CN116332206A - 六氟磷酸锂电解液的纯化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了六氟磷酸锂电解液的纯化方法,即去除LiPF6电解液中游离酸(以HF计)的方法,提高电池电解液的品质,保证锂离子电池的安全性和可靠性,属于锂离子电池用LiPF6制备的电解液。具体方法是将本发明的碱金属的氟盐(MF)与玻璃粉烧结而成的氟盐改性玻璃粉(MF/玻璃粉)浸渍于LiPF6电解液中,充分搅拌以便吸附LiPF6电解液中的HF,实现LiPF6电解液中游离酸的有效去除,提高LiPF6电解液的纯度。
Description
技术领域
本发明涉及一种为了提高LiPF6电解液的纯度,降低LiPF6电解液中游离酸(HF)含量。将碱金属的氟盐(MF)与玻璃粉烧结而成的氟盐改性玻璃粉(MF/玻璃粉)置于LiPF6电解液中,通过MF/玻璃粉对LiPF6电解液中HF的吸附,有效去除游离酸,实现提高LiPF6电解液的纯度。
背景技术
电解液是锂离子电池中离子传输的媒介,其离子传导能力对锂离子电池的倍率性能有着至关重要的作用。在锂离子电池有机电解液中目前普遍使用导电盐六氟磷酸锂(LiPF6),LiPF6是提高电解液离子传导能力的有效途径。由于LiPF6在空气中的热稳定性差,分解出的遇水易反应的氢氟酸(HF),氢氟酸会与锂离子电池的正极和负极发生反应,同时破坏电极的固体电解质膜,从而影响电池的循环性能、安全性能,缩短电池的使用寿命,所以非常有必要对LiPF6电解液中的游离酸(以HF计)含量进行控制,故而GB/T 19282-2014提出了LiPF6电解液中游离酸的指标需要小于0.0050%。
现有技术中常用A12O3、MgO、BaO和锂或钙的碳酸盐、活性炭、硅胶等吸附材料加入电解液中除去多余的游离酸,但吸附能力难以达到要求,发明人在实际应用中发现氧化铝等吸附效果不理想。目前吸附材料对HF的吸附大多依靠物理吸附,在电解液中难以达到很好的吸附,且使用后难以再生使用或再生成本高。
碱金属氟盐(MF)对HF气体具有良好的吸附能力,尤以NaF对HF显示着优异的吸附能力,由此,很多电子加工企业,对HF废气都使用NaF来吸收,实现减少排放HF的目的。MF对HF具有良好吸附能力的原理是基于MF与HF反应,生成了MHF2(如反应式1)。
MF + HF → NaHF2 (1)
同时,该吸附反应为可逆反应,当温度为250℃以上时,HF从NaHF2脱附,重新生成HF和NaF,即
MHF2 → MF + HF (2)
现有技术为了进一步提高碱金属氟盐对HF气体的吸附能力,提高其孔隙率、增大接触面积等,在CN202111424526.9一种氟气纯化用吸附剂的制备方法中等通过碱氟化盐原料与粘结剂和溶剂按比例混配,造粒,烧结,可以提高氟气纯化吸附剂的孔隙率和吸附能力。CN202211339774.8一种氟化氢吸附剂及其制备应用方法中将吸附材料、介孔材料和骨架材料研磨混合为均匀的混合料,然后向混合料中加入溶剂挤压成球,最后对加入溶剂的球状混合料进行焙烧得到氟化氢吸附剂。这些材料仅验证了适用于HF气体吸附,但不适用于六氟磷酸锂电解液中的HF吸附。发明人尝试将其引入到LiPF6电解液中,对LiPF6电解液中HF的吸附,实现去除HF提高LiPF6电解液的纯度。但是,由于构成LiPF6电解液的溶剂为碳酸酯类有机溶剂,碱氟化盐或改性碱氟化盐在这些溶剂中微量的溶解,不仅不能吸附HF,起到降低游离酸的能力,反而会增加LiPF6电解液中的F-含量,并且电解液中的HF和氟气中的HF形态不同,吸附材料相互之间难以转用。
为了解决碱氟化盐难以用于LiPF6电解液中HF的吸附问题,本发明将玻璃粉与碱金属氟盐进行烧结,牢固地将碱金属氟盐MF“束缚”在玻璃粉体中,使制备的MF/玻璃粉可以非常稳定的存在于LiPF6电解液中,同时基于该MF/玻璃粉的骨架中具有MF结构,可对HF产生强烈吸附,有效提高LiPF6电解液中的纯度。
发明内容
本发明的目的是降低LiPF6电解液中的游离酸含量(以HF计),实现高纯度LiPF6电解液的制备。为实现这一目的,本发明提供了一种碱金属氟盐改性玻璃粉(MF/玻璃粉),通过碱金属氟化物与玻璃粉烧结后,碱金属氟化物成为构成玻璃粉骨架结构中的一部分,非常简便、稳定的将该MF/玻璃粉置于LiPF6电解液中,即可提高LiPF6电解液的纯度。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
将碱金属的氟盐(MF)与玻璃粉烧结,研磨后得氟盐改性玻璃粉(MF/玻璃粉),将其置于LiPF6电解液中,通过MF/玻璃粉对LiPF6电解液中HF游离酸的吸附,降低电解液中游离酸含量。
进一步,碱金属的氟盐(MF)中的M=Li,Na,K;进一步优选NaF。
进一步,碱金属的氟盐(MF):玻璃粉的构成质量比例范围为0.1~0.8,进一步优选质量比例范围为0.3~0.5。
进一步,烧结温度设定在300~1000℃;进一步优选为600~1000℃,烧结保温3~5小时较为适宜。
碱金属氟盐改性玻璃粉在LiPF6电解液的具体应用方法为:
将烧结得到的碱金属氟盐改性玻璃粉置于的LiPF6电解液中,在20~80℃条件下吸附处理,搅拌后过滤,取上层LiPF6电解液清液,按GB/T 19282-2014方法进行游离酸含量测试。
进一步,吸附处理温度为室温。
进一步,烧结的碱金属氟盐改性玻璃粉在LiPF6电解液的加入量为50~100g/L。
进一步,LiPF6电解液为常规市售电解液。
进一步,玻璃粉末为无机无定型硬质颗粒粉末,通常用做高透明高硬度填充材料,生产玻璃粉使用的原料为PbO、SiO2、TiO2等电子级原料混匀后,高温进行固相反应,形成无序结构的玻璃均质体,化学性质稳定,其耐酸性及有机溶剂性非常高。本发明所使用的玻璃粉,可以使用含铅或不含铅玻璃粉,使用无铅玻璃粉时,还可适当降低烧结温度,无论采用何种玻璃粉,所形成的碱金属氟盐改性玻璃粉对LiPF6电解液的游离酸的吸附性能影响不大。
例如:含铅玻璃粉包含的主要成分为:PbO:35-65%、B2O3:12-20%、ZnO:5-15%、SiO2:3.8-7.6%、ZrO2:3-7%、Al2O3:1-4%、MgO1-3%氧化物组成。
例如:不含铅玻璃粉包含的主要成分为:Bi2O3 50%~70%、SiO2 5%~10%、B2O310%~15%、Al2O3 5%~10%、Li2O 1%~5%、ZnO 1%~5%的氧化物组成。
对于碱金属氟盐改性玻璃粉的制备,首先需要将碱金属氟盐与玻璃粉进行充分混合,为了实现这一目的,可分别对碱金属氟盐和玻璃粉进行研磨复合,如此有利于二者进行充分混合后的烧结。
对于碱金属氟盐改性玻璃粉的组成而言,MF:玻璃粉的构成比例范围为0.1~0.8;MF比例过低,会影响对LiPF6电解液中游离酸的吸附效果;反之MF比例过高,会影响到碱金属氟盐改性玻璃粉的稳定性,同样不利于LiPF6电解液中游离酸的去除,最佳的比例范围为0.3~0.5。经过研究表明,烧结温度设定在600~1000℃,保温3~5小时较为适宜。对于温度而言,温度过低不利于碱金属氟盐和玻璃粉的共混,碱金属氟化盐难以进入玻璃粉的骨架结构中,同样过高的温度也容易导致碱金属氟盐的氧化体形成。在600~1000℃的温度下,可保证各种碱金属氟盐和玻璃粉处于熔融状态,所以温度不易高于1000℃。
碱金属氟盐改性玻璃粉的制备烧结过程是在惰性气体氛围下实现的,所有的惰性气体均可满足本发明的烧结工艺,出于对生产成本的考量,氮气最佳。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明通过碱金属氟盐和玻璃粉混合烧结,牢固地将碱金属氟盐MF“束缚”在玻璃体中,使制备的MF/玻璃粉可以非常稳定的存在于LiPF6电解液中,基于该MF/玻璃粉的骨架中具有MF结构,可对HF产生强烈化学吸附,MF与HF反应,生成了MHF2,实现LiPF6电解液中游离酸的有效去除,提高LiPF6电解液的纯度。保证锂离子电池的安全性和可靠性,并使用后的碱金属氟盐改性玻璃粉,仅通过加热的方法就可以再生重复使用,回收成本低。
附图说明
图1为实施例3制备的NaF/玻璃粉在电解液溶剂析出氟离子的含量分析。
图2为在500℃下烧结制备的NaF/玻璃粉在电解液溶剂析出氟离子的含量分析。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。实施例给出了碱金属氟盐改性玻璃粉制备时碱金属氟盐与玻璃粉的不同比例,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例中是采用不含铅玻璃粉包含的主要成分为:Bi2O3 50%~70%、SiO25%~10%、B2O3 10%~15%、Al2O3 5%~10%、Li2O 1%~5%、ZnO 1%~5%。
(不含铅氧化物组成)
实施例中的电解液来源为市售电解液,下述实施例是取多个不同批次的电解液进行实验。
碱金属氟盐改性玻璃粉吸附LiPF6电解液中游离酸的方法如下:
将实施例和对比例烧结的碱金属氟盐改性玻璃粉10g置于100ml的LiPF6电解液中,在室温条件下,搅拌10min后,取上层LiPF6电解液清液,按GB/T19282-2014方法进行游离酸含量测试,其分析结果列于表1。
碱金属氟盐改性玻璃粉的再生及评价:
将使用后的碱金属氟盐改性玻璃粉加热至300℃以上,即可实现碱金属氟盐改性玻璃粉的再生。为了验证碱金属氟盐改性玻璃粉的再生是否完全,取5g再生后的碱金属氟盐改性玻璃粉置于去离子水10ml中搅拌30min后,取上层清液,用离子色谱对F离子进行检测。本发明再生后的碱金属氟盐改性玻璃粉,经上述分析方法检测,未检出氟离子。由此可以证明使用后的碱金属氟盐改性玻璃粉,通过加热的方法可以再生。
实施例1具体实验流程如上所述,碱金属氟盐改性玻璃粉具体制备条件为:分别取研磨好的NaF和玻璃粉,按NaF:玻璃粉质量比为0.1:1的比例进行混合,取混合物50g置于石墨坩埚中,通入氮气充分置换空气,使其陶瓷的烧结过程处于无氧氛围,加热至1000℃,保温3小时,冷却后,将制备的烧结氟化钠改性玻璃粉放入行星球磨机中研磨,即可得到氟化钠改性玻璃粉体。按照上述的分析方法对LiPF6电解液的游离酸进行吸附并分析,其分析结果列于表1。
实施例2具体实验流程如上所述,分别取研磨好的NaF和玻璃粉,按NaF:玻璃粉质量比为0.3:1的比例进行混合,取混合物50g置于石墨坩埚中,通入氮气充分置换空气,使其陶瓷的烧结过程处于无氧氛围,加热至1000℃,保温3小时,冷却后,将制备的烧结氟化钠改性玻璃粉放入行星球磨机中研磨,即可得到氟化钠改性玻璃粉体。按照上述的分析方法对LiPF6电解液的游离酸进行吸附并分析,其分析结果列于表1。
实施例3具体实验流程如上所述,分别取研磨好的NaF和玻璃粉,按NaF:玻璃粉质量比为0.5:1的比例进行混合,取混合物50g置于石墨坩埚中,通入氮气充分置换空气,使其陶瓷的烧结过程处于无氧氛围,加热至1000℃,保温3小时,冷却后,将制备的烧结氟化钠改性玻璃放入行星球磨机中研磨,即可得到氟化钠改性玻璃粉体(NaF/玻璃粉)。按照上述的分析方法对LiPF6电解液的游离酸进行吸附并分析,其分析结果列于表1。
取1g实施例3制备的NaF/玻璃粉置于50ml的碳酸二甲酯溶剂中,震荡1h后,取上层清液10ml,在50℃下缓慢蒸发碳酸二甲酯后,准确用10ml其离子水清溶解蒸发后残留,将该水溶液用离子色谱进行分析,未见氟离子的出现(图1),由此证明,NaF/玻璃粉在电解液中可稳定存在。
倘若将NaF:玻璃粉=0.5的比例,在300℃下烧结,从外观看,未见其形成一体。若在500℃下烧结,虽然从外观上观察,碱金属氟化盐进入了玻璃粉的骨架结构中,但该碱金属氟化盐按照前述的分析结果看,离子色谱上出现了很大的氟离子峰(图2),其浓度为178.46ppm,由此可以看出,在500℃的烧结温度下,碱金属氟化物没有有效的进入玻璃粉的骨架结构中,难以用于LiPF6电解液的游离酸的去除。
实施例4具体实验流程如上所述,分别取研磨好的NaF和玻璃粉,按NaF:玻璃粉质量比为0.8:1的比例进行混合,取混合物50g置于石墨坩埚中,通入氮气充分置换空气,使其陶瓷的烧结过程处于无氧氛围,加热至1000℃,保温3小时,冷却后,将制备的烧结氟化钠改性玻璃粉放入行星球磨机中研磨,即可得到氟化钠改性玻璃粉体。按照上述的分析方法对LiPF6电解液的游离酸进行分析,其分析结果列于表1。
实施例5具体实验流程如上所述,分别取研磨好的LiF和玻璃粉,按LiF:玻璃粉质量比为0.5:1的比例进行混合,取混合物50g置于石墨坩埚中,通入氮气充分置换空气,使其陶瓷的烧结过程处于无氧氛围,加热至1000℃,保温3小时,冷却后,将制备的烧结氟化锂改性玻璃粉放入行星球磨机中研磨,即可得到氟化锂改性玻璃粉体。按照上述的分析方法对LiPF6电解液的游离酸进行分析,其分析结果列于表1。
实施例6具体实验流程如上所述,分别取研磨好的KF和玻璃粉,按KF:玻璃粉质量比为0.5:1的比例进行混合,取混合物50g置于石墨坩埚中,通入氮气充分置换空气,使其陶瓷的烧结过程处于无氧氛围,加热至1000℃,保温3小时,冷却后,将制备的烧结氟化钾改性玻璃粉放入行星球磨机中研磨,即可得到氟化钾改性玻璃粉体。按照上述的分析方法对LiPF6电解液的游离酸进行分析,其分析结果列于表1。
实施例7-10
实施例7-10与实施例3的配比,区别在于:将烧结温度1000℃替换为800℃、850℃、900℃、950℃,其它操作与实施例3相同,实施例7-10得到的氟化钠改性玻璃粉对LiPF6电解液的游离酸去除效果与实施例3结果相同。
实施例11
实施例11与实施例3的配比,区别在于:将烧结温度1000℃替换为750℃,其它操作与实施例3相同,按照上述的分析方法对LiPF6电解液的游离酸进行分析,其分析结果列于表1。
比较例1具体实验流程如上所述,分别取研磨好的MgF2和玻璃粉,按MgF2:玻璃粉质量为0.5:1的比例进行混合,取混合物50g置于石墨坩埚中,通入氮气充分置换空气,使其陶瓷的烧结过程处于无氧氛围,加热至1000℃,保温3小时,冷却后,将制备的烧结氟化镁改性玻璃粉放入行星球磨机中研磨,即可得到氟化镁改性玻璃粉体。按照上述的分析方法对LiPF6电解液的游离酸进行分析,其分析结果列于表1。
比较例2具体实验流程如上所述,分别取研磨好的NaF和玻璃粉,按NaF:玻璃粉为0.01:1的比例进行混合,取混合物50g置于石墨坩埚中,通入氮气充分置换空气,使其陶瓷的烧结过程处于无氧氛围,加热至1000℃,保温3小时,冷却后,将制备的烧结氟化钠改性玻璃粉放入行星球磨机中研磨,即可得到氟化钠改性玻璃粉体。按照上述的分析方法对LiPF6电解液的游离酸进行分析,其分析结果列于表1。
比较例3
与实施例3相比,未加入NaF,仅玻璃粉进行烧结,得到玻璃粉体按照上述的分析方法对LiPF6电解液的游离酸进行分析,其分析结果列于表1。
表1MF/玻璃粉吸附前后LiPF6电解液中的游离酸含量(%)
由表1的结果可知,比较例1制备的氟化镁改性玻璃粉体,对LiPF6电解液中的游离酸的吸附很有限,甚至没有超过微量氟化钠对玻璃粉的改性(比较例2),用恰当比例的氟化钠改性玻璃粉对LiPF6电解液进行处理,其游离酸含量几乎降低一半。由此可知,碱金属氟化物改性玻璃粉对LiPF6电解液中的HF有很好的吸附效果,可用于提高LiPF6电解液的纯度。
Claims (8)
1.一种六氟磷酸锂电解液的纯化方法,其特征在于:所述的方法为,将碱金属的氟盐(MF)与玻璃粉在惰性气体下烧结成的氟盐改性玻璃粉(MF/玻璃粉),将MF/玻璃粉置于LiPF6电解液中,通过MF/玻璃粉对LiPF6电解液中HF游离酸吸附,降低电解液中游离酸含量。
2.根据权利要求1所述六氟磷酸锂电解液的纯化方法,其特征在于:所述碱金属的氟盐(MF)中M=Li,Na,K的一种或多种混合。
3.根据权利要求2所述六氟磷酸锂电解液的纯化方法,其特征在于:所述碱金属的氟盐为氟化钠。
4.根据权利要求1所述六氟磷酸锂电解液的纯化方法,其特征在于:所述MF/玻璃粉烧结温度为600~1000℃,在此温度下保温3~5小时。
5.根据权利要求1所述六氟磷酸锂电解液的纯化方法,其特征在于:所述烧结采用的惰性气体为氮气。
6.根据权利要求1所述六氟磷酸锂电解液的纯化方法,其特征在于:所述碱金属的氟盐(MF):玻璃粉质量比例范围为0.1~0.8。
7.根据权利要求1所述六氟磷酸锂电解液的纯化方法,其特征在于:MF/玻璃粉对LiPF6电解液中游离酸吸附温度为20~80℃。
8.根据权利要求1所述六氟磷酸锂电解液的纯化方法,其特征在于:所述玻璃粉为含铅玻璃粉或无铅玻璃粉。
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