalins. Ces agents sont des copolymères polyéther d'alkyl-succinimide de Formule I:
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Formule I dans lequel,
m et n désignent respectivement le nombre d'unités répétitives A et B dans le polymère, m étant un nombre entier positif et n étant un nombre entier positif ou zéro quand l'unité répétitive B est absente, et où m et n sont choisis tel que la masse moléculaire du polymère de Formule I se situe dans l'intervalle de 1000 à 106, de 2000 à 250 000, de 2000 à 100 000, de 2000 à 50 000, ou encore de 50 000 à 200 000, bornes incluses;
R1 est, indépendamment à chaque occurrence, choisi parmi les radicaux hydrocarbonés monovalents linéaires ou ramifiés, de préférence parmi les radicaux hydrocarbonés monovalents linéaires ou ramifiés de formule CrH2r+i , où 4 < r < 24, de préférence où 8 < r < 18;
R2 est, indépendamment à chaque occurrence, choisi parmi -CH2CH20- et -CH2CH2CH20-, où R2 est lié à N par un atome de carbone, ou R2 est absent et N est lié à R4 de façon covalente;
R3 est, indépendamment à chaque occurrence, choisi parmi les radicaux hydrocarbonés monovalents linéaires ou ramifiés, de préférence parmi les radicaux hydrocarbonés monovalents linéaires ou ramifiés de formule CtH2t+i , où 4 < t < 24, de préférence où 8 < t < 18;
R4 est, indépendamment à chaque occurrence, un résidu polyéther de formule -[CH(R5)CH20]sCH3, où 5 < s < 100, de préférence où 8 < s < 50; et R5 est, indépendamment à chaque occurrence, un atome d'hydrogène ou un groupe CH3.
Selon un mode de réalisation, le ratio des unités répétitives A:B en pourcentage molaire dans l'agent lubrifiant se situe entre 100:0 et 10:90, de préférence entre 100:0 et 20:80, bornes incluses. Selon un autre mode de réalisation, le ratio des unités répétitives A:B en pourcentage molaire dans l'agent lubrifiant se situe entre 60:40 et 10:90.
Selon un mode de réalisation, R4 est un résidu polyéther de formule - [CH(R5)CH20]sCH3, dans lequel 5 < s < 100, et R5 est CH3 à chaque occurrence, de préférence où 8 < s < 50. Dans un autre mode de réalisation, R4 est un résidu polyéther de formule -[CH(R5)CH20]sCH3, dans lequel 5 < s < 100, et R5 est un atome d'hydrogène à chaque occurrence, de préférence où 8 < s < 50. Selon un autre mode différent, R4 est un résidu polyéther de formule -[CH(R5)CH20]sCH3 dans lequel 5 < s < 100 et R5 est indépendamment à chaque occurrence CH3 ou hydrogène, de préférence où 8 < s < 50, R4 étant ainsi une chaîne polyéther possédant des unités répétitives d'oxyde de propylène (PO) et d'oxyde d'éthylène (EO) (aussi référé ici comme une chaîne polyéther PO/EO).
Selon un mode de réalisation, R4 est une chaîne polyéther PO/EO liée de façon covalente à N (l'atome d'azote d'un groupe succinimide). Des exemples de ces chaînes polyéthers PO/EO comprennent, sans limitation, les polyéthers possédant un ratio molaire PO/EO variant d'environ 20: 1 à environ 1 :30, ou d'environ 10:1 à environ 1 : 10, de préférence ayant une masse moléculaire se situant entre environ 300 et environ 5000, de préférence environ 500 et environ 2500. Des exemples de R4 comprennent aussi les chaînes polyéther PO/EO d'amines polyéthers, le groupement amine faisant partie du succinimide de l'unité A, comme les monoamines Jeffamine® de la série "M", par exemple les M-600, M-1000, M-2005 et M-2070 (Huntsman Corporation, Texas, U.S.A), ayant un contenu molaire respectif en PO:EO de 9:1 , 3: 19, 29:6 et 10:31 . Selon un aspect, la teneur en unité répétitive B dans le polymère de Formule I est ajusté afin d'obtenir un polymère soluble dans un solvant ou un système de solvant non-polaire, par exemple, un tel solvant ou système de solvants comprend des solvants hydrocarbonés (par exemple, hexane, heptane), aromatiques (par exemple, le toluène), ou leurs mélanges.
Des exemples non-limitatifs de polymères agents lubrifiants de Formule I sont tels que détaillés au Tableau 1 .
Tableau 1
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Par exemple, les agents lubrifiants de Formule I peuvent être préparés par: (a) l'obtention d'un copolymère alterné (ait) d'alkylène R1 CHCH2 et d'anhydride maléique, Ri étant tel que défini précédemment. Ce copolymère est ensuite réagi avec une aminé de formule R4-R2-NH2, éventuellement en même temps, préalablement ou postérieurement avec une aminé de formule R3-NH2, dans laquelle R2, R3, et R sont tel que définis précédemment. Des exemples de méthodes de production d'agents lubrifiants sont ici illustrés plus en détail dans les Exemples de Synthèse 1 à 4.
Les compositions décrites ici comprennent au moins un agent lubrifiant de Formule I. Ces compositions peuvent aussi comprendre des composantes additionnelles comme des solvants inertes aux métaux alcalins. Des exemples de solvants incluent, sans limitation, les solvants hydrocarbonés (par exemple, l'hexane, l'heptane, etc.), les solvants aromatiques (par exemple, le toluène, etc.), ou leurs mélanges. //. Films de métaux alcalins
Les films de métaux alcalins consistent en, par exemple, du lithium ou un alliage de lithium, du sodium ou un alliage de sodium, de préférence du lithium ou un alliage dans lequel le lithium est la composante majeure, préférablement du lithium ayant une pureté d'au moins 99% par poids, ou un alliage de lithium comprenant moins de 3000 ppm d'impuretés par poids.
Selon un mode de réalisation, le film de métal alcalin tel que produit ici comprend sur l'une de ses deux surfaces ou sur ces deux surfaces, une mince couche d'un agent lubrifiant de Formule I ou d'une composition le comprenant. Par exemple, les films de lithium comprenant sur une(des) surface(s) au moins un agent lubrifiant ou une composition de l'invention peuvent généralement présenter une impédance plus faible lorsque comparés à des films de lithium produits avec l'utilisation d'autres additifs lubrifiants. D'autres propriétés améliorées de ces films peuvent aussi inclure une couche de passivation plus stable et plus uniforme, et des propriétés de cyclage améliorées.
Lorsque la méthode de production du film mince de lithium est accomplie sous atmosphère d'air essentiellement anhydre, la couche de passivation sur le film de lithium comprend du carbonate de lithium, de l'oxyde de lithium et/ou de l'hydroxyde de lithium. ///. Procédé pour la production de films de métaux alcalins:
Les films de métaux alcalins tels décrits ici sont produits par laminage ou calandrage entre des rouleaux en utilisant les agents lubrifiants de Formule I et les compositions les comprenant. Des procédés de préparation de films de lithium par laminage de métal sont illustrés, par exemple, dans les brevet américains nos 5,837,401 et 6,019,801 (tous deux émis au nom de Gauthier et al.). Les procédés décrits dans Gauthier et al. peuvent être réalisés en utilisant les agents lubrifiants et compositions tels que décrits ici (par exemple, voir la Section I ci-dessus). Par exemple, un feuillard de lithium d'environ 250 μηι d'épaisseur est utilisé dans le procédé de laminage pour produire un film de lithium. Les feuillards de lithium peuvent être obtenus, par exemple, par extrusion de lingots ou tiges de lithium disponibles commercialement. De manière générale, un feuillard de lithium, préalablement monté sur un dérouleur, est passé entre deux rouleaux de travail. Un lubrifiant est ajouté (par exemple, à l'aide d'un bec verseur sur le feuillard et/ou par enduction préalable des rouleaux de travail) au point d'insertion du feuillard de lithium entre les deux rouleaux, c'est-à-dire juste avant l'étape de laminage. Selon un mode de réalisation, le film de lithium sortant des rouleaux de travail peut être enroulé sur un enrouleur pour utilisation ultérieure. Dans ce mode particulier, le lubrifiant agit, du moins en partie, afin de prévenir l'adhésion du film de lithium sur lui-même. Selon un autre mode de réalisation, le film de lithium lubrifié produit est utilisé directement pour d'autres étapes de laminage (par exemple, par laminage en continu ou en série) avec une couche d'électrolyte polymère solide, une couche protectrice, et/ou un collecteur de courant (par exemple, dans une configuration collecteur de courant/film de lithium/électrolyte ou une configuration collecteur de courant/film de lithium/couche protectrice/électrolyte). Dans chaque cas, les enrouleurs ou laminoirs disposés en série fournissent une tension suffisante au film de lithium afin de réduire l'adhésion du film de lithium aux rouleaux de travail mais sans tension excessive afin d'éviter le déchirement du film de lithium.
Par exemple, l'étape de laminage entre rouleaux peut produire un film de métal alcalin à une vitesse dans la plage d'environ 10 m/min à environ 50 m/min de film de métal alcalin. II est évident que les rouleaux de travail doivent être composés et/ou recouverts d'un matériau inerte envers le métal alcalin (comme le lithium métallique) en présence de l'agent lubrifiant et/ou de la composition de l'invention. Par exemple, les rouleaux peuvent être composés de polymères durs tels que les plastiques, les rouleaux métalliques recouverts de matière plastique, les rouleaux en acier inoxydable, etc.
Le procédé de l'invention peut être effectué sous atmosphère anhydre, de préférence sous atmosphère d'air essentiellement sec, par exemple, dans une chambre anhydre ou à humidité contrôlée, par exemple ayant un point de rosée entre -45 et -55Ό, pour de 0.7 à 2.2% d'humidité r elative, de préférence un point de rosée d'environ -50Ό pour 1 .3% d'humidité relat ive.
IV. Cellules électrochimiques:
Les films de métaux alcalin tels que produits ici sont utiles pour la fabrication de cellules électrochimiques. Par exemple, les cellules électrochimiques comprennent au moins une électrode ayant un film de matériau alcalin, comme le lithium, en tant que matériau actif d'électrode, une contre-électrode et un électrolyte entre l'électrode et la contre-électrode. Une option concerne les cellules électrochimiques comprenant une pluralité d'agencements (par exemple, une pluralité d'agencements électrode/électrolyte/contre-électrode ou contre- électrode/électrolyte/électrode/électrolyte/contre-électrode). Par exemple, la cellule peut être un matériau multicouche qui peut être plié ou roulé en cylindre.
Des cellules électrochimiques dans lesquelles les films de lithium ici décrits pourraient aussi être utilisés incluent aussi les cellules électrochimiques lithium- air comme celles décrites dans la demande PCT publiée sous le numéro WO2012/071668 (Zaghib et al.).
Selon un aspect, le polymère de Formule I ou sa composition peut être présente à la surface entre le film de lithium et sa couche adjacente (par exemple, le collecteur de courant, l'électrolyte, etc.), ou peut être en partie ou complètement diffuse, dispersée ou dissoute dans l'électrolyte. Selon un autre aspect, l'agent lubrifiant (ou sa composition) est présent entre l'électrode et l'électrolyte et est conducteur d'ion, par exemple de par sa dissolution des sels de lithium présents dans l'électrolyte. Selon un mode de réalisation préféré, la cellule électrochimique, comprenant un film de lithium tel qu'ici décrit, est scellée ou comprise à l'intérieur d'un compartiment étanche. a. Électrode: Une électrode comprend au moins un film de métal alcalin tel que décrit à la Section II ou tel que préparé par le procédé de la Section III. De préférence, le film de métal alcalin de l'électrode est un film de lithium vif ou un alliage dans lequel le lithium est la composante majoritaire, de préférence du lithium ayant une pureté d'au moins 99% par poids, ou un alliage de lithium comprenant moins de 3000 ppm d'impuretés par poids.
Selon un mode de réalisation, l'électrode comprend, en outre, un collecteur de courant fait d'une couche métallique telle que, par exemple, une couche de nickel ou de cuivre adhérant à la surface du film de métal alcalin opposée de la surface faisant face ou qui fera face à la couche d'électrolyte. De façon optionnelle, une couche protectrice conductrice d'ions peut être présente entre le film de métal alcalin (par exemple, de Li, Na, ou un alliage de l'un ou l'autre) et l'électrolyte, par exemple, afin de protéger le film de lithium de la dégradation et/ou de prévenir la formation de dendrites. Une couche protectrice conductrice d'ion comprenant, par exemple, un polymère conducteur d'ions, une céramique (par exemple, un oxynitrure de lithium et de phosphore (LIPON) etc.), du verre, ou une combinaison de deux ou plus de ceux-ci, peut être appliquée à la surface du film de lithium ou de la couche d'électrolyte (par exemple, d'un électrolyte polymère solide) avant l'assemblage. Les couches protectrices vitreuses ou de céramique sont appliquées par des procédés standards comme la pulvérisation cathodique, ou l'ablation par laser ou plasma. Des exemples de couches protectrices sont décrits dans la demande PCT publiée sous le numéro WO2008/009107 (Zaghib et al.). b. Électrolyte:
Les électrolytes utilisés dans ces cellules électrochimiques incluent tout électrolyte compatible avec l'utilisation d'électrodes de film de lithium vif ou d'un autre métal alcalin. Des exemples de tels électrolytes incluent, sans limitations, les électrolytes liquides non-aqueux, les électrolytes de polymère gel, et les électrolytes de polymère solide. Les électrolytes qui suivent sont à titre d'exemples illustratifs et ne doivent pas être interprétés comme limitatifs.
Par exemple, les électrolytes liquides compatibles incluent les électrolytes liquides organiques comprenant un solvant polaire aprotique tel que le carbonate d'éthylène (EC), le carbonate de diéthyle (DEC), le carbonate de propylène (PC), le carbonate de diméthyle (DMC), le carbonate de méthyle et d'éthyle (EMC), la γ-butyrolactone (γ-BL), le carbonate de vinyle (VC), et leurs mélanges, et des sels de lithium comme LiTFSI, LiPF6, etc. D'autres exemples d'électrolytes liquides compatibles incluent les électrolytes de sels fondus comprenant des sels de lithium comme le chlorure de lithium, le bromure de lithium, le fluorure de lithium, et les compositions les comprenant, or des sels organiques. Des exemples non limitatifs d'électrolytes liquides de sels fondus peuvent être trouvés dans US2002/01 10739 (McEwen et al). L'électrolyte liquide peut imprégner un séparateur comme un séparateur en polymère (par exemple, de polypropylène, de polyéthylène, ou d'un copolymère de ceux-ci).
Les électrolytes polymère gel compatible peuvent comprendre, par exemple, des précurseurs de polymère et des sels de lithium (tels que LiTFSI, LiPF6, etc.), un solvant polaire aprotique tel que défini ci-dessus, un initiateur de polymérisation/réticulation lorsque requis. Des exemples de tels électrolytes gels incluent, sans limitations, les électrolytes gels décrits dans les demandes PCT publiées sous les numéros WO2009/1 1 1860 (Zaghib et al.) et WO2004/068610 (Zaghib et al.). Un électrolyte gel peut aussi imprégner un séparateur tel que défini ci-dessus. Les électrolytes polymère solides (EPS) peuvent généralement comprendre un ou des polymères solides polaires réticulés ou non et des sels, par exemple, des sels de lithium tels que LiTFSI, LiPF6, LiDCTA, LiBETI, LiFSI, LiBF4, LiBOB, etc. Des polymères de type polyéther tels que les polymères basés sur le poly(oxyde d'éthylène) (PEO) peuvent être utilisés, mais plusieurs autres polymères compatibles avec le lithium sont aussi connus pour la production de EPS. Des exemples de tels polymères incluent les polymères multi-branche en forme d'étoile ou de peigne comme ceux décrits dans la demande PCT publiée sous le no WO2003/063287 (Zaghib et al.). c. Contre-électrode:
Les contre-électrodes comprennent au moins un matériau électrochimiquement actif (MEA) compatible avec l'utilisation d'électrodes de métal alcalin, et particulièrement de lithium métallique. Tout MEA de contre-électrode connu du domaine peut être utilisé dans ces cellules électrochimiques. Par exemple, le MEA de contre-électrode peut opérer à un voltage à l'intérieur de la plage d'environ 1V à environ 5V. Des exemples de MEA de contre-électrode se retrouvent, par exemple, dans Whittingham M. S. (2004), Chem. Rev., 104, 4271 - 4301 , ici incorporée par référence dans son intégralité et à toutes fins.
Pour une électrode comprenant un film de lithium, des exemples non-limitatifs de MEA de contre-électrode incluent les titanates de lithium (ex: Li4Ti5012), le soufre ou des matériaux comprenant du soufre, les phosphates de lithium et de métal (ex : LiM'P04 où M' est Fe, Ni, Mn, Co, ou leurs combinaisons), les oxydes de vanadium (ex : LiV308, V205, etc.), et les oxydes de lithium et de métal, tels que LiMn204, LiM"02 (M" étant Mn, Co, Ni ou leurs combinaisons), Li(NiM"')02 (M'" étant Mn, Co, Al, Fe, Cr, Ti, Zr, etc., ou leurs combinaisons).
De façon similaire, le MEA de la contre-électrode lorsque l'électrode comprend un film de sodium sont connus de la personne du métier. Par exemple, ceux-ci incluent le soufre ou un matériau comprenant du soufre, des phosphates de sodium et d'un ou des métaux (ex : Na2FeP04F, Na2FeP207F, NaVP04F, NaVi_ xCrxP04F, où x<1 , par exemple 0<x<0.1 ) ou des sulfates de sodium et d'un métal (ex : Na2Fe2(S04)3) Le MEA de contre-électrode peut aussi être de l'oxygène dans une cellule lithium-air ou sodium-air selon le métal alcalin de l'électrode.
La contre-électrode peut aussi comprendre un matériau conducteur électronique comme une source de carbone, incluant, par exemple, du carbone Ketjen®, du carbone Shawinigan, du graphite, des fibres de carbone, des fibres de carbone formée en phase gazeuse (VGCF), du carbone non-poudreux obtenu par carbonisation d'un précurseur organique, et une combinaison de deux ou plus de ceux-ci. Le carbone utilisé peut être d'origine naturelle ou synthétique. La contre-électrode peut être une contre-électrode composite qui comprend en outre, un liant polymère, et éventuellement un sel de métal alcalin tel que les sels de lithium (ex. : LiTFSI, LiDCTA, LiBETI, LiFSI, LiPF6, LiBF4, LiBOB, etc.) ou les sels de sodium (ex. : NaCI04, NaPF6, etc.).
Les exemples qui suivent illustrent l'invention et ne doivent pas être interprétées comme limitant la portée de l'invention telle que décrite.
EXEMPLES
Afin d'évaluer l'effet du lubrifiant sur la surface d'un film de lithium et les propriétés résultantes, des films de lithium d'une épaisseur de 27 m, produits selon la procédure décrite dans le brevet américain no 6,019,801 , ont été immergés dans les lubrifiants testés. Les films lubrifiés ont ensuite été insérés dans des cellules électrochimiques et leurs propriétés mesurées.
Les composants utilisés dans les Exemples qui suivent sont définis comme suit:
PEO(200) distéarate: PEO-200 distéarate tel que décrit dans le brevet américain no 6,019,801 . EPS: "Électrolyte Polymère Solide" basée sur un polymère polyéther tel que décrite dans les brevets américains no 6,903,174 et no 6,855,788 comprenant du LiTFSI comme sel de lithium dans un ratio de 30/1 (oxygène v. Li). Polymère 1 : est un polymère de Formule I ayant une masse moléculaire d'environ 5000, dans lequel l'unité B est absente, R1 est Ci6H33, R2 est absent, et R4 est lié à N de façon covalente et représente le résidu de Jeffamine® M-1000, un polyétheramine possédant un ratio PO/EO de 3/19. Polymère 2 : est un polymère de Formule I ayant une masse moléculaire d'environ 5000, dans lequel l'unité B est absente, R1 est Ci6H33, R2 est absent, et R4 est lié à N de façon covalente et représente le résidu de Jeffamine® M-2070, un polyétheramine possédant un ratio PO/EO de 10/31 .
C-LiFePO4: LiFePO4 enrobé de carbone Exemple 1 (Comparatif)
Un lubrifiant a été préparé par l'addition de 1 % par poids de PEO(200) distéarate a une mélange de toluène et d'hexane (80:20 (vol:vol), tous deux anhydres). Un film de lithium de 27 m d'épaisseur a ensuite été immergé dans ce lubrifiant pendant 5 minutes. a. Cellule symétrique:
Une cellule de 4 cm2 a été assemblée en laboratoire selon la configuration Li/EPS/Li. L'impédance initiale de la cellule Li/EPS/Li à 80° C était de 15 ohms. Après six semaines, l'impédance a atteint 1 1 1 ohms, montrant une augmentation de 640% de l'impédance. b. Cellule asymétrique:
Une cellule de 4 cm2 a été assemblée en laboratoire selon la configuration C- LiFePO4/EPS/Li. La cellule a ensuite été déchargée à un taux de C/4 et chargée à un taux de C/4 à un voltage de 2.5 V à 3.8 V à 80Ό. La capacité initiale de la cellule était de 158 mAh/g. Après 350 cycles, la capacité a atteint 80 % de la capacité initiale. Exemple 2
Le lubrifiant a été préparé par l'addition de 1 % en poids du Polymère 1 à un mélange de toluène et d'hexane (80:20 (vol:vol), tous deux anhydres). Un film de lithium de 27 m d'épaisseur a ensuite été immergé dans ce lubrifiant pendant environ 5 minutes. a. Cellule symétrique:
Une cellule de 4 cm2 a été assemblée en laboratoire selon la configuration Li/EPS/Li. L'impédance initiale de la cellule de configuration Li/EPS/Li à 80° C était de 22 ohms. Après six semaines, l'impédance a atteint 48 ohms, montrant une augmentation de 120% de l'impédance. b. Cellule asymétrique:
Une cellule de 4 cm2 a été assemblée en laboratoire selon la configuration C- LiFeP04/EPS/Li comme à l'Exemple 1 (b). La cellule a ensuite été déchargée à un taux de C/4 et chargée à un taux de C/4 à un voltage de 2.5 V à 3.8 V à 80Ό. La capacité initiale de la cellule était de 160 mAh/g. Après 1 100 cycles, la capacité a atteint 80 % de la capacité initiale. c. Conclusions:
L'augmentation de l'impédance est plus basse dans cette cellule que dans celle de l'Exemple 1 , où un lubrifiant à base de PEO(200) distéarate a été utilisé. L'utilisation d'un lubrifiant à base du Polymère 1 résulte en une couche de passivation stable et plus uniforme sur la surface du lithium. La cellule incorporant le film de lithium comprenant une mince couche de Polymère 1 a obtenu une durée de vie en cycles améliorée lorsque comparée à la cellule décrite à l'Exemple 1 . Exemple 3
Le lubrifiant a été préparé par l'addition de 1 % par poids du Polymère 2 à un mélange de toluène et d'hexane (80:20 (vol:vol), tous deux anhydres). Un film de lithium de 27 m d'épaisseur a ensuite été immergé dans ce lubrifiant pendant environ 5 minutes. a. Cellule symétrique:
Une cellule de 4 cm2 a été assemblée en laboratoire selon la configuration Li/EPS/Li. L'impédance initiale de la cellule de configuration Li/EPS/Li à 80° C était de 23 ohms. Après six semaines, l'impédance a atteint 45 ohms, montrant une augmentation de 96% en impédance. b. Cellule asymétrique:
Une cellule de 4 cm2 a été assemblée en laboratoire selon la configuration C- LiFeP04/EPS/Li comme à l'Exemple 1 (b). La cellule a ensuite été déchargée à un taux de C/4 et chargée à un taux de C/4 à un voltage de 2.5 V à 3.8 V à 80Ό. La capacité initiale de la cellule était de 161 mAh/g. Après 1300 cycles, la capacité a atteint 80 % de la capacité initiale (une baisse de 20%). c. Conclusions:
L'augmentation de l'impédance est plus basse pour cette cellule que pour celle de l'Exemple 1 (b) où le lubrifiant à base de PEO(200) distéarate était utilisé. L'utilisation du lubrifiant à base de Polymère 2 résulte aussi en une couche de passivation très stable et plus uniforme sur la surface du lithium. Cette cellule a aussi obtenu une durée de vie en cycle améliorée lorsque compare à la cellule décrite à l'Exemple 1 (b).
Exemple de Synthèse 1 36.26 g d'un polymère poly(octadécène-a/f-anhydride maléique) du commerce (Mw s 65,000) sont dissouts dans 250ml de toluène sous agitation à la température de la pièce. De l'octadécylamine (18 g) dans 100 ml de toluène est ajouté goutte à goutte à la solution sous agitation sur une période de 2 heures. Ensuite, 40 g de Jeffamine® de type M-1000 (XTJ-506) avec un ratio PO/EO de 3: 19 dilués dans 50 ml de toluène sont ajoutés rapidement et toujours sous agitation. La solution ternaire résultante est ensuite placée dans un ballon de 500 ml équipé d'un appareil Dean-Stark et d'un condenseur. La solution est portée à reflux pendant 8 heures, période durant laquelle l'eau libérée lors de la formation de l'imide apparaît progressivement dans la burette de l'appareil Dean-Stark.
La solution visqueuse de polymère résultante est ensuite filtrée et évaporée dans un évaporateur rotatif. La substance collante obtenue est redissoute dans 625 ml d'heptane et lavée 5 fois avec un volume de 100 ml d'une solution aqueuse d'acide sulfurique (H2S0 ) à 0.1 M afin d'éliminer l'excès de Jeffamine®. L'extraction de la Jeffamine® est ensuite suivie d'un rinçage avec 5 portions d'eau déminéralisée. Le séchage de la solution d'heptane est effectué par l'addition de 40 g de tamis moléculaire 4Â préalablement traité sous vide à 200Ό. La solution à 10 % (poids/volume) du Polymèr e 3 dans l'heptane ainsi obtenue est prête pour dilution et/ou utilisation ultérieure dans le laminage d'un métal alcalin comme le lithium.
Exemple de Synthèse 2 36.26 g d'un polymère poly(octadécène-a/f-anhydride maléique) du commerce (Mw s 65,000) et 1 1 g de triéthylamine sont dissouts dans 250 mL de toluène sous agitation à la température de la pièce. De l'octadécylamine (21 .5g) dans 100 ml de toluène est ajouté goutte à goutte à la solution sous agitation sur une période de 2 heures. Ensuite, 45 g de Jeffamine® de type M-2070 avec un ratio PO/EO de 10:31 dissous dans 100 ml de toluène sont ajoutés rapidement et toujours sous agitation. La solution quaternaire résultante est ensuite placée dans un ballon de 500 ml équipé d'un appareil Dean-Stark et d'un condenseur. La solution est portée à reflux pendant 8 heures, période durant laquelle l'eau libérée lors de la formation de Timide apparaît progressivement dans la burette de l'appareil Dean-Stark.
La solution visqueuse de polymère résultante est ensuite filtrée et évaporée. La substance cireuse obtenue est redissoute dans 900 ml d'heptane et lavée 5 fois avec un volume de 200 ml d'une solution aqueuse d'acide sulfurique (H2S04) à 0.1 M afin d'éliminer l'excès de Jeffamine® et de triéthylamine. L'extraction est ensuite suivie d'un rinçage avec 5 portions d'eau déminéralisée. Le séchage de la solution d'heptane est effectué par l'addition de 40 g de tamis moléculaire 4Â préalablement traité sous vide à 200Ό. La solution à 10 % (poids/volume) du Polymère 4 dans l'heptane ainsi obtenue est prête pour dilution et/ou utilisation ultérieure dans le laminage d'un métal alcalin comme le lithium.
Exemple de Synthèse 3
10 g d'anhydride maléique du commerce (Aldrich) sont ajoutés à une solution de 105 g de Jeffamine® M-1000 (Huntsman corporation) dans 300 mL de toluène. Le mélange réactionnel est soumis à une déshydratation de type Dean-Stark pour effectuer l'imidization des groupements terminaux NH2 de la Jeffamine pendant 5 heures. La solution limpide obtenue est refroidie à température 0Ό et 25,8 g de 1 -octadecène et 1 ,3 g d'azobis(isobutyronitrile) sont ajoutés. Le mélange est désaéré par bullage d'azote (100 ml/mn) pendant une heure. Le balayage de gaz neutre est arrêté et le mélange réactionnel est porté à 80Ό pendant 24 heures. La solution de couleur légèrement brune est lavée avec une solution d'acide sulfurique 0,1 M à trois reprises, puis à l'eau pure de nouveau à trois reprises. La solution surnageant est séparée et le toluène est évaporé. On obtient un liquide visqueux d'une masse molaire d'environ 5000 g/mol (Polymère 1 ) qui peut être utilisé dans un processus de laminage.
Exemple de Synthèse 4
De manière similaire à l'Exemple de Synthèse 3, 10 g d'anhydride maléique du commerce (Aldrich) sont ajoutés à une solution de 210 g de Jeffamine® M-2070 (Huntsman corporation) dans 500 ml de toluène. Le mélange réactionnel est soumis à une déshydratation de type Dean-Stark pendant 5 heures. La solution limpide obtenue est refroidie à température 0Ό et 25,8 g de 1 -octadecène et 1 ,6 g d'azobis(isobutyronitrile) sont ajoutés. Le mélange est désaéré par bullage d'azote (100 ml/mn) pendant une heure. Le balayage de gaz neutre est arrêté et le mélange réactionnel est porté à 80Ό pendant 24 heures. La solution de couleur légèrement brune est lavée avec une solution d'acide sulfurique 0, 1 M à trois reprises, puis à l'eau pure de nouveau à trois reprises. La solution surnageant est séparée et le toluène est évaporé. On obtient un liquide visqueux ayant une masse molaire d'environ 5000 (Polymère 2) qui peut être utilisé dans un processus de laminage.
De nombreuses modifications pourraient être apportées à l'un ou l'autre des modes de réalisation décrits ci-dessus sans s'éloigner de la portée de l'invention telle qu'envisagée. Les références, brevets ou documents de littérature scientifique mentionnés dans la présente demande sont ici incorporés par référence dans leur intégralité et à toutes fins.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Un agent lubrifiant constitué d'un polymère de Formule I:
Figure imgf000027_0001
Formule I dans lequel,
m et n désignent respectivement le nombre d'unités répétitives A et B dans le polymère, m étant un nombre entier positif et n étant un nombre entier positif ou zéro quand l'unité répétitive B est absente, et où m et n sont choisis tel que la masse moléculaire du polymère de Formule I se situe dans l'intervalle de 1000 à 106;
R1 est, indépendamment à chaque occurrence, choisi parmi les radicaux hydrocarbonés monovalents linéaires ou ramifiés;
R2 est, indépendamment à chaque occurrence, choisi parmi -CH2CH20- et -CH2CH2CH20-, où R2 est lié à N par un atome de carbone, ou R2 est absent et N est lié de façon covalente à R4;
R3 est, indépendamment à chaque occurrence, choisi parmi les radicaux hydrocarbonés monovalents linéaires ou ramifiés;
R4 est, indépendamment à chaque occurrence, un résidu polyéther de formule -[CH(R5)CH20]sCH3, où 5 < s < 100 ; et
R5 est, indépendamment à chaque occurrence, un atome d'hydrogène ou un groupement CH3.
2. Agent lubrifiant selon la revendication 1 , dans lequel m et n sont choisis de sorte que la masse moléculaire de l'agent lubrifiant de Formule I se situe dans l'intervalle de 2000 à 250 000.
3. Agent lubrifiant selon la revendication 1 ou 2, dans lequel m et n sont choisis de sorte que la masse moléculaire de l'agent lubrifiant de Formule I se situe dans l'intervalle de 2000 à 50 000.
4. Agent lubrifiant selon la revendication 1 ou 2, dans lequel m et n sont choisis de sorte que la masse moléculaire de l'agent lubrifiant de Formule I se situe dans l'intervalle de 50 000 à 200 000.
5. Agent lubrifiant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel R1 est, indépendamment à chaque occurrence, un radical hydrocarboné linéaire ou ramifié de formule CrH2r+i , où 4 < r < 24.
6. Agent lubrifiant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel R1 est, indépendamment à chaque occurrence, un radical hydrocarboné linéaire ou ramifié de formule CrH2r+1 , où 8 < r < 18.
7. Agent lubrifiant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel R3 est, indépendamment à chaque occurrence, un radical hydrocarboné linéaire ou ramifié de formule CtH2t+i , où 4 < t < 24.
8. Agent lubrifiant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel R3 est, indépendamment à chaque occurrence, un radical hydrocarboné linéaire ou ramifié de formule CtH2t+i , où 8 < t < 18.
9. Agent lubrifiant selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel 8 < s < 50.
10. Agent lubrifiant selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le ratio des unités répétitives A:B en pourcentage molaire dans le polymère se situe dans l'intervalle de 100:0 à 10:90.
1 1 . Agent lubrifiant selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel R2 est un radical divalent de formule -CH2CH2O-
12. Agent lubrifiant selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel R2 est un radical divalent de formule -CH2CH2CH2O-
13. Agent lubrifiant selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel R2 est absent.
14. Agent lubrifiant selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel R4 est un résidu polyéther de formule -[CH(R5)CH2O]sCH3, dans lequel R5 est CH3 à chaque occurrence.
15. Agent lubrifiant selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel R4 est un résidu polyéther de formule -[CH(R5)CH2O]sCH3, dans lequel R5 est un hydrogène à chaque occurrence.
16. Agent lubrifiant selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel R4 est un résidu polyéther de formule -[CH(R5)CH2O]sCH3, et dans lequel R5 est, indépendamment à chaque occurrence, CH3 ou hydrogène, tel que R4 est un résidu polyéther comprenant des unités répétitives d'oxyde de propylène (PO) et d'oxyde d'éthylène (EO).
17. Agent lubrifiant selon la revendication 16, dans lequel le résidu polyéther a un ratio molaire en PO:EO situé entre environ 20: 1 et environ 1 :30.
18. Agent lubrifiant selon la revendication 17, dans lequel le ratio molaire en PO: EO se situe entre environ 10:1 et environ 1 : 10.
19. Agent lubrifiant selon l'une quelconque des revendications 14 à 18, dans lequel le résidu polyéther a une masse moléculaire se situant entre environ 300 g/mole et environ 5000 g/mole.
20. Agent lubrifiant selon l'une quelconque des revendications 14 à 19, dans lequel le résidu polyéther a une masse moléculaire se situant entre environ 500 et environ 2500 g/mole.
21 . Agent lubrifiant selon la revendication 1 , dans lequel l'agent lubrifiant est choisi parmi les Polymères 1 à 5 tels que définis au Tableau 1 .
22. Une composition comprenant un agent lubrifiant selon l'une quelconque des revendications 1 à 21 conjointement avec un solvant inerte aux métaux alcalins.
23. Composition selon la revendication 22, dans laquelle le solvant est choisi parmi les solvants hydrocarbonés, les solvants aromatiques et leurs mélanges.
24. Composition selon la revendication 23, dans laquelle le solvant est un système de solvants comprenant au moins un solvant aromatique et au moins un solvant hydrocarboné.
25. Composition selon la revendication 23 ou 24, dans laquelle le solvant hydrocarboné est choisi parmi l'hexane et l'heptane.
26. Composition selon la revendication 23 ou 24, dans laquelle le solvant aromatique est le toluène.
27. Composition selon l'une quelconque des revendications 22 à 26, dans laquelle l'agent lubrifiant est présent à une concentration d'environ 0.001 % à environ 10% (poids/volume) par rapport au volume total de la composition.
28. Composition selon la revendication 27, dans laquelle l'agent lubrifiant est présent à une concentration située dans l'intervalle d'environ 0.01 % à environ 5% (poids/volume) par rapport au volume total de la composition.
29. Un film de métal alcalin ayant une première et une deuxième surfaces, et comprenant sur au moins l'une des première et deuxième surfaces, une mince couche de l'agent lubrifiant tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 21 ou de la composition telle que définie dans l'une quelconque des revendications 22 à 28.
30. Film de métal alcalin selon la revendication 29, ayant une épaisseur située dans l'intervalle d'environ 5 m à environ 50 m.
31 . Film de métal alcalin selon la revendication 29 ou 30, dans lequel ledit métal alcalin est choisi parmi le lithium, les alliages de lithium, le sodium, et les alliages de sodium.
32. Film de métal alcalin selon la revendication 31 , dans lequel le métal alcalin est du lithium ayant une pureté d'au moins 99% en poids, ou un alliage de lithium comprenant moins de 3000 ppm d'impuretés en poids.
33. Film de métal alcalin selon l'une quelconque des revendications 29 à 32, comprenant une couche de passivation sur au moins l'une de ses première et deuxième surfaces.
34. Film de métal alcalin selon la revendication 33, comprenant une couche de passivation sur ses première et deuxième surfaces.
35. Film de métal alcalin selon la revendication 33 ou 34, dans lequel la couche de passivation est d'une épaisseur de 100 A ou moins, ou de 50 A ou moins.
36. Film de métal alcalin selon l'une quelconque des revendications 33 à 35, dans lequel ledit métal alcalin est le lithium ou un alliage de lithium et la couche de passivation comprend du Li20, du Li2C03, du LiOH ou une combinaison d'au moins deux de ceux-ci.
37. Un procédé pour la production d'un film de métal alcalin, le procédé comprenant les étapes de: a) application d'une composition selon l'une quelconque des revendications 22 à 28 sur au moins l'une des première et deuxième surfaces d'un feuillard de métal alcalin afin d'obtenir un feuillard de métal alcalin lubrifié; et b) laminage du feuillard de métal alcalin lubrifié obtenu à l'étape (a) entre au moins deux rouleaux pour produire un film de métal alcalin.
38. Procédé selon la revendication 37, lequel est accompli sous atmosphère d'air essentiellement sec.
39. Procédé selon la revendication 37 ou 38, lequel est accompli dans une chambre anhydre ou à humidité contrôlée avec un point de rosée situé entre -45 et -55 , pour 0.7 to 2.2% d'humidité relative.
40. Procédé selon la revendication 39, dans lequel la chambre anhydre ou à humidité contrôlée avec un point de rosée d'environ -50Ό pour une humidité relative d'environ 1 .3%.
41 . Procédé selon l'une quelconque des revendications 37 à 40, lequel comprend, en outre, une étape d'obtention du feuillard de métal alcalin, utilisé à l'étape (a), par extrusion d'un lingot ou d'une tige de métal alcalin.
42. Procédé selon l'une quelconque des revendications 37 à 41 , dans lequel l'étape (a) s'effectue par l'application de la composition sur le feuillard à l'entrée des rouleaux et/ou par enduction préalable des rouleaux de laminage avec ou sans ajout additionnel de composition directement sur le feuillard avant l'étape (b).
43. Film de métal alcalin produit par un procédé tel que défini dans l'une quelconque des revendications 37 à 42.
44. Film de métal alcalin selon la revendication 43, ayant une épaisseur située dans l'intervalle d'environ 5 m à environ 50 m.
45. Film de métal alcalin selon la revendication 43 ou 44, dans lequel ledit métal alcalin est choisi parmi le lithium, les alliages de lithium, le sodium, et les alliages de sodium.
46. Film de métal alcalin selon la revendication 45, dans lequel le métal alcalin est du lithium ayant une pureté d'au moins 99% en poids, ou un alliage de lithium comprenant moins de 3000 ppm d'impuretés en poids.
47. Film de métal alcalin selon l'une quelconque des revendications 43 à 46, comprenant une couche de passivation stable et uniforme sur au moins l'une de ses première et deuxième surfaces.
48. Film de métal alcalin selon la revendication 47, comprenant une couche de passivation sur ses première et deuxième surfaces.
49. Film de métal alcalin selon la revendication 47 ou 48, dans lequel la couche de passivation est d'une épaisseur de 100 A ou moins, ou de 50 A ou moins.
50. Film de métal alcalin selon l'une quelconque des revendications 47 à 49, dans lequel ledit métal alcalin est le lithium ou un alliage de lithium et la couche de passivation comprend du Li20, du Li2C03, du LiOH ou une combinaison d'au moins deux de ceux-ci.
51 . Électrode comprenant un film de métal alcalin tel que défini dans l'une quelconque des revendications 29 à 36 et 43 à 50.
PCT/CA2015/050256 2014-04-01 2015-03-31 Polymères et leur utilisation comme agents lubrifiants dans la production de films de métaux alcalins Ceased WO2015149173A1 (fr)

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