CN102260282B - 一种二氟草酸硼酸锂电解质盐的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种二氟草酸硼酸锂(LiODFB)电解质盐的制备工艺，首先将含氟盐类化合物、含锂化合物、含硼化合物按氟元素、锂元素、硼元素的摩尔比为2～6∶2～6∶1～3量加入球磨罐中，在温度为5℃～80℃条件下球磨2小时～24小时后置于马弗炉中，再经80℃～850℃热处理2小时～24小时；然后将高温处理过的原料按草酸根与硼的比为1～5∶1～3量在溶剂中与草酸根混合，0℃～160℃反应1小时～12小时；最后经有机溶剂多次提纯得到所要的产物。本发明的优点是：原料毒性小腐蚀性低，环境友好，对设备没有抗腐蚀、耐高压等苛刻要求，制备工艺简单，投资少，适合工业大批量生产。

Description

一种二氟草酸硼酸锂电解质盐的制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池电解质盐的制造技术领域，具体是一种二氟草酸硼酸锂(LiODFB)电解质盐的制备方法。
背景技术
目前，商业上常用的锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6)，LiPF6易水解，热稳定性差，与空气中的水分或溶剂中残余水接触时会立即形成HF，对电池的性能产生不利影响。通常LiPF6与碳酸乙烯酯(EC)合用配成电解液才能在负极形成有效的固体电解质相界面(SEI)膜，但EC的熔点较高(37℃)，限制了电池的低温使用性能。
现在，大量的研究开始致力于新型锂盐的合成与应用，希望能够找到能代替现有锂盐，性能更优异的新型物质。四氟硼酸锂(LiBF4)相对于LiPF6对环境水分不敏感，在低温下电荷迁移电阻小，因而低温性能优于LiPF6，但单独使用会导致锂离子电池的容量和库仑效率下降；双乙二酸硼酸锂(LiBOB)热稳定性好，具有良好的电化学稳定性，能在石墨上形成稳定而致密的SEI膜，提高了电池的循环性能，但在部分低介电常数的溶剂(特别是线性碳酸酯类)中几乎不溶解，且形成的SEI膜电阻很大，低温性能较差，应用受到了限制。
目前行业最受瞩目的是分子结构中包含半个LiBOB和半个LiBF4分子的新型锂盐——LiODFB。由于LiODFB具有LiBF4的部分结构，所以低温性能有所提高，同时又具有LiBOB的部分结构，也具有较好的高温性能，并且不像LiBOB对杂质和水分那么敏感。LiODFB在链状碳酸酯溶剂中的溶解度比较大，因此具有较高的电导率，且能使熔点较低溶剂PC(-49℃)在石墨负极表面形成稳定的SEI膜，为解决电池低温使用问题提供了有利的前提。LiODFB对锰基和铁基的正极材料有很好的热稳定性，LiODFB还能够提高锂离子电池的耐滥用性。由于LiODFB其结合了LiBOB和LiBF4两种锂盐的优势，其综合性能优于现在的任何一种锂盐，有望成为替代现有电解质锂盐的新型锂盐。
LiODFB类化合物的制备，最初以LiBF4、CH(CF3)2OLi和H2C2O4为原料，以碳酸酯或乙腈(AN)等极性非质子溶液为反应介质(EP：1195834A2)，所得产物的纯度较低。11B核磁共振表明，未反应的LiBF4的含量高达15％以上，而LiBF4与LiODFB在常见有机溶剂中的溶解度相近，分离较为困难。改进的方法为(EP：1308449A2)：在低温下以碳酸酯或AN为溶剂，在反应助剂AlCl3或SiCl4的的作用下，使H2C2O4与LiBF4直接反应，生成LiODFB。改进后所得产物的纯度有大幅提高，未反应的LiBF4的含量降至约0.5％。但该反应生成腐蚀性的HF，且温度过低(-50℃)，同时原料为LiBF4，导致制备成本较高。为克服这些缺点，S.S.Zhang将BF3·O(CH2CH3)2与Li2C2O4在DMC中反应，制备了纯度较高的LiODFB。所得LiODFB粗产品用DMC或其他非质子溶剂进行重结晶，一次重结晶后达到了锂离子电池电解质锂盐的使用要求，该方法在原料选择和制备条件上表现出极大的优越性，已成为LiODFB的通用制法。但原料所用的三氟化硼乙醚溶液具有强烈的刺激性和强烈腐蚀性，遇明火燃烧，高温分解产生有毒的气体，在空中遇湿气立即水解，分解时生成剧毒的氟化氢烟雾。所以该法不足之处有：(1)对工作人员健康和环境带来危害，(2)对设备的耐腐蚀性能具有较高的要求，(3)投资成本大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种安全环保且对设备的耐腐蚀性能要求较低的二氟草酸硼酸锂盐的制备合成工艺。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：采用毒性较低的含氟盐类化合物为原料，与含硼化合物、含锂化合物混合均匀后进行高温固相预处理，而后再与草酸根化合物在溶剂中反应生成白色产物，该白色产物经提纯后得到二氟草酸硼酸锂。具体工艺步骤如下：
1、原料预处理
将含氟盐类化合物、含锂化合物、含硼化合物在球磨机中研磨，而后将球磨好的原料置于马弗炉中，升温加热，使之进行反应。
上述氟元素、锂元素、硼元素的摩尔比为2～6∶2～6∶1～3，球磨时间为0.5小时～20小时，球磨温度为5℃～80℃，热处理环境为空气、氮气、氩气或真空环境，处理温度为80℃～850℃，反应时间为2小时～24小时。
上述含氟盐类化合物包括：氟化锂、氟化铵、氟化氢铵、氟硼酸铵、氟化镁中的一种或多种；所述锂化合物包括：氢氧化锂、碳酸锂、碳酸氢锂、氧化锂、氟化锂、草酸氢锂中的一种或多种；所述的硼化合物包括：硼酸、硼砂、三氧化二硼、偏硼酸中的一种或多种。
2、产品制备
将上述高温处理过的原料移入溶剂中，待混合均匀后再向该溶剂加入一定量的草酸根化合物，反应完全后将溶剂去除，得到白色产物。
上述草酸根与硼的比为1～5∶1～3，反应时间为1小时～12小时，反应温度为0℃～160℃。
上述草酸根化合物包括：草酸锂、草酸中的一种或多种。上述溶剂包括：水、乙醚、乙二醇二甲醚、碳酸二甲酯、乙腈、乙酸乙酯、丙酮、二氧戊环、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯中的一种或多种。
3、产品提纯
将步骤二得到的白色产物研磨后放入容器中，加入提纯溶剂后加热，冷却后滤除不溶物，蒸发结晶得到所要的二氟草酸硼酸锂，根据需要可进行多次提纯。
上述提纯所用的溶剂包括：碳酸二甲酯、乙醇、乙腈、丙酮、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、二氧戊环、乙酸乙酯中的一种或多种。
本发明的有益效果是：原料毒性小，腐蚀性低，环境友好，对设备没有抗腐蚀、耐高压等苛刻要求，制备工艺简单，投资少，适合工业大批量生产。
附图说明
图1为本发明合成工艺得到的二氟草酸硼酸锂的X射线衍射图。
具体实施方式
下面通过具体实例对本发明作进一步的描述，但本发明不应仅限于这些实施例。
实施例一
采用氟化锂、硼酸以及草酸为原料制备二氟草酸硼酸锂。
步骤一、取硼酸30.9g、氟化锂26g放入球磨罐中，5℃下混合球磨12小时，行星式球磨机转速为380转/分钟。
步骤二、将上述球磨好的原料置于马弗炉中，在氮气保护下升温至350℃，恒温20小时，使之进行完全反应。
步骤三、将上述处理后的原料转移至适量水中，边加热边搅拌，待其混合均匀后再加入94.8g草酸，反应完全后将溶液放入鼓风干燥箱中去除水分，得到白色产物。
步骤四、将白色产物研细，而后放入容器中，加入1500g碳酸二甲酯，密闭容器后加热并搅拌，微沸即停止加热，冷却后滤除不溶物，蒸发滤液到出现浑浊时停止加热，冷却后加入少量异丙醚，待晶体完全析出后过滤得到67g二氟草酸硼酸锂，经检测其纯度为99.56％。
实施例二
采用氟化锂、三氧化二硼以及草酸为原料制备二氟草酸硼酸锂。
步骤一、取三氧化二硼17.5g、氟化锂26g放入球磨罐中，5℃下混合球磨12小时，行星式球磨机转速为380转/分钟。
步骤二、将上述球磨好的原料置于马弗炉中，在氮气保护下升温至400℃，恒温20小时，使之进行完全反应。
步骤三、将上述处理后的原料转移至适量水，边加热边搅拌，待其混合均匀后再加入94.8g草酸，反应完全后将溶液放入鼓风干燥箱中去除水分，得到白色产物。
步骤四、将白色产物研细，而后放入开口反应器中，加入1500g碳酸二甲酯，密闭容器后加热并搅拌，微沸即停止加热。冷却后滤除不溶物，蒸发滤液到出现浑浊时停止加热，冷却后加入少量异丙醚，待晶体完全析出后滤除溶剂即得到64g二氟草酸硼酸锂，经检测其纯度为99.62％。

Claims (8)

1.一种二氟草酸硼酸锂电解质盐的制备方法，其特征在于包括：将含氟盐类化合物、含锂化合物、含硼化合物混合后进行高温固相预处理，而后再与草酸根化合物在溶剂中反应生成白色产物，该白色产物经提纯后得到二氟草酸硼酸锂。
2.根据权利要求1所述的二氟草酸硼酸锂电解质盐的制备方法，其特征在于：所述高温固相预处理的方法是将含氟盐类化合物、含锂化合物、含硼化合物在球磨机中研磨，而后将球磨好的原料置于马弗炉中，升温加热，使之进行反应。
3.根据权利要求2所述的二氟草酸硼酸锂电解质盐的制备方法，其特征在于：所述含氟盐类化合物、含锂化合物、含硼化合物中，相应的氟元素、锂元素、硼元素的摩尔比为2～6：2～6：1～3，球磨时间为0.5小时～20小时，球磨温度为5℃～80℃，热处理环境为空气、氮气、氩气或真空环境，处理温度为80℃～850℃，反应时间为2小时～24小时。
4.根据权利要求1或2所述的二氟草酸硼酸锂电解质盐的制备方法，所述含氟盐类化合物包括：氟化锂、氟化铵、氟化氢铵、氟硼酸铵、氟化镁中的一种或多种；所述含锂化合物包括：氢氧化锂、碳酸锂、碳酸氢锂、氧化锂、氟化锂、草酸氢锂中的一种或多种；所述含硼化合物包括：硼酸、硼砂、三氧化二硼、偏硼酸中的一种或多种。
5.根据权利要求1或2所述的二氟草酸硼酸锂电解质盐的制备方法，其特征在于：所述的草酸根化合物的草酸根与硼元素的摩尔比为1～5:1～3，反应时间为1小时～12小时，反应温度为0℃～160℃。
6.根据权利要求1所述的二氟草酸硼酸锂电解质盐的制备方法，所述的草酸根化合物包括：草酸氢锂或草酸中的一种或多种；所述溶剂包括：水、乙醚、乙二醇二甲醚、碳酸二甲酯、乙腈、乙酸乙酯、丙酮、二氧戊环、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的二氟草酸硼酸锂电解质盐的制备方法，其特征在于：对白色产物进行提纯的方法是将白色固体研磨后放入容器中，加入提纯溶剂后加热，冷却后滤除不溶物，蒸发结晶得到二氟草酸硼酸锂。
8.根据权利要求7所述的二氟草酸硼酸锂电解质盐的制备方法，所述的提纯溶剂包括：碳酸二甲酯、乙醇、乙腈、丙酮、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、二氧戊环、乙酸乙酯中的一种或多种。
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