六氟磷酸鋰制備工藝研究進展

代玉林，白有仙，鄒金鑫

（貴州省化工研究院，貴州 貴陽 550002）

六氟磷酸鋰制備工藝研究進展

代玉林，白有仙，鄒金鑫

（貴州省化工研究院，貴州 貴陽 550002）

鋰離子電池一般采用LiPF6作為其電解質。合成高純度LiPF6的關鍵是溶劑的選擇，本文分別介紹了目前以無水氟化氫溶劑、溶液法和乙腈溶劑的LiPF6制備工藝的現狀及優缺點，認為以乙腈做溶劑的工藝法可能是今后工藝開發的最佳方向。

六氟磷酸鋰；制備工藝；電解液

最近幾年，我國已有許多工廠生產鋰離子電池，而且正在成為鋰離子電池的產銷大國，然而，我國六氟磷酸鋰的產業化才剛剛起步。我國鋰離子電池生產廠家所使用的六氟磷酸鋰絕大多數仍依靠進口[1，2]。本文結合相關文獻查詢及制備方法的篩選，按所使用溶劑扼要介紹各種工藝的優劣。

1 以無水氟化氫作為溶劑的制備工藝

用無水氟化氫作溶劑生產LiPF6工藝，反應易于進行，產品的結晶分離也容易，易于實現工業化，是目前較成熟的生產工藝路線。采用無水氟化氫溶劑法生產六氟磷酸鋰產品的主要包括以下5個步驟：

（1）向合成反應器內加入一定量的氟化氫。

（2）向合成反應器內加入適量的氟化鋰，攪拌使氟化鋰溶解。

（3）向合成反應器內加入五氟化磷氣體，由于五氟化磷氣體與氟化鋰的反應，合成反應器內五氟化磷氣體的壓力不斷降低，當合成反應器內五氟化磷氣體的壓力不再降低時，即表示整個合成過程結束。生成的六氟磷酸鋰產品以沉淀的形式沉淀在合成反應器底部。

（4）過濾、真空干燥；獲得六氟磷酸鋰粗產品。

（5）在特定的純化反應器中對六氟磷酸鋰粗產品進行純化。

1.1 以無水氟化氫作為溶劑制備方法

將一定流量的PF5氣體在塔中 (可以是篩板塔或填料塔)與含有LiF的無水氟化氫溶液在塔中逆流接觸，進料中PF5和LiF物質的量比略大于1，塔底排的釜液經過濾蒸發掉氟化氫后，得到LiPF6粗品。LiPF6粗品含HF、氧氟化物、LiF、金屬離子等雜質，必須進行進一步純化處理。對于含LiF和金屬鹽較多的粗品LiPF6，可通過溶解于碳酸脂和醚等有機溶劑形成飽和液，經過濾蒸發濃縮或進一步處理后可得高純LiPF6產品，含氧氟化物和LiF較多的粗品可向其中通入高純PF5，也可通入F2，在一定溫度下與粗品中的雜質反應可得高純產品，對于含HF較高的粗品LiPF6，可通過將產品加熱至80℃～100℃，并控制一定真空度，使大部分HF分離除去，最后可得HF含量小于10-2%的高純產品，要使HF含量低于10-3%，采用一般方法不易達到[3]。

1.2 改進的方法

可以改進用PCl5、LiF和HF直接合成LiPF6，該工藝是將PCl5和LiF的混合物裝入反應釜中，冷卻至-5℃，壓力控制在5 MPa～10 MPa，然后將預先冷至-80℃的HF加入反應釜中，攪拌數小時后，逐步升溫至約10℃，恒溫并攪拌17 h，最后過濾，真空蒸發濾液，得LiPF6產品，HF回收。也可以將LiF改用LiCl，以降低成本，這樣可能導致產品中Cl和金屬鹽含量超標。也可以先用PCl5和HF反應制得PF3Cl2氣體(PCl5+3HF→PF3Cl2+3HCl)，然后將其通入溶解有一定量LiF的無水氟化氫中，攪拌反應數小時后，過濾、冷卻或濃縮濾液得LiPF6粗品，粗品提純方法同前。

用無水HF作溶劑來制備LiPF6具有反應速度快、產物轉化率高的優點，但由于該法中使用了具有強腐蝕性的HF、PF5，以及六氟磷酸鋰與氟化氫易生成LiPF6·HF復合物，一般極難將產品中的HF含量降低至10-3%以下，由于殘留的HF對電池材料有腐蝕，從而影響電池電性能。再者該工藝對設備的防腐措施和材質要求以及生產的安全措施要求均高。還有該工藝為深冷工藝，能耗大。于是人們開始研究用乙腈、低烷醚和吡啶等來代替無水HF的工藝路線[2]。

2 溶液法制備六氟磷酸鋰

2.1 以有機電解質法制備六氟磷酸鋰

溶液法之一是在LiF與PF5反應的基礎上改進而來的，即將LiF懸浮于EC(碳酸乙烯酯)、DEC(碳酸二乙酯)、DME(乙二醇二甲醚)等鋰電池有機電解質中，然后通入PF5，該反應雖然也是固相-氣相反應，但是產物LiPF6能及時溶解在EC、DEC、DME等有機溶劑中，使界面不斷更新，提高效率。同時，所得的電解液可直接用于鋰電池。上述過程中PF5過量，反應結束后，可用惰性氣體除去。反應溫度控制在-40℃～100℃之間。溫度過低溶劑易發生凝固，反應不能有效進行;過高，溶劑與PF5發生反應，導致顏色變化，粘度增加。氟化鋰的用量一般為每升溶劑100～200 g。該反應易于控制，產率也高，同時溶劑的穩定性高[4]。

該法制備過程中PF5易與有機溶劑發生反應，導致溶劑顏色加深以及有機溶劑與LiPF6之間形成復合物從而導致有機溶劑從最終產品中脫除較為困難的問題。

2.2 在絡合劑基礎上改進法

溶液法的另一方法是在絡合法的基礎上而來的，它由以下3步組成:

①將鹽（XH）+PF6-（X:路易斯堿）與含鋰的強堿在混合溶劑中反應，生成LiPF6；②除去殘留物及副產物；③加入其它鋰電池所需的其它溶劑。

混合溶劑一般為鏈狀或環狀，如EC、PC、DEC、DMC等，（XH）+PF6-及強堿一般分別選用NH4PF6和LiH。這樣，生成的副產物NH3、H2，易于用減壓方法或通惰性氣體除去。過量的反應物一般為LiH，這樣，固體LiH可過濾或離心除去;另外，它能與可能存在的水分反應，確保無水環境;同時為提高反應速率，反應物之一必須可溶，而NH4PF6一般能溶于EC、DEC等溶劑中[5]。其反應原理是:

該方法使用的NH4PF6與LiH的危險性遠低于HF、PF5，同時原料易得，易處置，副產物易除去，效果比較理想。這種方法的不足之處是，NH4PF6和LiH價格較貴，LiH也有毒性，使得這種方法只能處于實驗室階段而不能作進一步的工業推廣。

3 以乙腈作為溶劑的制備工藝

3.1 用乙腈作溶劑法制備六氟磷酸鋰方法的選擇

由于乙腈不能溶解LiF或發生反應，所以先將LiF與乙腈混合，然后通入PF5，乙腈的活性低于LiF，因此PF5優先與LiF反應生產LiPF6，乙腈與LiPF6形成的絡合物Li（CH3CN）PF6非常穩定，在減壓除去CH3CN的過程中不發生分解，在乙腈溶液中加熱到80℃也沒有發生分解。這一性質對于LiPF6的保存、運輸都非常有利。由于Li（CH3CN）4PF6在乙腈中的溶解度隨溫度的變化非常明顯，可通過任何適宜的方式將CH3CN4除去，得到該絡合物的晶體，優選的方法是在-10～0℃減壓揮發。然后將Li (CH3CN)4PF6在真空條件下加熱分解制的LiPF6。其反應式為：

3.2 制備方法

先將乙腈用常壓蒸餾法棄去前后餾分，收集74℃～82℃的餾分。將盛有200 mL新鮮蒸餾無水CH3CN(乙腈)的三頸燒瓶置于0℃的冰水浴中，向其中加入4.5 g LiF，然后在攪拌下通入PF5氣體。利用液封(液封劑為甘油)使反應體系隔絕空氣。反應時間為1～24 h。反應完全后，將反應液加熱到60℃～70℃，趁熱過濾，將濾液置于冰箱中冷凍8～24 h。最后將所得沉淀在0～5℃下真空抽濾，濾餅經24 h干燥后，即得到白色粉末狀的LiPF6。重量法測PF6-及原子吸收法測Li+的純度，表明其純度≥99.8%。電導率是電解質的一個重要參數，在手套箱中配成1 mol/L(EC∶DEC=1∶1，體積比)的LiPF6溶液，測得的電導率為10.2 mS/cm(25℃)，優于文獻報道的7.6～7.9mS/cm[6]。

這種方法中，由于乙腈不與上述其制備方法所得的LiPF6中的雜質發生反應或溶解這些雜質，因此能較易將生產的Li（CH3CN）4PF6與雜質分離出來，通過真空分解，除去CH3CN，既可制得純度高、比表面積大的LiPF6。將用此方法自制的LiPF6用于試驗電池的電解液中，表現出良好的電化學嵌、脫鋰性能和循環性能。證明用此法自制LiPF6有較好的電化學性能。

4 結論

LiPF6的制備過程對環境要求極高，需在高純氮氣或高純氖氣的氣氛保護下進行。目前LiPF6主要用做電池電解質，但要求產品純度極高，這在很大程度上依賴于反應和提純過程中所使用的溶劑。目前工業化生產LiPF6是以無水氟化氫為溶劑的制備法為主，很難避免產品中殘余的HF對電池及其它用途產品的影響，故不是理想的溶劑。由于乙腈對電池電性能沒有影響，對裝置材質要求不高，再加上乙腈不與LiPF6制備過程中的雜質發生反應或溶解這些雜質，因此能較易將生產的Li（CH3CN）4PF6與雜質分離出來，容易提純，故可能是制備和提純LiPF6較理想的方法。

［1］ 莊全超，武山，劉文元，等.鋰離子電池電解質鋰鹽研究進展[J].化學世界，2002，43(12):667～670.

［2］ 羅斗燦，禹炳元，樸淳弘等.六氟磷酸鋰的制備方法[P].申請號: 99122984.1999.

［3］ 李凌云，等.六氟磷酸鋰的制備工藝新進展[J].化學工業與工程，2005，22(3).

［4］ Mao H,Simplified preparation of LiPF6based electrolyte for nonaqueous batteries patent 5496661 Mar,5,1996.

［5］ 宋作忠，蔣玉湘，等.鋰離子二次電池及其電解液的研究[J].鹽湖研究，1997，7(2).

［6］ 沙順萍.鋰離子電池電解質材料六氟磷酸鋰的制備及性能研究[D].青海:中國科學院青海鹽湖研究所碩士論文，2005.

Progress in preparation techniques of LiPF6

DAI Yu-lin,BAI You-xian,ZOU Jin-xin
(Guizhou Research Institute of Chemical Industry,Guiyang,Guizhou 550002)

Lithium hexafluorophosphate(LiPF6)is used as electrolyte in lithium battry and choose solvent becomes a key factor to make highly pure LiPF6.The article discusses the present advantages and disadvantages of the preparation techniques of LiPF6with hydrogen fluoride solvent，solution method and ather anhydrous solvents used as solvents.At last the acetonitrile is proposed as the most suitable solvent in the future.

LipF6;preparation techniques;electrolyte

book=2010,ebook=180

10.3969/j.issn.1008-1267.2010.04.003

TQ131.1+1

A

1008-1267（2010）04-008-03

2010-03-02

代玉林（1974-），女，貴州貴陽人，工程師，從事化學電源的研究。