EP2984038A2 - Chloridarmer elektrolyt - Google Patents

Chloridarmer elektrolyt

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Publication number
EP2984038A2
EP2984038A2 EP14716348.9A EP14716348A EP2984038A2 EP 2984038 A2 EP2984038 A2 EP 2984038A2 EP 14716348 A EP14716348 A EP 14716348A EP 2984038 A2 EP2984038 A2 EP 2984038A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
organic solvent
lithium
ppm
hydrogen chloride
lithium hexafluorophosphate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14716348.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Linder
Matthias Boll
Eberhard Kuckert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lanxess Deutschland GmbH
Original Assignee
Lanxess Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lanxess Deutschland GmbH filed Critical Lanxess Deutschland GmbH
Priority to EP14716348.9A priority Critical patent/EP2984038A2/de
Publication of EP2984038A2 publication Critical patent/EP2984038A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01D—COMPOUNDS OF ALKALI METALS, i.e. LITHIUM, SODIUM, POTASSIUM, RUBIDIUM, CAESIUM, OR FRANCIUM
    • C01D15/00—Lithium compounds
    • C01D15/005—Lithium hexafluorophosphate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0568—Liquid materials characterised by the solutes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40—Electric properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/80—Compositional purity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of low-lithium lithium hexafluorophosphate starting from lithium fluoride and phosphorus pentafluond and its use in an electrolyte.
  • Lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) has attained great industrial importance, especially as conducting salt in the production of powerful batteries. In order to ensure the functionality and service life and thus the quality of such accumulators, it is of particular importance that the lithium compounds used contain as low as possible amounts of chloride. Chloride ions are blamed for cell shorts due to corrosion.
  • DE19712988A1 describes a batchwise process starting from phosphorus trichloride (PCI 3 ).
  • PCI 3 phosphorus trichloride
  • phosphorus trichloride was submitted, then added hydrogen fluoride and then elemental chlorine.
  • the resulting gaseous mixture of hydrogen chloride and phosphorus pentafluoride was passed over the lithium fluoride in the experimental reactor to obtain lithium hexafluorophosphate.
  • JP1 1 171518A2 describes a process for the preparation of lithium hexafluorophosphate which proceeds from phosphorus trichloride and hydrogen fluoride via phosphorus trifluoride, the latter being reacted with elemental chlorine first to phosphorodichloride trifluoride, this in turn with hydrogen fluoride to phosphorus pentafluoride and the latter finally with lithium fluoride to lithium hexafluorophosphate in an organic solvent.
  • the organic solvents used are diethyl ether and dimethyl carbonate.
  • No. 3,594,402 describes the preparation of improved lithium hexafluorophosphate from tetraacetonitrile lithium hexafluorophosphate by reaction of lithium fluoride and phosphorus pentafluoride with excess acetonitrile. The removal of the excess acetonitrile is carried out under vacuum.
  • US5378445 discloses a process for preparing solutions of lithium hexafluorophosphate comprising reacting a lithium salt, under basic conditions, with a salt consisting of sodium, potassium, ammonium or an organo-ammonium hexafluorophosphate salt in a low-boiling one -protonic organic solvent.
  • a solution containing lithium hexafluorophosphate and a precipitated sodium, potassium, ammonium or organoammonium salt containing the anion of the lithium salt reactant is thereby obtained.
  • lithium hexafluorophosphate a production method for lithium hexafluorophosphate is described.
  • phosphorus pentafluoride is prepared from calcium fluoride and phosphorus pentoxide.
  • Lithium hexafluorophosphate was synthesized in an acetonitrile solution by the reaction of lithium fluoride with Phosphorus pentafluond at room temperature. The purity of the produced lithium hexafluorophosphate was 99.98%.
  • the object of and the subject of the present invention is now a process for preparing low-lithium lithium hexafluorophosphate comprising at least the steps of a) contacting lithium fluoride in a first organic solvent containing a nitrile with a gas containing phosphorus pentafluoride and hydrogen chloride, wherein a reaction mixture comprising lithium hexafluorophosphate, a first organic solvent containing a nitrile and hydrogen chloride is obtained, b) contacting the reaction mixture formed according to a) with further organic solvent which is different from the first organic solvent, lithium hexafluorophosphate precipitating and c) separating off precipitated lithium hexafluorophosphate,
  • step a) lithium fluoride in a first organic solvent is contacted with a gas containing phosphorus pentafluond and hydrogen chloride to obtain a reaction mixture containing lithium hexafluorophosphate, a first organic solvent and hydrogen chloride.
  • the lithium fluoride used in step a) has, for example, a purity of 98.0000 to 99.9999% by weight, preferably 99.0000 to 99.9999% by weight, more preferably 99.9000 to 99.9995% by weight. , more preferably 99.9500 to 99.9995 Wt .-% and most preferably 99.9700 to 99.9995 wt .-% based on anhydrous product.
  • the lithium fluoride used furthermore preferably has foreign ions:
  • the lithium fluoride used further has, for example, at foreign ions i) a content of 0.1 to 1000 ppm, preferably from 0.1 to 100 ppm and more preferably 0.5 to 10 ppm of sulfate and / or ii) a content of 0.1 to 1000 ppm, preferably 0.5 to 500 ppm chloride, also based on the anhydrous product and it is true that the sum of lithium fluoride and the aforementioned foreign ions does not exceed 1, 000,000 ppm, based on the total weight of the technical lithium carbonate based on the anhydrous product.
  • the lithium fluoride contains a total of foreign metal ion content of 1000 ppm or less, preferably 300 ppm or less, more preferably 20 ppm or less, and most preferably 10 ppm or less.
  • the lithium fluoride with the aforementioned specifications can be obtained, for example, by a process comprising at least the following steps: i) providing an aqueous medium containing dissolved lithium carbonate ii) reacting the aqueous medium provided according to a) with gaseous hydrogen fluoride to form an aqueous suspension of solid lithium fluoride iii) Separation of the solid lithium fluoride from the aqueous suspension. Iv) Drying of the separated lithium fluoride.
  • step i) an aqueous solution containing lithium carbonate is provided.
  • aqueous medium containing dissolved lithium carbonate is to be understood here as meaning a liquid medium which contains i) dissolved lithium carbonate, preferably in an amount of at least 2.0 g / l, more preferably 5.0 g / l to maximum solubility in the aqueous medium at the selected temperature, most preferably 7.0 g / l to the maximum solubility in the aqueous medium at the selected temperature, in particular the content of lithium carbonate is 7.2 to 15.4 g / l in that the solubility of lithium carbonate in pure water at 0 ° C is 15.4 g / l at 20 ° C 13.3 g / l, at 60 ° C 10.1 g / l and at 100 ° C 7.2 g / l l) and consequently certain concentrations can only be achieved at certain temperatures ii) contains at least 50% by weight of water, preferably 80% by weight, more preferably at least 90% by weight, based on the total weight of the liquid medium,
  • the aqueous medium containing dissolved lithium carbonate may contain, as further component iv), at least one water-miscible organic solvent.
  • Suitable water-miscible organic solvents are, for example, monohydric or polyhydric alcohols, such as methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, ethylene glycol, ethylene glycol monomethyl ether,
  • Ethylene glycol monoethyl ether propylene glycol, 1,3-propanediol or glycerol, ketones such as acetone or ethyl methyl ketone.
  • the aqueous medium containing dissolved lithium carbonate contains at least one water-miscible organic solvent
  • their proportion may be, for example, more than 0.0% by weight to 20% by weight, preferably 2 to 10% by weight, in which case in each case in that the sum of the components i), ii), iii) and iv) contains a maximum of 100% by weight, preferably 95 to 100% by weight and particularly preferably 98 to 100% by weight, based on the total weight of the aqueous medium dissolved lithium carbonate is.
  • the aqueous medium containing dissolved lithium carbonate is free of water-miscible organic solvents.
  • the aqueous medium containing dissolved lithium carbonate may contain as further component v) a complexing agent, preferably in an amount of 0.001 to 1 wt .-%, preferably 0.005 to 0.2% by weight based on the total weight of the aqueous medium containing dissolved lithium carbonate.
  • Complexing agents are preferably those whose complexes with calcium ions and magnesium ions form complexes which have a solubility of more than 0.02 mol / l at a pH of 8 and 20 ° C.
  • the aqueous medium containing dissolved lithium carbonate is free of complexing agents.
  • the procedure is preferably such that solid lithium carbonate is brought into contact with a lithium carbonate-free or lithium-carbonate-poor aqueous medium so that the solid lithium carbonate at least partially dissolves.
  • a low-lithium carbonate aqueous medium is understood as meaning an aqueous medium which has a lithium carbonate content of up to 1.0 g / l, preferably up to 0.5 g / l, of lithium carbonate but is not free of lithium carbonate.
  • the aqueous medium used for the preparation fulfills the conditions mentioned above under ii) and iii) and optionally comprises the components iv) and v).
  • the aqueous medium is water, preferably water having a specific electric resistance of 5 MQ "cm at 25 ° C or more.
  • steps i) to iv) are repeated one or more times, repeated one or more times.
  • the aqueous medium obtained in a previous step iii) in the separation of solid lithium fluoride from the aqueous suspension of lithium fluoride in the repetition for providing the aqueous medium containing dissolved lithium carbonate used as lithium carbonate-free or lithium carbonate poor aqueous medium, the aqueous medium obtained in a previous step iii) in the separation of solid lithium fluoride from the aqueous suspension of lithium fluoride.
  • the lithium carbonate-free or lithium carbonate-poor aqueous medium contains dissolved lithium fluoride, typically up to the saturation limit at the respective temperature.
  • contacting the lithium carbonate-free or aqueous medium with the solid lithium carbonate may be accomplished in a stirred reactor, flow-through reactor, or other apparatus known to those skilled in the art for contacting liquid with solids.
  • a stirred reactor flow-through reactor, or other apparatus known to those skilled in the art for contacting liquid with solids.
  • an excess of lithium carbonate is used, i. so much that complete dissolution of the solid lithium carbonate can not occur.
  • filtration, sedimentation, centrifugation or any other method known to the person skilled in the art for the separation of solids from or from liquid is then carried out, filtration being preferred.
  • the temperature during contacting can be carried out, for example, from the freezing point to the boiling point of the aqueous medium used, preferably 0 to 100.degree. C., particularly preferably 10 to 60.degree. C. and particularly preferably 10 to 35.degree. C., in particular 16 to 24.degree.
  • the pressure when contacting can be, for example, 100 hPa to 2 MPa, 900 hPa to 1200 hPa, in particular ambient pressure is particularly preferred.
  • lithium carbonate which has a purity of 95.0 to 99.9% by weight, preferably 98.0 to 99.8% by weight and particularly preferably 98.5 to 99.8% by weight. -% based on anhydrous product possesses.
  • the technical lithium carbonate further contains foreign ions, i. ions that are not lithium or carbonate ions
  • the sum of lithium carbonate and the abovementioned foreign ions 1) to 4) and optionally i) and ii) does not exceed 1, 000,000 ppm, based on the total weight of the technical lithium carbonate, based on the anhydrous product.
  • the technical lithium carbonate has a purity of 98.5 to 99.5 wt .-% and a content of 500 to 2000 ppm of foreign metal ions ie sodium, potassium, magnesium and calcium.
  • the technical lithium carbonate preferably additionally has a content of 100 to 800 ppm of foreign anions, i. Sulphate or chloride based on the anhydrous product.
  • the aqueous medium containing dissolved lithium carbonate prepared according to step i) typically has a pH of 8.5 to 12.0, preferably of 9.0 to 11.5, measured or calculated at 20 ° C. and 1013 hPa.
  • the aqueous medium containing dissolved lithium carbonate provided in step i) Before the aqueous medium containing dissolved lithium carbonate provided in step i) is used in step (ii), it can be passed through an ion exchanger, in order to at least partially remove calcium and magnesium ions in particular.
  • an ion exchanger for example, weakly or strongly acidic cation exchangers can be used for this purpose.
  • the ion exchangers can be used in devices, such as, for example, flow columns which are filled with the cation exchangers described above, for example in the form of powders, beads or granules.
  • ion exchangers containing copolymers of at least styrene and divinylbenzene which also contain, for example, aminoalkylenephosphonic acid groups or iminodiacetic acid groups.
  • Such ion exchangers are, for example, those of the Lewatit TM type such as Lewatit TM OC 1060 (AMP type), Lewatit TM TP 208 (IDA type), Lewatit TM E 304/88, Lewatit TM S 108, Lewatit TP 207, Lewatit TM S 100; those of the type Amberlite TM such as Amberlite TM IR 120, Amberlite TM IRA 743; those of the Dowex TM type, such as Dowex TM HCR; those of the Duolite type, such as Duolite TM C 20, Duolite TM C 467, Duolite TM FS 346; and Imac TM type such as Imac TM TMR, with Lewatit TM types being preferred.
  • Lewatit TM type such as Lewatit TM OC 1060 (AMP type), Lewatit TM TP 208 (IDA type), Lewatit TM E 304/88, Lewatit
  • such ion exchangers are used, which are as low-sodium as possible.
  • no treatment with ion exchangers takes place.
  • step ii) the reaction of the aqueous medium provided according to step i) comprising dissolved lithium carbonate with gaseous hydrogen fluoride is carried out to give an aqueous suspension of solid lithium fluoride.
  • the reaction can be carried out, for example, by introducing or passing a gaseous hydrogen fluoride-containing gas stream into or over the aqueous medium containing dissolved lithium carbonate, or by spraying, atomizing or flowing through the aqueous medium containing dissolved lithium carbonate in or through a gas containing gaseous hydrogen fluoride.
  • Gaseous hydrogen fluoride contained as a gaseous hydrogen fluoride gas or gas containing gaseous hydrogen fluoride can be used as such or a gas containing gaseous hydrogen fluoride and an inert gas, an inert gas is to be understood as a gas that does not react with lithium fluoride under the usual reaction conditions.
  • gases are air, nitrogen, argon and other noble gases or carbon dioxide, with air and more nitrogen being preferred.
  • the proportion of inert gas can vary as desired and, for example, 0.01 to 99 vol .-%, preferably 1 to 20 vol .-%.
  • lithium fluoride is formed, which precipitates due to the fact that it is less soluble in the aqueous medium than lithium carbonate, and consequently forms an aqueous suspension of solid lithium fluoride. It is known to those skilled in the art that lithium fluoride has a solubility of about 2.7 g / l at 20 ° C.
  • the reaction is preferably carried out in such a way that the resulting aqueous suspension of solid lithium fluoride reaches a pH of 3.5 to 8.0, preferably 4.0 to 7.5, and more preferably 5.0 to 7.2. Carbon dioxide is liberated at the stated pH values.
  • the temperature in the reaction according to step ii) can be, for example, from the freezing point to the boiling point of the aqueous medium containing dissolved lithium carbonate, preferably 0 to 65 ° C, more preferably 15 to 45 ° C and particularly preferably 15 to 35 ° C, especially 16 up to 24 ° C.
  • the pressure in the reaction according to step ii) can be, for example, 100 hPa to 2 MPa, 900 hPa to 1200 hPa, in particular ambient pressure is particularly preferred.
  • step iii) the separation of the solid lithium fluoride from the aqueous suspension. Separation is accomplished, for example, by filtration, sedimentation, centrifugation, or any other method known to those skilled in the art for separating solids from or from liquids, with filtration being preferred.
  • the solid lithium fluoride thus obtained typically still has a residual moisture of from 1 to 40% by weight, preferably from 5 to 30% by weight.
  • step iii) Before the lithium fluoride separated in step iii) is dried according to step iv), it can be washed once or several times with water or a medium containing water and water-miscible organic solvents. Water is preferred. Water having an electric resistance of 15 MQ "cm at 25 ° C or more particularly preferred. From step iii) adhering to the solid lithium fluoride water with foreign ions is thereby removed as far as possible.
  • the lithium fluoride is dried.
  • the drying can be carried out in any apparatus known to the person skilled in the art for drying.
  • the drying is carried out by heating the lithium fluoride, preferably at 100 to 800 ° C, more preferably 200 to 500 ° C.
  • the first organic solvent for example, a nitrile, a combination of nitriles or a combination of at least one nitrile with at least one non-nitrile organic solvent may be used.
  • Suitable nitriles are acetonitrile, propanenitrile and benzonitrile. Particular preference is given to using acetonitrile.
  • the molar ratio of nitriles used to the amount of lithium ions present in the reaction mixture from step a) is at least 1: 1, preferably at least 10: 1 and more preferably at least 50: 1 and most preferably at least 100: 1.
  • the first organic solvent When used as the first organic solvent are those which are not nitrile, those organic solvents are preferably used which are liquid at room temperature and have a boiling point of 300 ° C or less at 1013 hPa and further at least one oxygen atom or a nitrogen atom or both contain.
  • Preferred organic solvents are those which have no protons which have a pKa value at 25 ° C., based on water or an aqueous comparison system of less than 20. Such organic solvents are also referred to in the literature as "aprotic" solvents.
  • Examples of such other organic solvents are liquid at room temperature esters, organic carbonates, ketones, ethers, acid amides or sulfones.
  • Examples of ethers are diethyl ether, diisopropyl ether, methyl tert-butyl ether, ethylene glycol dimethyl and diethyl ether, 1, 3-Propandioldimethyl and diethyl ether, dioxane and tetrahydrofuran.
  • esters are methyl and ethyl acetate and butyl acetate or organic carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC) or propylene carbonate (PC) or ethylene carbonate (EC).
  • DMC dimethyl carbonate
  • DEC diethyl carbonate
  • PC propylene carbonate
  • EC ethylene carbonate
  • An example of a sulphone is sulfolane.
  • ketones are acetone, methyl ethyl ketone and acetophenone.
  • acid amides are N, N-dimethylformamide, ⁇ , ⁇ -dimethylacetamide, N-methylformanilide, N-methylpyrrolidone or hexamethylphosphoric triamide.
  • the first organic solvent according to the invention may also contain several of said organic solvents.
  • solid lithium fluoride is contacted with a first organic solvent.
  • a first organic solvent is initially charged and solid lithium fluoride is added.
  • the resulting suspension containing lithium fluoride and a first organic solvent is contacted with gas containing phosphorus pentafluoride and hydrogen chloride.
  • the contacting of lithium fluoride and a first organic solvent takes place under inert gas, preferably under argon.
  • step a) comprising phosphorus pentafluoride and hydrogen chloride can be prepared in a manner known per se by a process comprising at least the following steps.
  • the gas containing phosphorus pentafluoride and hydrogen chloride there is typically used a gas mixture containing 5 to 41% by weight of phosphorus pentafluoride and 6 to 59% by weight of hydrogen chloride, preferably 20 to 41% by weight of phosphorus pentafluond and 40 to 59% by weight of hydrogen chloride preferably 33 to 41 wt .-% phosphorus pentafluond and 49 to 59 wt .-% hydrogen chloride are used, wherein the proportion of phosphorus pentafluoride and hydrogen chloride, for example, 1 1 to 100 wt .-%, preferably 90 to 100 wt .-% and particularly preferably 95 to 100 wt .-% is.
  • the difference to 100 wt .-%, if present at all, may be chlorine, hydrogen fluoride or inert gases, wherein an inert gas is to be understood here as a gas which does not react with phosphorus pentafluoride, fluorine or hydrogen chloride or lithium fluoride under the usual reaction conditions.
  • an inert gas is to be understood here as a gas which does not react with phosphorus pentafluoride, fluorine or hydrogen chloride or lithium fluoride under the usual reaction conditions.
  • nitrogen, argon and other noble gases or carbon dioxide with nitrogen being preferred.
  • the difference to 100 wt .-%, if any, may alternatively or additionally continue to be hydrogen fluoride.
  • hydrogen fluoride is used, for example, in an amount of 4.5 to 8 mol, preferably 4.8 to 7.5 mol and more preferably 4.8 to 6.0 mol of hydrogen fluoride per mole of phosphorus trichloride used.
  • the gas containing phosphorus pentafluond and hydrogen chloride is therefore typically a gas mixture containing 5 to 41% by weight of phosphorus pentafluond, 6 to 59% by weight of hydrogen chloride and 0 to 50% by weight of hydrogen fluoride, preferably 20 to 41% by weight of phosphorus pentafluond, 40 to 59 wt .-% of hydrogen chloride and 0 to 40 wt .-% of hydrogen fluoride, particularly preferably 33 to 41 wt .-% phosphorus pentafluond, 49 to 59 wt .-% hydrogen chloride and 0 to 18 wt .-% hydrogen fluoride, wherein the proportion of Phosphorus pentafluoride, hydrogen chloride and hydrogen fluoride, for example, 1 1 to 100 wt .-%, preferably 90 to 100 wt .-% and particularly preferably 95 to 100 wt .-% is.
  • gas comprising phosphorus pentafluoride and hydrogen chloride in step a) is understood to mean that the suspension containing lithium fluoride and a first organic solvent is contacted first with hydrogen chloride gas and then with phosphorus pentafluoride gas.
  • gas comprising phosphorus pentafluoride and hydrogen chloride in step a) is understood to mean that the suspension containing lithium fluoride and first organic solvent is first brought into contact with phosphorus pentafluoride gas and subsequently with hydrogen chloride gas.
  • the reaction pressure in step a) is, for example, 500 hPa to 5 MPa, preferably 900 hPa to 1 MPa, and more preferably 0, 1 MPa to 0.5 MPa.
  • the reaction temperature in step a) is for example -60 ° C to 150 ° C, preferably between 20 to 150 ° C and most preferably between -10 ° C and 20 ° C or between 50 and 120 ° C. At temperatures above 120 ° C., it is preferable to work under a pressure of at least 1500 hPa.
  • the reaction time in step a) is for example 10 seconds to 24 hours, preferably 5 minutes to 10 hours.
  • the gas leaving the reaction vessel in an aqueous solution of alkali hydroxide preferably an aqueous solution of potassium hydroxide, more preferably in a 5 to 30 wt .-%, most preferably in a 10 to 20 wt .-%, in particular preferably in a 15 wt .-% solution of potassium hydroxide in water collected.
  • the preparation of the gas or gas mixture used in step a) takes place in the gas phase.
  • the reactors to be used for this purpose preferably tube reactors, in particular stainless steel tubes, and the reaction vessels to be used for the synthesis of the lithium hexafluorophosphate are known to the person skilled in the art and are described, for example, in the Textbook of Technical Chemistry - Volume 1, Chemical Reaction Engineering, M. Baerns, H. Hofmann, A. Renken , Georg Thieme Verlag Stuttgart (1987), pp. 249-256.
  • the contacting according to step a) can be carried out, for example, by introducing the gas containing phosphorus pentafluoride and hydrogen chloride into the suspension.
  • the gas containing phosphorus pentafluoride and hydrogen chloride is passed over the suspension containing lithium fluoride and a first organic solvent.
  • the temperature during the contacting according to step a) can be carried out, for example, from the freezing point to the boiling point of the aqueous medium used, preferably 0 to 100 ° C, more preferably 10 to 60 ° C and particularly preferably 10 to 35 ° C, especially 16 to 24 ° C. ,
  • the pressure during the contacting according to step a) can be, for example, 100 hPa to 2 MPa, 900 hPa to 1200 hPa, in particular ambient pressure is particularly preferred.
  • step a) can be carried out, for example, continuously or batchwise in any reaction vessel known to the person skilled in the art for the reaction of liquids with gases, which is preferably resistant to hydrogen fluoride, such as those of Teflon.
  • the resulting reaction mixture is stirred with lithium fluoride in a first organic solvent during contacting, alternatively during and after contacting, or, alternatively, after contacting the gas containing phosphorus pentafluoride and hydrogen chloride.
  • the contacting can be facilitated by introducing mixing energy e.g. by static or non-static mixing elements.
  • the prepared reaction mixture containing lithium hexafluorophosphate, a first organic solvent and hydrogen chloride is stirred for example for a period of 10 seconds to 24 hours, preferably 5 minutes to 12 hours, more preferably 10 minutes to 4 hours and most preferably 30 minutes to 2 hours and then filtered, preferably through a filter having a pore size of 50 nm.
  • the further organic solvent according to the invention is characterized in that in the other organic solvent lithium hexafluorophosphate a lower solubility than in the first organic solvent.
  • the temperature during the contacting can take place, for example, and preferably from the freezing point to the boiling point of the organic solvent or its low-boiling component used, for example from -45 to 80.degree. C., more preferably from 10 to 60.degree. C. and particularly preferably from 10 to 35.degree , in particular from 16 to 24 ° C.
  • the pressure when contacting can be, for example, from 100 hPa to 2 MPa, preferably from 900 hPa to 1200 hPa, ambient pressure is particularly preferred.
  • Preferred as another organic solvent is toluene.
  • the solubility of lithium hexafluorophosphate in the first organic solvent and in the other organic solvent as such can be determined by a few preliminary experiments.
  • the first organic solvent according to the invention and the further organic solvent are preferably subjected to a drying process prior to their use, more preferably a drying process over a molecular sieve.
  • the content of impurities, in particular water, of the first organic solvent according to the invention and of the further organic solvent should be as low as possible. In one embodiment, it is from 0 to 500 ppm, preferably from 0 to 200 ppm, more preferably from 0 to 100 ppm, and most preferably 1 ppm or less.
  • the contacting of the further organic solvent with the reaction mixture from step a) can be carried out, for example, by adding the reaction mixture containing lithium hexafluorophosphate, a first organic solvent and hydrogen chloride to the initially introduced further organic solvent.
  • any other order of contacting further organic solvent with the reaction mixture of step a) is basically suitable.
  • the contacting can be carried out, for example, such that the reaction mixture from step a) is initially charged and further organic solvent is added.
  • the contacting of the further organic solvent with the reaction mixture from step a) can be carried out, for example, continuously, for example by introducing the further organic solvent or discontinuously, for example by adding in portions, preferably by dropwise addition.
  • Any container known to those skilled in the art of contacting solutions is suitable for contacting.
  • the contacting can be facilitated by introducing mixing energy, for example, by static or non-static mixing elements.
  • the temperature according to step b) can, for example, and preferably from the freezing point to the boiling point of the organic solvent or its low-boiling component used, for example from -45 to 80 ° C, more preferably from 10 to 60 ° C and particularly preferably from 10 to 35 ° C, in particular from 16 to 24 ° C.
  • the pressure during the contacting according to step b) can be, for example, from 100 hPa to 2 MPa, preferably from 900 hPa to 1200 hPa, ambient pressure is particularly preferred.
  • the contacting of the further organic solvent with the reaction mixture from step a) preferably takes place over a period of one second to 48 hours, preferably from 10 seconds to 2 hours, particularly preferably from 30 seconds to 45 minutes and very particularly preferably from 1 minute to 30 minutes.
  • mixing may be achieved by introducing mixing energy, e.g. take place by static or non-static mixing elements.
  • the mixture containing lithium hexafluorophosphate, a first organic solvent and another organic solvent for example, for a period of 10 seconds to 24 Stirred hours, preferably 1 minutes to 12 hours, more preferably 5 minutes to 2 hours and most preferably 10 minutes to 1 hours.
  • step b) leads to a precipitation of the lithium hexafluorophosphate.
  • further contacting with further organic solvent or other organic solvents may be carried out after step b). This has the purpose that in addition to the drying, a further solvent exchange can take place.
  • Separation of the precipitated lithium hexafluorophosphate can be accomplished by any method known to those skilled in the art of solids and liquid separation.
  • the separation can be effected by sedimentation, centrifugation or filtration, for example by pressure filtration or suction filtration.
  • the separation can be carried out, for example, by using a paper filter, polymer filter, a glass frit or a ceramic frit, preferably by a Teflon filter, in particular by a filter with a defined pore size, for example a filter with a pore size of ⁇ 5 ⁇ m, preferably ⁇ 1 ⁇ m, more preferably ⁇ 200 nm.
  • the lithium hexafluorophosphate prepared according to the invention is dissolved in a first organic solvent.
  • the dissolution takes place for example at a temperature of -45 ° C to room temperature, preferably at a temperature of -10 to 10 ° C and more preferably at a temperature of -5 to 5 ° C.
  • This solution is contacted with more organic solvent. This can be done, for example, that the solution of lithium hexafluorophosphate in a first organic Is submitted solvent and further organic solvent is added.
  • the further organic solvent may be charged and the solution of lithium hexafluorophosphate added in a first organic solvent. As already described above, lithium hexafluorophosphate precipitates out as a solid.
  • the precipitated solid can be separated from the first organic solvents and the other organic solvents by the above-described separation methods.
  • the solid lithium hexafluorophosphate can be washed in an alternative embodiment with organic solvent, preferably the other organic solvent described above. Surprisingly, despite the high concentrations of hydrogen chloride in step a), the reaction product lithium hexafluorophosphate contains only small amounts of chloride after completion of step c). Without wishing to be bound by any theory, the Applicant conjectures that the chlorides remain in the first organic solvent. Lithium hexafluorophosphate is less soluble in the other organic solvent and therefore precipitates.
  • Lithium hexafluorophosphate produced according to the invention typically has a content of impurities of 0 to 10,000 ppm, preferably 0 to 5,000 ppm, more preferably 0 to 1, 000 and most preferably 0 to 100 ppm.
  • Examples of typical impurities are hydrolytic decomposition products, in particular lithium difluorophosphate, acids, and metal cations, in particular calcium, chromium, iron, magnesium, molybdenum, cobalt, nickel, cadmium, lead, potassium or sodium and foreign anions, in particular sulfate, hydroxide, bicarbonate and carbonate ,
  • impurities for example acids
  • basic substances for example a base selected from the group consisting of alkaline earth hydroxides, alkaline earth hydrogen carbonates, Alkaline earth carbonates, lithium hydroxide, lithium bicarbonate and lithium carbonate are brought into contact and neutralized.
  • Lithium hexafluorophosphate prepared according to the invention typically has a chloride content of 0 to 100 ppm, preferably 0 to 50 ppm, more preferably 0 to 5 ppm and most preferably 0 to 1 ppm.
  • the chloride content is determined as indicated in the examples.
  • the lithium hexafluorophosphate prepared according to the invention can be further processed, for example, into electrolytes suitable for electrochemical storage devices.
  • the invention further relates to the use of the lithium hexafluorophosphate according to the invention as or for the production of electrolytes for lithium batteries.
  • Electrolytes can be prepared by per se generally known methods by contacting lithium hexafluorophosphate with organic solvent and optionally additives.
  • the invention further relates to a process for preparing electrolytes for lithium batteries, characterized in that the lithium hexafluorophosphate used comprises, according to a process comprising at least the steps a) to c) and optionally d) of the process according to the invention.
  • the electrolytes prepared by the process according to the invention may contain further conductive salts such as, for example, lithium fluorosulfonylimide.
  • the advantage of the invention lies in particular in the efficient procedure and in the small amount of chloride in the lithium hexafluorophosphate prepared according to the invention.
  • Under inert gas condition or inert gas means that the water and oxygen content of the atmosphere is below 1 ppm.
  • the detection limit for chloride ions is 1 ppm.
  • Metal contents were determined by means of a photometric rapid test from Merck (Spectroquant® cuvette test). The photometer used was a Spectroquant Pharo 100 M (Merck).
  • the detection limit for iron is 1.3 ppm.
  • the detection limit for nickel is 2.6 ppm.
  • the detection limit for lead is 2.6 ppm.
  • Examples 1 to 4 were carried out with commercially available phosphorus pentafluoride (99%, but GmbH, CAS 7647-19-0).
  • the phosphorus pentafluoride of Examples 5 and 6 was prepared as follows:
  • Example 3 Preparation of lithium hexafluorophosphate in acetonitrile and subsequent precipitation with toluene
  • Example 4 Preparation of lithium hexafluorophosphate in acetonitrile and subsequent precipitation with toluene and recrystallization
  • Chloride content Below the detection limit
  • Lithium hexafluorophosphate 98.0% by weight
  • EXAMPLE 5 Preparation of Lithium Hexafluorophosphate in Acetonitrile and Subsequent Precipitation with Toluene and Recrystallization 250 ml of acetonitrile and 6.49 g of lithium fluoride were initially charged at room temperature in an argon-filled 500 ml Teflon apparatus without an upstream cooling trap.
  • the gaseous phosphorus pentafluoride / hydrogen chloride mixture (PF 5 / HCl) prepared according to the above procedure was introduced into the resulting suspension until nominally 1 equivalent of phosphorus pentafluoride (calculated from the consumption of PCI 3 , 20 ml consumption) was contained.
  • the resulting reaction mixture was stirred for one hour.
  • the reaction mixture was metered into 500 ml of toluene and stirred for 15 minutes.
  • the precipitated solid was filtered off and blown dry in an argon stream. There was obtained 30.3 g of solid (79% yield). From the solid, a solution (1 1, 8 wt .-% lithium hexafluorophosphate) in dimethyl carbonate / ethylene carbonate (DMC / EC) was prepared.
  • Lithium hexafluorophosphate 80.0% by weight
  • Example 6 Preparation of lithium hexafluorophosphate in acetonitrile and subsequent precipitation with toluene and recrystallization
  • Chloride content Below the detection limit
  • Lithium hexafluorophosphate 99.0% by weight

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von chloridarmem Lithiumhexafluorophosphat ausgehend von Lithiumfluorid und Phosphorpentafluorid und seine Verwendung in einem Elektrolyt.

Description

Chloridarmer Elektrolyt
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von chloridarmem Lithiumhexafluorophosphat ausgehend von Lithiumfluorid und Phosphorpentafluond und seine Verwendung in einem Elektrolyt.
Die Verbreitung von tragbaren elektronischen Geräten, wie z.B. Laptop und Palmtop- Computern, Mobiltelefonen oder Videokameras und damit auch der Bedarf nach leichten und leistungsfähigen Batterien und Akkumulatoren hat in den letzten Jahren weltweit dramatisch zugenommen. Hinzu kommt in Zukunft die Ausrüstung von Elektrofahrzeugen mit derartigen Akkumulatoren und Batterien.
Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) hat insbesondere als Leitsalz in der Herstellung von leistungsfähigen Akkumulatoren eine hohe industrielle Bedeutung erlangt. Um die Funktionsfähigkeit und Lebensdauer und damit die Qualität solcher Akkumulatoren sicherzustellen, ist es von besonderer Wichtigkeit, dass die eingesetzten Lithiumverbindungen möglichst geringe Anteile an Chlorid enthalten. Chloridionen werden aufgrund von Korrosion für Zellenkurzschlüsse verantwortlich gemacht.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Herstellung von Lithiumhexafluorophosphat bekannt. Beispielsweise bietet sich die Herstellung gemäß nachfolgendem Reaktionsschema an:
Stufe 1 PCI3 + 3 HF -> PF3 + 3 HCl
Stufe 2 PF3 + Cl2 -> PCI2F3
Stufe 3 PCI2F3 + 2 HF -> PF5 + 2 HCl
Stufe 4 PF5 + LiF -> LiPF6
DE19712988A1 beschreibt ein batchweise betriebenes Verfahren ausgehend von Phosphortrichlorid (PCI3). In einem Versuchsreaktor wurden Lithiumfluorid vorgelegt und bei 150°C unter Argon ausgeheizt. In einem Laborautoklaven wurde Phosphortrichlorid vorgelegt, dann Fluorwasserstoff und dann elementares Chlor zudosiert. Das resultierende Gasgemisch aus Chlorwasserstoff und Phosphorpentafluond wurde über das Lithiumfluorid im Versuchsreaktor geleitet um Lithiumhexafluorophosphat zu erhalten. JP1 1 171518A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Lithiumhexafluorophosphat, das ausgehend von Phosphortrichlorid und Fluorwasserstoff über Phosphortrifluorid verläuft, wobei letzteres mit elementarem Chlor zunächst zu Phosphordichloridtrifluorid, dieses wiederum mit Fluorwasserstoff zu Phosphorpentafluorid und letzteres schließlich mit Lithiumfluorid zu Lithiumhexafluorophosphat in einem organischen Lösungsmittel umgesetzt wird. Als organische Lösungsmittel werden Diethylether und Dimethylcarbonat eingesetzt. Zwar weist JP 1 1 171518 A2 auf das Entstehen von toxischem HCl Gas hin, jedoch gibt es im Stand der Technik keine Hinweise auf den Chlorid-Gehalt im erhaltenen Lithiumhexafluorophosphat. Die Verfahrensführung lässt jedoch einen signifikanten Chlorid-Gehalt vermuten.
US3594402 beschreibt die Herstellung von verbesserten Lithiumhexafluorophosphat aus Tetraacetonitrillithiumhexafluorophosphat durch Reaktion von Lithiumfluorid und Phosphorpentafluorid mit überschüssigem Acetonitril. Die Entfernung des überschüssigen Acetonitrils erfolgt unter Vakuum.
Es ist des Weiteren beispielsweise aus US5378445 ein Verfahren zur Herstellung von Lösungen von Lithiumhexafluorophosphat bekannt, umfassend die Umsetzung eines Lithiumsalzes, unter basischen Bedingungen, mit einem Salz, das aus Natrium, Kalium, Ammonium oder einem Organo-Ammoniumhexafluorophosphat Salz in einem niedrig siedenden, nicht-protischen organischen Lösungsmittel. Dabei wird eine Lösung, enthaltend Lithiumhexafluorophosphat und ein gefälltes Natrium, Kalium, Ammonium oder Organo-Ammoniumsalz, enthaltend das Anion des Lithiumsalz-Reaktionspartners, erhalten.
In DE20261 10 ist ein Verfahren zur Herstellung von Hexafluorophosphatsalzen von Lithiumtetraacetonitril beschrieben, dadurch gekennzeichnet, dass ein stöchiometrischer Überschuss an Acetonitril mit Hexafluorophosphatsalzen des Lithiums bei einer Temperatur von etwa -40°C bis etwa 80°C umgesetzt wird. Die Entfernung des Acetonitrils erfolgt bei Unterdruck.
In J. Liu, X. Li, Z. Wang, H. Guo, W. Peng, Y. Zhang, Q. Hu, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 2010, 20, 344-348, wird eine Herstellungsmethode für Lithiumhexafluorophosphat beschrieben. Zunächst wird Phosphorpentafluorid aus Calciumfluorid und Phosphorpentoxid hergestellt. Lithiumhexafluorophosphat wurde synthetisiert in einer Acetonitril-Lösung durch die Reaktion von Lithiumfluorid mit Phosphorpentafluond bei Raumtemperatur. Die Reinheit des hergestellten Lithiumhexafluorophosphats lag bei 99,98%.
Der Stand der Technik zeigt, dass es technisch sehr aufwändig ist, hohe Reinheiten für Lithiumhexafluorophosphat zu erzielen und insbesondere Gehalt an Chlorid niedrig zu halten. Mit den bislang bekannten Verfahren zur Herstellung von Lithiumhexafluorophosphat kann folglich nicht jedes Reinheitserfordernis erfüllt werden.
Demgemäß lag eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin in der Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur Herstellung von chloridarmem Lithiumhexafluorophosphat.
Die Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung von chloridarmem Lithiumhexafluorophosphat, umfassend zumindest die Schritte a) Inkontaktbringen von Lithiumfluorid in einem ersten organischen Lösungsmittel enthaltend ein Nitril mit einem Gas enthaltend Phosphorpentafluond und Chlorwasserstoff, wobei ein Reaktionsgemisch enthaltend Lithiumhexafluorophosphat, ein erstes organisches Lösungsmittel enthaltend ein Nitril und Chlorwasserstoff erhalten wird, b) Inkontaktbringen des gemäß a) gebildeten Reaktionsgemischs mit weiterem organischen Lösungsmittel, das vom ersten organischen Lösungsmittel verschieden ist, wobei Lithiumhexafluorophosphat ausfällt und c) Abtrennen von ausgefallenem Lithiumhexafluorophosphat,
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Rahmen der Erfindung alle beliebigen und möglichen Kombinationen der oben stehenden und im Folgenden aufgeführten, allgemeinen oder in Vorzugsbereichen genannten Komponenten, Wertebereiche bzw. Verfahrensparameter umfasst.
In Schritt a) wird Lithiumfluorid in einem ersten organischen Lösungsmittel mit einem Gas enthaltend Phosphorpentafluond und Chlorwasserstoff in Kontakt gebracht, wobei ein Reaktionsgemisch enthaltend Lithiumhexafluorophosphat, ein erstes organisches Lösungsmittel und Chlorwasserstoff erhalten wird.
Das in Schritt a) eingesetzte Lithiumfluorid besitzt beispielsweise einen Reinheitsgrad von 98,0000 bis 99,9999 Gew.-%, vorzugsweise 99,0000 bis 99,9999 Gew.-%, weiter bevorzugt 99,9000 bis 99,9995 Gew.-%, besonders bevorzugt 99,9500 bis 99,9995 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 99,9700 bis 99,9995 Gew.-% bezogen auf wasserfreies Produkt.
Das eingesetzte Lithiumfluorid besitzt weiterhin vorzugsweise an Fremdionen:
1 ) einen Gehalt von 0,1 bis 250 ppm, bevorzugt 0,1 bis 75 ppm, weiter bevorzugt 0,1 bis 50 und besonders bevorzugt 0,5 bis 10 ppm und ganz besonders bevorzugt 0,5 bis 5 ppm Natrium in ionischer Form,
2) einen Gehalt von 0,01 bis 200 ppm, bevorzugt 0,01 bis 10 ppm, weiter bevorzugt 0,5 bis 5 ppm und besonders bevorzugt 0,1 bis 1 ppm Kalium in ionischer Form,
3) einen Gehalt von 0,05 bis 500 ppm, bevorzugt 0,05 bis 300 ppm, weiter bevorzugt 0, 1 bis 250 ppm und besonders bevorzugt 0,5 bis 100 ppm Calcium in ionischer Form und/oder
4) einen Gehalt von 0,05 bis 300 ppm, vorzugsweise 0,1 bis 250 ppm und besonders bevorzugt 0,5 bis 50 ppm Magnesium in ionischer Form.
Das eingesetzte Lithiumfluorid besitzt weiterhin beispielsweise an Fremdionen i) einen Gehalt von 0,1 bis 1000 ppm, bevorzugt von 0,1 bis 100 ppm und besonders bevorzugt 0,5 bis 10 ppm Sulfat und/oder ii) einen Gehalt von 0,1 bis 1000 ppm, vorzugsweise 0,5 bis 500 ppm Chlorid, ebenfalls bezogen auf das wasserfreie Produkt und wobei gilt, dass die Summe von Lithiumfluorid und den vorgenannten Fremdionen 1 ,000,000 ppm bezogen auf das Gesamtgewicht des technischen Lithiumcarbonats bezogen auf das wasserfreie Produkt nicht überschreitet.
In einer Ausführungsform enthält das Lithiumfluorid einen Gehalt an Fremdmetallionen von insgesamt 1000 ppm oder weniger, vorzugsweise 300 ppm oder weniger, besonders bevorzugt 20 ppm oder weniger und ganz besonders bevorzugt 10 ppm oder weniger.
Die hierin gemachten ppm-Angaben beziehen sich, sofern nicht explizit anders angegeben, generell auf Gewichtsanteile, die Gehalte der genannten Kationen und Anionen werden durch lonenchromatographie, gemäß Angaben im experimentellen Teil, ermittelt, sofern nicht anders angegeben. Das Lithiumfluorid mit vorgenannten Spezifikationen kann beispielsweise nach einem Verfahren gewonnen werden, das zumindest folgende Schritte umfasst: i) Bereitstellung eines wässrigen Mediums enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat ii) Umsetzung des gemäß a) bereitgestellten wässrigen Mediums mit gasförmigem Fluorwasserstoff zu einer wässrigen Suspension von festem Lithiumfluorid iii) Abtrennung des festen Lithiumfluorid aus der wässrigen Suspension iv) Trocknung des abgetrennten Lithiumfluorids.
Gemäß Schritt i) wird eine wässrige Lösung enthaltend Lithiumcarbonat bereitgestellt.
Unter dem Begriff „wässriges Medium enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat" ist hier ein flüssiges Medium zu verstehen, das i) gelöstes Lithiumcarbonat enthält, vorzugsweise in einer Menge von mindestens 2,0 g/l, besonders bevorzugt 5,0 g/l bis zur maximalen Löslichkeit im wässrigen Medium bei der gewählten Temperatur, ganz besonders bevorzugt 7,0 g/l bis zur maximalen Löslichkeit im wässrigen Medium bei der gewählten Temperatur. Insbesondere beträgt der Gehalt an Lithiumcarbonat 7,2 bis 15,4 g/l. Dem Fachmann ist bekannt, dass die Löslichkeit von Lithiumcarbonat in reinem Wasser bei 0°C 15,4 g/l bei 20°C 13,3 g/l, bei 60°C 10,1 g/l und bei 100°C 7,2 g/l beträgt und folglich gewisse Konzentrationen nur bei bestimmten Temperaturen erreicht werden können ii) einen Gewichtsanteil von mindestens 50 % an Wasser, vorzugsweise 80 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des flüssigen Mediums enthält, und iii) vorzugsweise auch feststofffrei ist oder einen Feststoffgehalt von mehr als 0,0 bis zu 0,5 Gew.-%, vorzugsweise feststofffrei ist oder einen Feststoffgehalt von mehr als 0,0 bis zu 0,1 Gew.-%, besonders bevorzugt feststofffrei ist oder einen Feststoffgehalt von mehr als 0,0 bis zu 0,005 Gew. und besonders bevorzugt feststofffrei ist, wobei die Summe der Komponenten i), ii) und vorzugsweise iii) maximal 100 Gew.-%, vorzugsweise 98 bis 100 Gew.-% und besonders bevorzugt 99 bis 100 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des wässrigen Mediums enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat beträgt.
Das wässrige Medium enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung als weitere Komponente iv) zumindest ein mit Wasser mischbares organisches Lösungsmittel enthalten.
Geeignete, mit Wasser mischbare organische Lösungsmittel sind beispielsweise ein- oder mehrwertige Alkohole wie Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Butanol, Ethylengylcol, Ethylenglycolmonomethylether,
Ethylenglycolmonoethylether, Propylenglycol, 1 ,3-Propandiol oder Glycerin, Ketone wie Aceton oder Ethylmethylketon.
Sofern das wässrige Medium enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat zumindest ein mit Wasser mischbares organisches Lösungsmittel enthält, kann deren Anteil beispielsweise mehr als 0,0 Gew.-% bis 20 Gew.-% betragen, vorzugsweise 2 bis 10 Gew.-%, wobei dann jeweils gilt, dass die Summe der Komponenten i), ii), iii) und iv) maximal 100 Gew.- %, vorzugsweise 95 bis 100 Gew.-% und besonders bevorzugt 98 bis 100 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des wässrigen Mediums enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat beträgt.
Vorzugsweise ist das wässrige Medium enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat jedoch frei von mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmitteln. Das wässrige Medium enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat kann als weitere Komponente v) einen Komplexbildner enthalten, vorzugsweise in einer Menge von 0,001 bis 1 Gew.-%, vorzugsweise 0,005 bis 0,2 Gew-% bezogen auf das Gesamtgewicht des wässrigen Mediums enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat. Komplexbildner sind vorzugsweise solche, deren Komplexe mit Calcium-Ionen und Magnesium-Ionen Komplexe bilden, die bei einem pH-Wert von 8 und 20°C eine Löslichkeit von mehr als 0,02 mol/l besitzen. Beispiele für geeignete Komplexbildner sind Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) und seine Alkalimetall- oder Ammoniumsalze, wobei Ethylendiamintetraessigsäure bevorzugt ist. In einer Ausführungsform ist das wässrige Medium enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat jedoch frei von Komplexbildnern. Zur Bereitstellung der wässrigen Lösung enthaltend Lithiumcarbonat wird vorzugsweise so vorgegangen, dass festes Lithiumcarbonat mit einem lithiumcarbonatfreien oder lithiumcarbonatarmen wässrigen Medium in Kontakt gebracht wird, so dass das feste Lithiumcarbonat zumindest teilweise in Lösung geht. Unter einem Lithiumcarbonatarmen, wässrigen Medium wird ein wässriges Medium verstanden, das einen Gehalt an Lithiumcarbonat von bis zu 1 ,0 g/l, vorzugsweise bis zu 0,5 g/l Lithiumcarbonat aufweist aber nicht frei von Lithiumcarbonat ist.
Das zur Bereitstellung eingesetzte wässrige Medium erfüllt die Bedingungen die oben unter ii) und iii) genannt sind und weist optional die Komponenten iv) und v) auf. Im einfachsten Fall ist das wässrige Medium Wasser, vorzugsweise Wasser mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 5 MQ«cm bei 25°C oder mehr.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Schritte i) bis iv) ein- oder mehrfach wiederholt, ein- oder mehrfach wiederholt. In diesem Fall wird bei der Wiederholung zur Bereitstellung des wässrigen Mediums enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat als lithiumcarbonatfreies oder lithiumcarbonatarmes wässriges Medium das wässrige Medium eingesetzt, dass in einem vorangegangenen Schritt iii) bei der Abtrennung von festem Lithiumfluorid aus der wässrigen Suspension von Lithiumfluorid anfällt. In diesem Fall enthält das lithiumcarbonatfreie oder lithiumcarbonatarme wässrige Medium gelöstes Lithiumfluorid, typischerweise bis zur Sättigungsgrenze bei der jeweiligen Temperatur. In einer Ausführungsform kann das Inkontaktbringen des lithiumcarbonatfreien oder - armen, wässrigen Mediums mit dem festen Lithiumcarbonat in einem Rührreaktor, einem Durchflussreaktor oder jeder anderen Apparatur erfolgen, die dem Fachmann für die Kontaktierung von flüssigen mit festen Stoffen bekannt ist. Vorzugsweise wird im Sinne einer kurzen Verweildauer und der Erzielung einer möglichst nah am Sättigungspunkt liegenden Konzentration an Lithiumcarbonat im eingesetzten wässrigen Medium ein Überschuss an Lithiumcarbonat eingesetzt, d.h. so viel, dass eine vollständige Auflösung des festen Lithiumcarbonats nicht erfolgen kann. Um in diesem Fall den Feststoffanteil gemäß ii) zu begrenzen erfolgt anschließend eine Filtration, Sedimentation, Zentrifugation oder ein anderes, beliebiges Verfahren, das dem Fachmann zur Abtrennung von Feststoffen aus oder von Flüssigkeit bekannt ist, wobei die Filtration bevorzugt ist.
Sofern die Verfahrensschritte i) bis iii) wiederholt und/oder kontinuierlich durchgeführt werden, ist eine Filtration durch einen Querstromfilter bevorzugt. Die Temperatur beim Inkontaktbringen kann beispielsweise vom Gefrierpunkt bis zum Siedepunkt des eingesetzten wässrigen Mediums erfolgen, vorzugsweise 0 bis 100°C, besonders bevorzugt 10 bis 60°C und besonders bevorzugt 10 bis 35°C, insbesondere 16 bis 24°C.
Der Druck beim Inkontaktbringen kann beispielsweise 100 hPa bis 2 MPa betragen, 900 hPa bis 1200 hPa, insbesondere Umgebungsdruck ist besonders bevorzugt.
Unter technischem Lithiumcarbonat wird im Rahmen der Erfindung Lithiumcarbonat verstanden, das einen Reinheitsgrad von 95,0 bis 99,9 Gew.-% vorzugsweise 98,0 bis 99,8 Gew.-% und besonders bevorzugt 98,5 bis 99,8 Gew.-% bezogen auf wasserfreies Produkt besitzt.
Vorzugsweise enthält das technische Lithiumcarbonat weiterhin an Fremdionen, d.h. an Ionen, die nicht Lithium- oder Carbonat-Ionen sind
1 ) einen Gehalt von 200 bis 5000 ppm, vorzugsweise 300 bis 2000 und besonders bevorzugt 500 bis 1200 ppm Natrium in ionischer Form und/oder
2) einen Gehalt von 5 bis 1000 ppm, vorzugsweise 10 bis 600 ppm Kalium in ionischer Form und/oder
3) einen Gehalt von 50 bis 1000 ppm, vorzugsweise 100 bis 500 und besonders bevorzugt 100 bis 400 ppm Calcium in ionischer Form und/oder
4) einen Gehalt von 20 bis 500 ppm, vorzugsweise 20 bis 200 und besonders bevorzugt 50 bis 100 ppm Magnesium in ionischer Form.
5) einen Gehalt von 50 bis 1000 ppm, vorzugsweise 100 bis 800 ppm Sulfat und/oder
6) einen Gehalt von 10 bis 1000 ppm, vorzugsweise 100 bis 500 ppm Chlorid, ebenfalls bezogen auf das wasserfreie Produkt.
Generell gilt, dass die Summe von Lithiumcarbonat und den vorgenannten Fremdionen 1 ) bis 4) sowie gegebenenfalls i) und ii) 1 ,000,000 ppm bezogen auf das Gesamtgewicht des technischen Lithiumcarbonats bezogen auf das wasserfreie Produkt nicht überschreitet. In einer weiteren Ausführungsform weist das technische Lithiumcarbonat eine Reinheit von 98,5 bis 99,5 Gew.-% und einen Gehalt von 500 bis 2000 ppm an Fremdmetallionen d.h. Natrium, Kalium, Magnesium und Calcium auf.
In einer weiteren Ausführungsform weist das technische Lithiumcarbonat vorzugsweise zusätzlich einen Gehalt von 100 bis 800 ppm an Fremdanionen, d.h. Sulfat oder Chlorid bezogen auf das wasserfreie Produkt auf.
Die hierin gemachten ppm-Angaben beziehen sich, sofern nicht explizit anders angegeben, generell auf Gewichtsanteile, die Gehalte der genannten Kationen und Anionen werden durch lonenchromatographie ermittelt, sofern nicht anders angegeben gemäß Angaben im experimentellen Teil.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bereitstellung des wässrigen Mediums enthaltend Lithiumcarbonat bzw. das Inkontaktbringen eines lithiumcarbonatfreien oder -armen, wässrigen Mediums mit festem Lithiumcarbonat batchweise oder kontinuierlich, wobei die kontinuierliche Durchführung bevorzugt ist. Das gemäß Schritt i) bereitgestellte wässrige Medium enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat weist typischerweise einen pH-Wert von 8,5 bis 12,0, vorzugsweise von 9,0 bis 1 1 ,5 gemessen oder berechnet auf 20°C und 1013 hPa auf.
Bevor das gemäß Schritt i) bereitgestellte wässrige Medium enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat in Schritt üb) eingesetzt wird, kann es über einen lonentauscher geleitet werden, um insbesondere Calcium- und Magnesiumionen zumindest teilweise zu entfernen. Dafür können beispielsweise schwach- als auch stark saure Kationenaustauscher eingesetzt werden. Für den Einsatz im erfindungsgemäßen Verfahren können die Ionenaustauscher in Vorrichtungen, wie beispielsweise Durchflusssäulen, die mit den oben beschriebenen Kationenaustauschern beispielsweise in Form von Pulvern, Perlen oder Granulaten befüllt sind, eingesetzt werden.
Besonders geeignet sind lonentauscher enthaltend Copolymerisate von zumindest Styrol und Divinylbenzol, die weiterhin beispielsweise Aminoalkylenphosphonsäure-Gruppen oder Iminodiessigsäure-Gruppen enthalten.
Solche lonentauscher sind beispielsweise solche des Typs Lewatit TM wie beispielsweise Lewatit TM OC 1060 (AMP-Typ), Lewatit TM TP 208 (IDA-Typ), Lewatit TM E 304/88, Lewatit TM S 108, Lewatit TP 207, Lewatit TM S 100; solche des Typs Amberlite TM, wie beispielsweise Amberlite TM IR 120, Amberlite TM IRA 743; solche des Typs Dowex TM, wie beispielsweise Dowex TM HCR; solche des Typs Duolite, wie beispielsweise Duolite TM C 20, Duolite TM C 467, Duolite TM FS 346; und solche des Typs Imac TM, wie beispielsweise Imac TM TMR, wobei Lewatit TM Typen bevorzugt sind.
Bevorzugt werden solche lonentauscher eingesetzt, die möglichst natriumarm sind. Dazu ist es vorteilhaft, den lonentauscher vor seinem Einsatz mit der Lösung eines Lithiumsalzes, vorzugsweise einer wässrigen Lösung von Lithiumcarbonat zu spülen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens findet keine Behandlung mit lonentauschern statt.
Gemäß Schritt ii) erfolgt die Umsetzung des gemäß Schritt i) bereitgestellten wässrigen Mediums enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat mit gasförmigem Fluorwasserstoff zu einer wässrigen Suspension von festem Lithiumfluorid.
Die Umsetzung kann beispielsweise durch Einleiten oder Überleiten eines gasförmigen Fluorwasserstoff enthaltenen Gasstromes in oder über das wässrige Mediums enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat erfolgen oder durch Versprühen, Vernebeln oder Durchfließen des wässrigen Mediums enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat in oder durch ein Gas enthaltend gasförmigen Fluorwasserstoff.
Aufgrund der sehr starken Löslichkeit von gasförmigem Fluorwasserstoff in wässrigen Medien ist Überleiten, Versprühen, Vernebeln oder Durchfließen bevorzugt wobei Überleiten noch weiter bevorzugt ist.
Als gasförmigen Fluorwasserstoff enthaltenen Gasstrom oder Gas enthaltend gasförmigen Fluorwasserstoff kann entweder gasförmiger Fluorwasserstoff als solcher eingesetzt werden oder ein Gas enthaltend gasförmigen Fluorwasserstoff und ein Inertgas, wobei unter einem Inertgas ein Gas zu verstehen ist, dass unter den üblichen Reaktionsbedingungen nicht mit Lithiumfluorid reagiert. Beispiele sind Luft, Stickstoff, Argon und andere Edelgase oder Kohlendioxid, wobei Luft und noch mehr Stickstoff bevorzugt sind.
Der Anteil an Inertgas kann beliebig variieren und beispielsweise 0,01 bis 99 Vol.-% betragen, vorzugsweise 1 bis 20 Vol.-%. Bei der Umsetzung gemäß Schritt ii) entsteht Lithiumfluorid, das aufgrund der Tatsache, dass es im wässrigen Medium schwerer löslich ist als Lithiumcarbonat, ausfällt und folglich eine wässrige Suspension von festem Lithiumfluorid bildet. Dem Fachmann ist bekannt, dass Lithiumfluorid eine Löslichkeit von etwa 2,7 g/l bei 20°C besitzt. Die Umsetzung erfolgt vorzugsweise derart, dass die resultierende wässrigen Suspension von festem Lithiumfluorid einen pH-Wert von 3,5 bis 8,0, vorzugsweise 4,0 bis 7,5 und besonders bevorzugt 5,0 bis 7,2 erreicht. Bei den genannten pH-Werten wird Kohlendioxid freigesetzt. Um dessen Freisetzung aus der Suspension zu ermöglichen ist es vorteilhaft die Suspension beispielsweise zu Rühren oder über statische Mischelemente zu leiten.
Die Temperatur bei der Umsetzung gemäß Schritt ii) kann beispielsweise vom Gefrierpunkt bis zum Siedepunkt des eingesetzten wässrigen Mediums enthaltend gelöstes Lithiumcarbonat betragen, vorzugsweise 0 bis 65°C, besonders bevorzugt 15 bis 45°C und besonders bevorzugt 15 bis 35°C, insbesondere 16 bis 24°C. Der Druck bei der Umsetzung gemäß Schritt ii) kann beispielsweise 100 hPa bis 2 MPa betragen, 900 hPa bis 1200 hPa, insbesondere Umgebungsdruck ist besonders bevorzugt.
Gemäß Schritt iii) erfolgt die Abtrennung des festen Lithiumfluorids aus der wässrigen Suspension. Die Abtrennung erfolgt beispielsweise durch Filtration, Sedimentation, Zentrifugation oder ein anderes, beliebiges Verfahren, das dem Fachmann zur Abtrennung von Feststoffen aus oder von Flüssigkeiten bekannt ist, wobei die Filtration bevorzugt ist.
Sofern das Filtrat für Schritt i) wieder eingesetzt wird und die Verfahrensschritte a) bis c) wiederholt durchgeführt werden , ist eine Filtration durch einen Querstromfilter bevorzugt.
Das so erhaltene feste Lithiumfluorid besitzt typischerweise noch eine Restfeuchte von 1 bis 40 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 30 Gew.-%.
Bevor das gemäß Schritt iii) abgetrennte Lithiumfluorid gemäß Schritt iv) getrocknet wird kann es mit Wasser oder einem Medium enthaltend Wasser und mit Wasser mischbare organische Lösungsmittel ein- oder mehrfach gewaschen werden. Wasser ist bevorzugt. Wasser mit einem elektrischen Widerstand von 15 MQ«cm bei 25°C oder mehr ist besonders bevorzugt. Aus Schritt iii) am festen Lithiumfluorid anhaftendes Wasser mit Fremdionen wird dadurch weitestgehend entfernt.
Gemäß Schritt iv) wird das Lithiumfluorid getrocknet. Die Trocknung kann in jedem dem Fachmann zur Trocknung bekannten Apparatur durchgeführt werden. Vorzugsweise erfolgt die Trocknung durch Erhitzen des Lithiumfluorids, vorzugsweise auf 100 bis 800°C besonders bevorzugt 200 bis 500°C.
Als erstes organisches Lösungsmittel kann beispielsweise ein Nitril, eine Kombination aus Nitrilen oder eine Kombination aus zumindest einem Nitril mit zumindest einem organischen Lösungsmittel, das kein Nitril ist, verwendet werden.
Beispiele für geeignete Nitrile sind Acetonitril, Propannitril und Benzonitril. Insbesondere bevorzugt wird Acetonitril eingesetzt.
Beispielsweise beträgt das Molverhältnis von eingesetzten Nitrilen zur vorliegenden Menge an Lithiumionen im Reaktionsgemisch aus Schritt a) mindestens 1 :1 , bevorzugt mindestens 10:1 und besonders bevorzugt mindestens 50:1 und ganz besonders bevorzugt mindestens 100:1 .
Sofern als erstes organisches Lösungsmittel solche eingesetzt werden, die kein Nitril sind, werden bevorzugt solche organischen Lösungsmittel eingesetzt, die bei Raumtemperatur flüssig sind und einen Siedepunkt von 300°C oder weniger bei 1013 hPa aufweisen und die weiterhin zumindest ein Sauerstoffatom oder ein Stickstoffatom oder beide enthalten.
Bevorzugte organische Lösungsmittel sind dabei solche, die keine Protonen aufweisen, die einen pKs-Wert bei 25°C bezogen auf Wasser oder ein wässriges Vergleichssystem von weniger als 20 aufweisen. Solche organischen Lösungsmittel werden in der Literatur auch als„aprotische" Lösungsmittel bezeichnet.
Beispiele für solche weiteren organischen Lösungsmittel sind bei Raumtemperatur flüssige Ester, organische Carbonate, Ketone, Ether, Säureamide oder Sulfone. Beispiele für Ether sind Diethylether, Diisopropylether, Methyl-tert.-butylether, Ethylenglycoldimethyl und -diethylether, 1 ,3-Propandioldimethyl und -diethylether, Dioxan und Tetra hydrofu ran.
Beispiele für Ester sind Essigsäuremethyl- und -ethylester und Butylacetat oder organische Carbonate wie Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC) oder Propylencarbonat (PC) oder Ethylencarbonat (EC).
Ein Beispiel für ein Sulfon ist Sulfolan.
Beispiele für Ketone sind Aceton, Methylethylketon und Acetophenon.
Beispiele für Säureamide sind N,N-Dimethylformamid, Ν,Ν-Dimethylacetamid, N-Methyl- formanilid, N-Methylpyrrolidon oder Hexamethylphosphorsäuretriamid.
Das erfindungsgemäße erste organische Lösungsmittel kann auch mehrere der genannten organischen Lösungsmitteln enthalten.
In einer alternativen Ausführungsform wird festes Lithiumfluorid und mit einem ersten organischen Lösungsmittel in Kontakt gebracht.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird ein erstes organisches Lösungsmittel vorgelegt und festes Lithiumfluorid zugegeben.
Die dabei entstehende Suspension enthaltend Lithiumfluorid und ein erstes organisches Lösungsmittel wird mit Gas enthaltend Phosphorpentafluorid und Chlorwasserstoff in Kontakt gebracht.
In einer alternativen Ausführungsform erfolgt das Inkontaktbringen von Lithiumfluorid und ein erstes organisches Lösungsmittel unter Inertgas, bevorzugt unter Argon.
Das in Schritt a) eingesetzte Gas enthaltend Phosphorpentafluorid und Chlorwasserstoff kann dabei in an sich bekannter Weise durch ein Verfahren hergestellt werden, das zumindest die folgenden Schritte umfasst.
1 ) Umsetzung von Phosphortrichlorid mit Fluorwasserstoff zu Phosphortrifluorid und Chlorwasserstoff
2) Umsetzung von Phosphortrifluorid mit elementarem Chlor zu Phosphordichlorid- trifluorid 3) Umsetzung von Phosphordichloridtrifluorid mit Fluorwasserstoff zu Phosphorpentafluond und Chlorwasserstoff
Als Gas enthaltend Phosphorpentafluond und Chlorwasserstoff wird daher typischerweise ein Gasgemisch enthaltend 5 bis 41 Gew.-% Phosphorpentafluond und 6 bis 59 Gew.-% Chlorwasserstoff, vorzugsweise 20 bis 41 Gew.-% Phosphorpentafluond und 40 bis 59 Gew.-% Chlorwasserstoff, besonders bevorzugt 33 bis 41 Gew.-% Phosphorpentafluond und 49 bis 59 Gew.-% Chlorwasserstoff eingesetzt werden, wobei der Anteil von Phosphorpentafluond und Chlorwasserstoff beispielsweise 1 1 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 90 bis 100 Gew.-% und besonders bevorzugt 95 bis 100 Gew.-% beträgt.
Die Differenz zu 100 Gew.-%, sofern überhaupt vorhanden, können Chlor, Fluorwasserstoff oder Inertgase sein, wobei unter einem Inertgas hier ein Gas zu verstehen ist, das unter den üblichen Reaktionsbedingungen nicht mit Phosphorpentafluond, Fluor- oder Chlorwasserstoff oder Lithiumfluorid reagiert. Beispiele sind Stickstoff, Argon und andere Edelgase oder Kohlendioxid, wobei Stickstoff bevorzugt ist.
Die Differenz zu 100 Gew.-%, sofern überhaupt vorhanden, kann alternativ oder ergänzend weiterhin Fluorwasserstoff sein.
Bezogen auf den Gesamtprozess über die Stufen 1 ) bis 3) wird Fluorwasserstoff beispielsweise in einer Menge von 4,5 bis 8 mol, vorzugsweise 4,8 bis 7,5 mol und besonders bevorzugt 4,8 bis 6,0 mol Fluorwasserstoff pro mol Phosphortrichlorid eingesetzt.
Typischerweise ist das Gas enthaltend Phosphorpentafluond und Chlorwasserstoff daher ein Gasgemisch enthaltend 5 bis 41 Gew.-% Phosphorpentafluond, 6 bis 59 Gew.- % Chlorwasserstoff und 0 bis 50 Gew.-% Fluorwasserstoff, vorzugsweise 20 bis 41 Gew.-% Phosphorpentafluond, 40 bis 59 Gew.-% Chlorwasserstoff und 0 bis 40 Gew.-% Fluorwasserstoff, besonders bevorzugt 33 bis 41 Gew.-% Phosphorpentafluond, 49 bis 59 Gew.-% Chlorwasserstoff und 0 bis 18 Gew.-% Fluorwasserstoff, wobei der Anteil von Phosphorpentafluond, Chlorwasserstoff und Fluorwasserstoff beispielsweise 1 1 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 90 bis 100 Gew.-% und besonders bevorzugt 95 bis 100 Gew.-% beträgt. In einer alternativen Ausführungsform ist die Bezeichnung Gas enthaltend Phosphorpentafluorid und Chlorwasserstoff in Schritt a) so zu verstehen, dass die Suspension enthaltend Lithiumfluorid und ein erstes organisches Lösungsmittel zuerst mit Chlorwasserstoffgas und anschließend Phosphorpentafluorid-Gas in Kontakt gebracht wird.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Bezeichnung Gas enthaltend Phosphorpentafluorid und Chlorwasserstoff in Schritt a) so zu verstehen, dass die Suspension enthaltend Lithiumfluorid und erstes organisches Lösungsmittel zuerst mit Phosphorpentafluorid-Gas und anschließend mit Chlorwasserstoffgas in Kontakt gebracht.
Der Reaktionsdruck in Schritt a) beträgt beispielsweise 500 hPa bis 5 MPa, vorzugsweise 900 hPa bis 1 MPa und besonders bevorzugt 0, 1 MPa bis 0,5 MPa.
Die Reaktionstemperatur in Schritt a) beträgt beispielsweise -60°C bis 150°C, bevorzugt zwischen 20 bis 150°C und ganz besonders bevorzugt zwischen -10°C und 20°C oder zwischen 50 und 120°C. Bei Temperaturen von über 120°C ist es bevorzugt unter einem Druck von mindestens 1500 hPa zu arbeiten.
Die Reaktionszeit in Schritt a) beträgt beispielsweise 10 Sekunden bis 24 Stunden, bevorzugt 5 Minuten bis 10 Stunden.
Bei Einsatz eines Gases enthaltend Phosphorpentafluorid und Chlorwasserstoff wird das das Reaktionsgefäß verlassende Gas in einer wässrigen Lösung von Alkalihydroxid, bevorzugt einer wässrigen Lösung von Kaliumhydroxid, besonders bevorzugt in einer 5 bis 30 gew.-%igen, ganz besonders bevorzugt in einer 10 bis 20 gew.-%igen, insbesondere bevorzugt in einer 15 gew.-%igen Lösung von Kaliumhydroxid in Wasser aufgefangen . Vorzugsweise erfolgt die Herstellung des in Schritt a) eingesetzten Gases oder Gasgemisches in der Gasphase. Die dafür einzusetzenden Reaktoren, bevorzugt Rohrreaktoren, insbesondere Edelstahlrohre, sowie die für die Synthese des Lithiumhexafluorophosphats einzusetzenden Reaktionsgefäße sind dem Fachmann bekannt und beispielsweise beschrieben im Lehrbuch der Technischen Chemie - Band 1 , Chemische Reaktionstechnik, M. Baerns, H. Hofmann, A. Renken, Georg Thieme Verlag Stuttgart (1987), S. 249 - 256. Das Inkontaktbringen gemäß Schritt a) kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Gas enthaltend Phosphorpentafluorid und Chlorwasserstoff in die Suspension eingeleitet wird.
In einer alternativen Ausführungsform wird das Gas enthaltend Phosphorpentafluorid und Chlorwasserstoff über die Suspension enthaltend Lithiumfluorid und ein erstes organisches Lösungsmittel geleitet.
Die Temperatur beim Inkontaktbringen gemäß Schritt a) kann beispielsweise vom Gefrierpunkt bis zum Siedepunkt des eingesetzten wässrigen Mediums erfolgen, vorzugsweise 0 bis 100°C, besonders bevorzugt 10 bis 60°C und besonders bevorzugt 10 bis 35°C, insbesondere 16 bis 24°C.
Der Druck beim Inkontaktbringen gemäß Schritt a) kann beispielsweise 100 hPa bis 2 MPa betragen, 900 hPa bis 1200 hPa, insbesondere Umgebungsdruck ist besonders bevorzugt.
Das Inkontaktbringen gemäß Schritt a) kann beispielsweise kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen in jedem dem Fachmann für die Umsetzung von Flüssigkeiten mit Gasen bekannten Reaktionsgefäß, das vorzugsweise gegen Fluorwasserstoff resistent ist, wie beispielsweise solche aus Teflon.
In einer alternativen Ausführungsform wird das entstehende Reaktionsgemisch beispielsweise während dem Inkontaktbringen, alternativ während und nach dem Inkontaktbringen bzw. weiter alternativ nach dem Inkontaktbringen des Gases enthaltend Phosphorpentafluorid und Chlorwasserstoff mit Lithiumfluorid in einem ersten organischen Lösungsmittel gerührt. Das Inkontaktbringen kann erleichtert werden durch Einbringen von Mischenergie z.B. durch statische oder nicht-statische Mischelementen.
Das hergestellte Reaktionsgemisch, enthaltend Lithiumhexafluorophosphat, ein erstes organisches Lösungsmittel und Chlorwasserstoff, wird beispielsweise für eine Dauer von 10 Sekunden bis 24 Stunden, vorzugsweise 5 Minuten bis 12 Stunden, besonders bevorzugt 10 Minuten bis 4 Stunden und ganz besonders bevorzugt 30 Minuten bis 2 Stunden gerührt und danach, vorzugsweise über einen Filter mit einer Porengröße von 50 nm, filtriert. Das erfindungsgemäße weitere organische Lösungsmittel ist dadurch gekennzeichnet, dass im weiteren organischen Lösungsmittel Lithiumhexafluorophosphat eine geringere Löslichkeit als im ersten organischen Lösungsmittel.
Dem Fachmann ist klar dass das Lösungsverhalten von der Temperatur abhängt, insofern ist oben genanntes Erfordernis für die gewählte Temperatur im Schritt b) zu erfüllen.
Die Temperatur beim Inkontaktbringen kann beispiels- und vorzugsweise vom Gefrierpunkt bis zum Siedepunkt des eingesetzten organischen Lösungsmittels oder seiner niedrigstsiedenden Komponente erfolgen, beispielsweise von -45 bis 80°C, besonders bevorzugt von 10 bis 60°C und besonders bevorzugt von 10 bis 35°C, insbesondere von 16 bis 24°C.
Der Druck beim Inkontaktbringen kann beispielsweise von 100 hPa bis 2 MPa betragen, bevorzugt von 900 hPa bis 1200 hPa, Umgebungsdruck ist besonders bevorzugt.
Als weiteres organisches Lösungsmittel bevorzugt ist Toluol. Die Löslichkeit von Lithiumhexafluorophosphat in ersten organischen Lösungsmittel und im weiteren organischen Lösungsmittel als solches kann durch einige wenige Vorversuche ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße erste organische Lösungsmittel und das weitere organische Lösungsmittel werden vor ihrer Nutzung bevorzugt einem Trocknungsprozess unterzogen, besonders bevorzugt einem Trocknungsprozess über einem Molekularsieb.
Der Gehalt an Verunreinigungen, insbesondere Wasser, des erfindungsgemäßen ersten organischen Lösungsmittels und des weiteren organischen Lösungsmittels sollte möglichst gering sein. In einer Ausführungsform beträgt er von 0 bis 500 ppm, vorzugsweise von 0 bis 200 ppm, besonders bevorzugt von 0 bis 100 ppm und ganz besonders bevorzugt 1 ppm oder weniger.
Das Inkontaktbringen des weiteren organischen Lösungsmittels mit dem Reaktionsgemisch aus Schritt a) kann beispielsweise derart erfolgen, dass zum vorgelegten weiteren organischen Lösungsmittel das Reaktionsgemisch enthaltend Lithiumhexafluorophosphat, ein erstes organisches Lösungsmittel und Chlorwasserstoff zudosiert wird. Ebenso ist jede andere Reihenfolge des Inkontaktbringens von weiteren organischen Lösungsmittels mit dem Reaktionsgemisch aus Schritt a) grundsätzlich geeignet.
In einer alternativen Ausführungsform kann das Inkontaktbringen beispielsweise derart erfolgen, dass das Reaktionsgemisch aus Schritt a) vorgelegt wird und weiteres organisches Lösungsmittel zudosiert wird.
Das Inkontaktbringen des weiteren organischen Lösungsmittels mit dem Reaktionsgemisch aus Schritt a) kann beispielsweise kontinuierlich, beispielsweise durch Einleiten des weiteren organischen Lösungsmittels oder diskontinuierlich, beispielsweise durch portionsweise Zugabe, bevorzugt durch Zutropfen erfolgen. Für das Inkontaktbringen ist jedes, dem Fachmann für das Inkontaktbringen von Lösungen bekannten Behälter, geeignet. Das Inkontaktbringen kann erleichtert werden durch Einbringen von Mischenergie zum Beispiel durch statische oder nicht-statische Mischelementen.
Die Temperatur gemäß Schritt b) kann beispiels- und vorzugsweise vom Gefrierpunkt bis zum Siedepunkt des eingesetzten organischen Lösungsmittels oder seiner niedrigstsiedenden Komponente, beispielsweise von -45 bis 80°C, besonders bevorzugt von 10 bis 60°C und besonders bevorzugt von 10 bis 35°C, insbesondere von 16 bis 24°C betragen.
Der Druck beim Inkontaktbringen gemäß Schritt b) kann beispielsweise von 100 hPa bis 2 MPa betragen, bevorzugt von 900 hPa bis 1200 hPa, Umgebungsdruck ist besonders bevorzugt.
Vorzugsweise erfolgt das Inkontaktbringen des weiteren organischen Lösungsmittels mit dem Reaktionsgemisch aus Schritt a) über einen Zeitraum von einer Sekunde bis 48 Stunden, bevorzugt von 10 Sekunden bis 2 Stunden, besonders bevorzugt von 30 Sekunden bis 45 Minuten und ganz besonders bevorzugt von 1 Minute bis 30 Minuten.
In einer alternativen Ausführungsform kann nach Schritt b) eine Durchmischung durch Einbringen von Mischenergie z.B. durch statische oder nicht-statische Mischelementen stattfinden.
In einer alternativen Ausführungsform wird das Gemisch, enthaltend Lithiumhexafluorophosphat, ein erstes organisches Lösungsmittel und ein weiteres organisches Lösungsmittel beispielsweise für eine Dauer von 10 Sekunden bis 24 Stunden, vorzugsweise 1 Minuten bis 12 Stunden, besonders bevorzugt 5 Minuten bis 2 Stunden und ganz besonders bevorzugt 10 Minuten bis 1 Stunden gerührt.
Das Inkontaktbringen gemäß Schritt b) führt zu einer Fällung des Lithiumhexafluorophosphats. In einer weiteren Ausführungsform kann nach Schritt b) ein weiteres Inkontaktbringen mit weiterem organischen Lösungsmittel oder anderen organischen Lösungsmitteln erfolgen. Dies hat den Zweck, dass neben der Trocknung auch ein weiterer Lösungsmitteltausch erfolgen kann.
Das Abtrennen des ausgefallenen Lithiumhexafluorophosphats kann durch jedes Verfahren erfolgen, das dem Fachmann für die Trennung von Feststoffen und Flüssigkeiten bekannt ist. Beispielsweise kann das Abtrennen erfolgen durch Sedimentation, Zentrifugation oder Filtration, beispielsweise durch Druckfiltration oder Abnutschen. Das Abtrennen kann beispielsweise erfolgen durch Verwendung eines Papierfilters, Polymerfilters, einer Glasfritte oder einer Keramikfritte, bevorzugt durch einen Teflonfilter, insbesondere durch einen Filter mit definierter Porengröße, beispielsweise eines Filters mit einer Porengröße von <5 μηη, bevorzugt <1 μηη, besonders bevorzugt <200 nm.
In einer alternativen Ausführungsform kann das, beispielsweise abgetrennte, feste Lithiumhexafluorophosphat unter Inertgas, bevorzugt Argon, getrocknet werden. Erfolgt das Abtrennen in einer alternativen Ausführungsform teilweise, so ist die Einstellung eines spezifischen Gehaltes an Lithiumhexafluorophosphat möglich. Erfolgt sie weitestgehend vollständig kann hochreines Lithiumhexafluorophosphat als Feststoff erhalten werden. Weitestgehend vollständig heißt hier, dass der verbleibende Gehalt an organischem Lösungsmittel 5000 ppm oder weniger, vorzugsweise 2000 ppm oder weniger beträgt.
In einer alternativen Ausführungsform wird beispielsweise das erfindungsgemäß hergestellte Lithiumhexafluorophosphat in einem ersten organischen Lösungsmittel gelöst. Das Lösen erfolgt beispielsweise bei einer Temperatur von -45°C bis Raumtemperatur, bevorzugt bei einer Temperatur von -10 bis 10°C und besonders bevorzugt bei einer Temperatur von -5 bis 5°C. Diese Lösung wird mit weiterem organischen Lösungsmittel in Kontakt gebracht. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Lösung aus Lithiumhexafluorophosphat in einem ersten organischen Lösungsmittel vorgelegt wird und weiterem organischen Lösungsmittel hinzugegeben wird. In einer alternativen Ausführungsform kann das weitere organische Lösungsmittel vorgelegt werden und die Lösung aus Lithiumhexafluorophosphat in einem ersten organischen Lösungsmittel hinzugegeben werden. Dabei fällt, wie bereits zuvor beschrieben, Lithiumhexafluorophosphat als Feststoff aus. Der ausgefallene Feststoff kann mit den zuvor beschrieben Trennungsmethoden von den ersten organischen Lösungsmitteln und den weiteren organischen Lösungsmitteln abgetrennt werden. Bevorzugt ist die Verwendung einer Teflon-Umkehrfritte zum Abtrennen des festen Lithiumhexafluorophosphat. Dieses, als Umkristallisation bezeichnete Verfahren kann beliebig oft bevorzugt ein- bis dreimal wiederholt werden.
Das feste Lithiumhexafluorophosphat kann in einer alternativen Ausführungsform mit organischem Lösungsmittel, vorzugsweise dem oben beschriebenen weiteren organischen Lösungsmittel gewaschen werden. Überraschenderweise enthält das Reaktionsprodukt Lithiumhexafluorophosphat trotz der hohen Konzentrationen an Chlorwasserstoff in Schritt a) nach Beendigung von Schritt c) nur noch geringe Mengen Chlorid. Ohne sich in irgendeiner Form wissenschaftlich festlegen zu wollen mutmaßt der Anmelder, dass die Chloride im ersten organischen Lösungsmittel zurückbleiben. Lithiumhexafluorophosphat ist im weiteren organischen Lösungsmittel schlechter löslich und fällt daher aus.
Erfindungsgemäß hergestelltes Lithiumhexafluorophosphat weist typischerweise einen Gehalt an Verunreinigungen von 0 bis 10.000 ppm, vorzugsweise 0 bis 5.000 ppm, besonders bevorzugt 0 bis 1 .000 auf und ganz besonders bevorzugt 0 bis 100 ppm auf.
Als typische Verunreinigungen seien beispielsweise hydrolytische Zersetzungsprodukte, insbesondere Lithiumdifluorophosphat, Säuren, sowie Metallkationen, insbesondere Calcium, Chrom, Eisen, Magnesium, Molybdän, Cobalt, Nickel, Cadmium, Blei, Kalium oder Natrium und Fremdanionen, insbesondere Sulfat, Hydroxid, Hydrogencarbonat und Carbonat genannt.
In einer alternativen Ausführungsform können Verunreinigungen, beispielsweise Säuren durch Zugabe von basischen Substanzen, beispielsweise einer Base ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Erdalkalihydroxyden, Erdalkalihydrogencarbonaten, Erdalkalicarbonaten, Lithiumhydroxyd, Lithiumhydrogencarbonat und Lithiumcarbonat in Kontakt gebracht und neutralisiert werden.
Erfindungsgemäß hergestelltes Lithiumhexafluorophosphat weist typischerweise einen Chlorid-Gehalt 0 bis 100 ppm, bevorzugt 0 bis 50 ppm, besonders bevorzugt 0 bis 5 ppm und ganz besonders bevorzugt 0 bis 1 ppm auf.
Der Chlorid-Gehalt wird wie in den Beispielen angegeben ermittelt.
Aufgrund des geringen Chlorid-Gehalts kann das erfindungsgemäß hergestellte Lithiumhexaflurophosphat beispielsweise zu für elektrochemische Speichervorrichtungen geeigneten Elektrolyten weiterverarbeitet werden. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des erfindungsgemäß hergestellten Lithiumhexafluorophosphats als oder zur Herstellung von Elektrolyten für Lithiumakkumulatoren.
Elektrolyte können nach an sich allgemein bekannten Verfahren durch Inkontaktbringen von Lithiumhexafluorophosphat mit organischem Lösungsmittel und gegebenenfalls Additiven hergestellt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Elektrolyten für Lithiumakkumulatoren dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Lithiumhexafluorophosphat nach einem Verfahren umfassend zumindest die Schritte a) bis c) und gegebenenfalls d) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Elektrolyte können weitere Leitsalze wie beispielsweise Lithiumfluorsulfonylimid enthalten.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere in der effizienten Verfahrensweise und in der geringen Menge an Chlorid im erfindungsgemäß hergestellten Lithiumhexafluorophosphat. Beispiele
Im Folgenden sind unter der Angabe„%" immer Gew.-% und unter„ppm" immer„Gew.- ppm" zu verstehen.
„Unter Inertgasbedingung", oder Inertgas bedeutet, dass der Wasser- und der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre unterhalb von 1 ppm liegt.
Bestimmung des Chlorid und Hexafluorophosphat-Gehalts:
In Bezug auf die im Rahmen der vorliegenden Arbeiten verwendete lonenchromatographie sei auf die Publikation L. Terborg, S. Nowak, S. Passerini, M. Winter, U. Karst, P.R. Haddad, P.N. Nesterenko, Ion Chromatographie determination of hydrolysis produets of hexafluorophosphate salts in aqueous Solution. Analytica Chimica Acta 714 (2012) 121-126 sowie die darin zitierte Literatur verwiesen.
Die Analytik auf vorliegende Chlorid- und Hexafluorophosphat-Ionen wurde per lonenchromatographie durchgeführt. Dazu werden folgende Geräte und Einstellungen verwendet:
Gerätetyp: Dionex ICS 2100
Säule: lonPac® AS20 2*250-mm "Analytical Column with guard"
Probenvolumen: 1 μΙ
Eluent: KOH Gradient: 0 min/15 mM, 10 min/15 mM, 13 min/80 mM,
27 min/100 mM, 27,1 min/15 mM, 34 min/15 mM
Eluent Fließrate: 0,25 ml/min
Temperatur: 30°C
Self-Regenerating Suppressor: ASRS® 300 (2-mm)
Die Nachweisgrenze für Chlorid-Ionen liegt bei 1 ppm.
Bestimmung der Gesamtsäure als Fluorwasserstoff:
In Bezug auf die im Rahmen der vorliegenden Arbeiten angewendete Bestimmung der Gesamtsäure sei auf die Publikation M. Schmidt, U. Heider, A. Kuehner, R. Oesten, M. Jungnitz, N. Ignat'ev, P. Sartori, Lithium fluoroalkylphosphates: a new class of conducting salts for electrolytes for high energy lithium-ion batteries. Journal of Power Sources 97-98 (2001 ) 557-560 sowie die darin zitierte Literatur verwiesen. Für die Bestimmung der Gesamtsäure wurden 1 ,79 g des Elektrolyt-Feststoffes in 13,21 g eines Gemisches von Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat (Gewichtsverhältnis 1 :1 ) unter Kühlung gelöst. Ein Teil der Lösung wurde gemäß der oben zitierten Literaturstelle zur Bestimmung der Gesamtsäure titriert. In einem Glasgefäß wurden unter inerten Bedingungen 0,2 ml Indikatorlösung (50 mg Bromthymolblau in 50 ml wasserfreiem Isopropanol) mit einer 0,01 N Tetrabutylammoniumhydroxidlösung (in wasserfreiem Isopropanol) bis zum Farbumschlag nach blaugrün titriert. Anschließend wurden ca. 1 .000 mg Elektrolytlösung auf 0,1 mg genau eingewogen. Es wurde mit 0,01 N Tetrabutylammoniumhydroxidlösung abermals bis zum blaugrünen Farbumschlag titriert, und der Verbrauch an Tetrabutylammoniumhydroxidlösung auf 0,1 mg genau ausgewogen. Bestimmung des Wassergehalts:
Wassergehalte wurden, sofern nicht anders angegeben nach dem Verfahren nach Karl- Fischer bestimmt, welches dem Fachmann bekannt ist und zum Beispiel in P. Bruttel, R. Schlink, „Wasserbestimmung durch Karl-Fischer-Titration", Metrohm Monographie 8.026.5001 , 2003-06. beschrieben wird. Photometrische Bestimmung von Metall-Gehalten (Eisen, Nickel, Blei, Cadmium):
Metallgehalte wurden mittels eines photometrischen Schnelltests der Firma Merck (Spectroquant® Küvettentest) bestimmt. Als Photometer wurde ein Spectroquant Pharo 100 M (Merck) verwendet.
Die Nachweisgrenze für Eisen liegt bei 1 ,3 ppm. Die Nachweisgrenze für Nickel liegt bei 2,6 ppm.
Die Nachweisgrenze für Blei liegt bei 2,6 ppm.
Die Nachweisgrenze für Cadmium liegt bei 0,6 ppm. Phosphorpentafluorid:
Die Beispiele 1 bis 4 wurden mit kommerziell erhältlichem Phosphorpentafluorid (99%; aber GmbH, CAS 7647-19-0) durchgeführt.
Das Phosphorpentafluorid der Beispiele 5 und 6 wurde wie folgt hergestellt:
Stufe 1 : PCI3 + 3 HF -> PF3 + 3 HCl
Umsetzung von Phosphortrichlorid mit Fluorwasserstoff zu Phosphortrifluorid und Chlorwasserstoff
Stufe 2: PF3 + Cl2 -> PCI2F3
Umsetzung von Phosphortrifluorid mit elementarem Chlor zu Phosphordichloridtrifluorid
Stufe 3: PCI2F3 + 2 HF -> PF5 + 2 HCl
Umsetzung von Phosphordichloridtrifluorid mit Fluorwasserstoff zu Phosphorpentafluorid und Chlorwasserstoff
Summe: PCI3 + 5 HF + CI2 -> PF5 + 5 HCl
Experimentelle PFs-Herstellung:
Durch ein auf 280°C beheiztes, ca. 6 m langes Reaktorrohr wurde eine Mischung aus 20 g/h Fluorwasserstoff und 1 1 ,4 ml/h Phosphortrichlorid (beides gasförmig) geleitet. Diese Reaktionsmischung wurde auf Raumtemperatur abgekühlt, 6,5 l/h Chlor eingeleitet und durch ein weiteres, ca. 6 m langes Reaktorrohr bei Raumtemperatur geleitet.
Allgemeine Herstellungsbedingungen:
Sofern nicht anders angegeben wurden alle Arbeiten unter Argon Schutzgas durchgeführt. Acetonitril (Fluka, Trace Select >99.9%), Toluol (Azelis, techn, Qualität, getrocknet über P205 und destilliert) und Lithiumfluorid (Sigma-Aldrich, 99,995%) wurden von Sigma-Aldrich bezogen. Der Wassergehalt der verwendeten organischen Lösungsmittel lag unter 50 ppm. Zum Teil werden Arbeiten in einer Glovebox (Mbraun unilab) durchgeführt, wobei Sauerstoff und Wassergehalt in der Atmosphäre unter 0,1 ppm lagen. Beispiel 1 : Herstellung von Lithiumhexafluorophosphat in Acetonitril (gesättigt)
In einer mit Argon gefüllten 500 ml Teflon-Apparatur wurden 250 ml Acetonitril und 25,61 g Lithiumfluorid bei Raumtemperatur vorgelegt. In die entstandene Suspension wurden zunächst 180 g Chlorwasserstoff-Gas und anschließend 186,58 g gasförmiges Phosphorpentafluorid eingeleitet. Das erhaltene Reaktionsgemisch wurde für eine Stunde gerührt. Das Reaktionsgemisch wurde filtriert und der erhaltene Feststoff im Argonstrom trockengeblasen. Es wurden 153 g Feststoff (44 % Ausbeute) erhalten. Beispiel 2: Herstellung von Lithiumhexafluorophosphat in Acetonitril und anschließende Ausfällung mit Toluol
In einer mit Argon gefüllten 500 ml Teflon-Apparatur wurden 250 ml Acetonitril und 6,49 g Lithiumfluorid bei Raumtemperatur vorgelegt. In die entstandene Suspension wurden zunächst 27,35 g Chlorwasserstoff-Gas (Chlorid-Gehalt der Suspension nach Einleitung: 12, 1 Gew.-%) und anschließend 47,24 g gasförmiges Phosphorpentafluorid eingeleitet. Das erhaltene Reaktionsgemisch wurde für eine Stunde gerührt. Das Reaktionsgemisch wurde in 500 ml Toluol eindosiert. Der ausgefallene Feststoff wurde abfiltriert und im Argonstrom trockengeblasen. Es wurden 34,7 g Feststoff (91 % Ausbeute) erhalten.
Beispiel 3: Herstellung von Lithiumhexafluorophosphat in Acetonitril und anschließende Ausfällung mit Toluol
In einer mit Argon gefüllten 500 ml Teflon-Apparatur wurden 250 ml Acetonitril und 6,49 g Lithiumfluorid bei Raumtemperatur vorgelegt. In die entstandene Suspension wurden zunächst 27,35 g Chlorwasserstoff-Gas (Chlorid-Gehalt in der Suspension nach Einleitung: 12, 1 Gew.-%) und anschließend 47,24 g gasförmiges Phosphorpentafluorid eingeleitet. Das erhaltene Reaktionsgemisch wurde für eine Stunde gerührt. Das Reaktionsgemisch wurde in 1000 ml Toluol eindosiert und 15 Minuten gerührt. Der ausgefallene Feststoff wurde abfiltriert und im Argonstrom trockengeblasen. Es wurden 29,1 g Feststoff (77 % Ausbeute) erhalten.
Beispiel 4: Herstellung von Lithiumhexafluorophosphat in Acetonitril und anschließende Ausfällung mit Toluol und Umkristallisation
In einer mit Argon gefüllten 500 ml Teflon-Apparatur wurden 250 ml Acetonitril und 6,49 g Lithiumfluorid bei Raumtemperatur vorgelegt. In die entstandene Suspension wurden zunächst 27,35 g Chlorwasserstoff-Gas (Chlorid-Gehalt der Suspension nach Einleitung: 12,1 %) und anschließend 47,24 g gasförmiges Phosphorpentafluorid eingeleitet. Das erhaltene Reaktionsgemisch wurde für eine Stunde gerührt. Das Reaktionsgemisch wurde in 500 ml Toluol eindosiert und 15 Minuten gerührt. Der ausgefallene Feststoff wurde abfiltriert und im Argonstrom trockengeblasen. Es wurden 29,5 g Feststoff (79 % Ausbeute) erhalten.
Um kristallisa tion :
In der Glovebox wurden 20 g des erhaltenen Feststoffs in 88 g Acetonitril bei 0°C gelöst. Die erhaltene Lösung wurde mit 352 g Toluol versetzt. Der ausgefallene Feststoff wurde sofort über eine Teflon-Umkehrfritte abfiltriert, mit 50 ml Toluol gewaschen, durch Ausblasen mit Argon getrocknet. Es wurden 14,75 g Feststoff erhalten.
Charakterisierung des Feststoffes:
Chlorid-Gehalt: Unterhalb der Nachweisgrenze
Lithiumhexafluorophosphat: 98,0 Gew.-% Beispiel 5: Herstellung von Lithiumhexafluorophosphat in Acetonitril und anschließende Ausfällung mit Toluol und Umkristallisation In einer mit Argon gefüllten 500 ml Teflon-Apparatur ohne vorgeschalteter Kühlfalle wurden 250 ml Acetonitril und 6,49 g Lithiumfluorid bei Raumtemperatur vorgelegt. In die entstandene Suspension wurde, gemäß der oben genannten Erzeugungsweise hergestelltes, gasförmiges Phosphorpentafluorid/Chlorwasserstoff-Gemisch (PF5/HCI) eingeleitet, bis nominell 1 Äquivalent Phosphorpentafluorid (berechnet aus dem Verbrauch an PCI3; 20 ml Verbrauch) enthalten war. Das erhaltene Reaktionsgemisch wurde für eine Stunde gerührt. Das Reaktionsgemisch wurde in 500 ml Toluol eindosiert und 15 Minuten gerührt. Der ausgefallene Feststoff wurde abfiltriert und im Argonstrom trockengeblasen. Es wurden 30,3 g Feststoff (79 % Ausbeute) erhalten. Aus dem Feststoff wurde eine Lösung (1 1 ,8 Gew.-% Lithiumhexafluorophosphat) in Dimethylcarbonat/Ethylencarbonat (DMC/EC) hergestellt.
Um kristallisa tion :
In der Glovebox wurden 15 g des erhaltenen Feststoffes in 66 g Acetonitril bei 0°C gelöst. Die erhaltene Lösung wurde mit 264 g Toluol versetzt. Der ausgefallene Feststoff wurde sofort über eine Teflon-Umkehrfritte abfiltriert, mit 50 g Toluol gewaschen und im Argonstrom trockengeblasen. Es wurden 17, 15 g Feststoff erhalten.
Charakterisierung des Feststoffes: Chlorid-Gehalt: Unterhalb der Nachweisgrenze
Lithiumhexafluorophosphat: 80,0 Gew.-%
Beispiel 6: Herstellung von Lithiumhexafluorophosphat in Acetonitril und anschließende Ausfällung mit Toluol und Umkristallisation
In einer mit Argon gefüllten 500 ml Teflon-Apparatur mit vorgeschalteter Kühlfalle wurden 250 ml Acetonitril und 6,49 g Lithiumfluorid bei Raumtemperatur vorgelegt. In die entstandene Suspension wurde, gemäß der oben genannten Erzeugungsweise hergestelltes, gasförmiges Phosphorpentafluorid/Chlorwasserstoff-Gemisch (PF5/HCI) eingeleitet, bis nominell 1 Äquivalent Phosphorpentafluorid (berechnet aus dem Verbrauch an PCI3; 20 ml Verbrauch) enthalten war. Das erhaltene Reaktionsgemisch wurde für eine Stunde gerührt. Das Reaktionsgemisch wurde in 500 ml Toluol eindosiert und 15 Minuten gerührt und über Nacht stehen gelassen. Der ausgefallene Feststoff wurde abfiltriert und im Argonstrom trockengeblasen. Es wurden 48,0 g Feststoff (71 % Ausbeute) erhalten. Umkristallisation:
In der Glovebox wurden 40 g des erhaltenen Feststoffes in 176 g Acetonitril bei 0°C gelöst. Die erhaltene Lösung wurde mit 704 g Toluol versetzt. Der ausgefallene Feststoff wurde sofort über eine Teflon-Umkehrfritte, mit 50 g Toluol gewaschen, und im Argonstrom trockengeblasen. Es wurden 16,9 g Feststoff erhalten.
Charakterisierung des Feststoffes:
Chlorid-Gehalt: Unterhalb der Nachweisgrenze
Lithiumhexafluorophosphat: 99,0 Gew.-%

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung von chloridarmem Lithiumhexafluorophosphat, umfassend zumindest die Schritte a) Inkontaktbringen von Lithiumfluorid in einem ersten organischen Lösungsmittel enthaltend ein Nitril mit einem Gas enthaltend Phosphorpentafluorid und Chlorwasserstoff, wobei ein Reaktionsgemisch enthaltend Lithiumhexafluorophosphat, ein erstes organisches Lösungsmittel enthaltend ein Nitril und Chlorwasserstoff erhalten wird, b) Inkontaktbringen des gemäß a) gebildeten Reaktionsgemischs mit weiterem organischen Lösungsmittel, das vom ersten organischen lösungsmittel verschieden ist, wobei Lithiumhexafluorophosphat ausfällt und c) Abtrennen von ausgefallenem Lithiumhexafluorophosphat.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt a) eingesetzte Lithiumfluorid einen Reinheitsgrad von 98,0000 bis 99,9999 Gew.-%, vorzugsweise 99,0000 bis 99,9999 Gew.-%, weiter bevorzugt 99,9000 bis 99,9995 Gew.-%, besonders bevorzugt 99,9500 bis 99,9995 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 99,9700 bis 99,9995 Gew.-% bezogen auf wasserfreies Produkt aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes organisches Lösungsmittel ein Nitril, eine Kombination aus Nitrilen oder eine Kombination aus zumindest einem Nitril mit zumindest einem organischen Lösungsmittel, das kein Nitril ist, bevorzugt Acetonitril verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, das das Inkontaktbringen von Lithiumfluorid und ein erstes organisches Lösungsmittel unter Inertgas, bevorzugt unter Argon, erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt a) eingesetzte Gas enthaltend Phosphorpentafluorid und Chlorwasserstoff durch ein Verfahren hergestellt werden kann, das zumindest die folgenden Schritte umfasst: 1 ) Umsetzung von Phosphortrichlorid mit Fluorwasserstoff zu Phosphortrifluorid und Chlorwasserstoff
2) Umsetzung von Phosphortrifluorid mit elementarem Chlor zu Phosphordichlorid-trifluorid
3) Umsetzung von Phosphordichloridtrifluorid mit Fluorwasserstoff zu Phosphorpentafluorid und Chlorwasserstoff
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas enthaltend Phosphorpentafluorid und Chlorwasserstoff ein Gasgemisch enthaltend 5 bis 41 Gew.-% Phosphorpentafluorid, 6 bis 59 Gew.-% Chlorwasserstoff und 0 bis 50 Gew.-% Fluorwasserstoff, vorzugsweise 20 bis 41 Gew.-% Phosphorpentafluorid, 40 bis 59 Gew.-% Chlorwasserstoff und 0 bis 40 Gew.-% Fluorwasserstoff, besonders bevorzugt 33 bis 41 Gew.-% Phosphorpentafluorid, 49 bis 59 Gew.-% Chlorwasserstoff und 0 bis 18 Gew.-% Fluorwasserstoff ist, wobei der Anteil von Phosphorpentafluorid, Chlorwasserstoff und Fluorwasserstoff beispielsweise 1 1 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 90 bis 100 Gew.-% und besonders bevorzugt 95 bis 100 Gew.-% beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur beim Inkontaktbringen gemäß Schritt a) vom Gefrierpunkt bis zum Siedepunkt des eingesetzten wässrigen Mediums, vorzugsweise 0 bis 100°C, besonders bevorzugt 10 bis 60°C und besonders bevorzugt 10 bis 35°C, insbesondere 16 bis 24°C beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im erfindungsgemäßen, vom ersten organischen Lösungsmittel unterschiedlichen, weiteren organischen Lösungsmittel, bevorzugt Toluol, Lithiumhexafluorophosphat eine geringere Löslichkeit als im ersten organischen Lösungsmittel aufweist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass weiteres organisches Lösungsmittel bevorzugt Toluol ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Inkontaktbringen des weiteren organischen Lösungsmittels mit dem Reaktionsgemisch enthaltend Lithiumhexafluorophosphat, ein erstes organisches Lösungsmittel und Chlorwasserstoff derart erfolgt, dass zum vorgelegten weiteren organischen Lösungsmittel das Reaktionsgemisch enthaltend Lithiumhexafluorophosphat, ein erstes organisches Lösungsmittel und Chlorwasserstoff zudosiert wird.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass erfindungsgemäß hergestelltes Lithiumhexafluorophosphat in einem weiteren Schritt d) bei einer Temperatur von -45°C bis Raumtemperatur, bevorzugt bei einer Temperatur von -10 bis 10°C und besonders bevorzugt bei einer Temperatur von -5 bis 5°C in einem ersten organischen Lösungsmittel gelöst und in einem weiteren Schritt e) mit weiterem organischen Lösungsmittel in Kontakt gebracht wird, wobei Lithiumhexafluorophosphat ausfällt und danach in einem Schritt f) Lithiumhexafluorophosphat abgetrennt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erfindungsgemäß hergestellte Lithiumhexafluorophosphat einen Chlorid- Gehalt von 0 bis 100 ppm, bevorzugt 0 bis 50 ppm, besonders bevorzugt 0 bis 5 ppm und ganz besonders bevorzugt 0 bis 1 ppm aufweist.
13. Lithiumhexafluorophosphat, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Chlorid- Gehalt von 0 bis 28 ppm, bevorzugt von 0 bis 5 ppm und ganz besonders bevorzugt von 0 bis 1 ppm aufweist.
14. Verfahren zur Herstellung von Elektrolyten für Lithiumakkumulatoren dadurch gekennzeichnet dass es zumindest ein Verfahren der Ansprüche 1 bis 12 umfasst.
15. Verwendung von Lithiumhexafluorophosphat nach Anspruch 14 und deren Lösungen als oder zur Herstellung von Elektrolyten in Lithiumakkumulatoren.
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