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分析動力鋰電池六氟磷酸鋰產業化制備工藝

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2022年09月27日  

目前國內主流LiPF6生產企業主要采用HF溶劑法,但在具體工藝過程中有各自的特點。


1、多氟多化工股份有限公司


多氟多化工股份有限公司發明了一種雙釜HF溶劑法制備LiPF6,流程如圖4所示。先用PCl5與無水HF反應得到PF5與無水HF的混合液,再制備LiF的無水HF溶液,將其加入混合物液,經反應、結晶、分離、干燥得到高純LiPF6晶體。


無水HF與PCl5在–20~–30℃下緩慢反應,生成PF5和HCl氣體,降溫至–40℃后進入穩壓罐,PF5氣體與LiF–HF溶液在1#反應釜中反應得到LiPF6,生成的副產物HCl氣體和過量的PF5、少量氮氣進入2#反應釜,PF5繼續與LiF反應生成LiPF6。反應結束后,從2#反應釜頂部排出HCl氣體,經深冷凝可除去混帶的少量HF氣體,經雙釜兩級吸收系統得到工業鹽酸溶液。反應釜殘留液相混合物輸送至結晶槽,經結晶、洗滌、干燥得到LiPF6產品。干燥的HF經回收塔精制后進入LiF配制釜循環使用。


該制備工藝的優點:利用化學平衡原理,在LiPF6制備過程中引入雙釜串聯循環操作,使液體氟化氫鋰與氣體PF5充分反應,氣液可均相反應,同時加入氟化氫鋰過程中也可起到氣流攪拌的作用,加快反應速率,提高元素轉化率。


2、天賜高新材料有限公司LiPF6制備工藝


天賜高新材料有限公司開發了一種六氟磷酸堿金屬制備工藝。該工藝可簡單概括為PF5氣體與LiF溶液計量后通入微通道反應器混合、反應,反應液結晶、干燥,制得LiPF6。首先通入質量比為1:4的LiF和無水HF生成LiF的HF溶液,再將PF5氣體和LiF溶液分別用計量泵打入微通道混合器模塊內混合(摩爾比為1:1),反應時間30s,反應溫度–10℃。反應產物經過濾處理流出反應設備,經蒸發、結晶、過濾,在50℃下加熱干燥可獲得LiPF6產品,產出率可達96.2%。


該制備工藝的優點:采用微通道反應器混合,反應時間縮短,效率顯著提高,避免了常規間歇反應中需額外配置裝置和轉移中出現泄漏,安全性提高。


3、九九久科技有限公司LiPF6制備工藝


九九久科技有限公司研發了一種循環封閉式反應設備,所制LiPF6經霧化干燥處理。溶劑與溶質易有效分離,分離效率高、能耗低,可實現連續化、自動化生產。具體工藝如圖5所示。


LiPF6及其它反應產物通過泵輸送至干燥器中進行霧化,由干燥器頂部沿噴灑方向自上而下流動。干燥器內自上而下溫度逐漸升高,溶液流動過程中,無水HF氣體不斷從溶液中分離出來,直到溶液中不含HF氣體。無水HF氣體通過干燥器頂部流出,部分通入PF5反應器I,另一部分通入無水HF冷凝器I形成無水HF液體,計量后返回反應設備III作為反應溶劑。通入PF5反應設備Ⅱ的無水HF氣體與PCl5反應得到PF5和HCl氣體,反應設備Ⅱ中的反應產物緩慢通入反應設備Ⅲ,保證PF5過量。其中HCl氣體收集到尾氣吸收裝置中制備鹽酸。各反應產物的利用效率較高。


傳統LiPF6生產工藝復雜,且合成、結晶等環節危險性較大,難以實現連續化、自動化生產。該工藝提供了一種高品質、高安全、環境友好的LiPF6生產方法。


4、森田化工(張家港)LiPF6制備工藝


森田化工的制備工藝可分為高純原料制備、PF5制備和純化、LiPF6制備和結晶等主要環節。將無水HF通過蒸餾塔精餾得到高純無水HF氣體,將HF氣體通入冷凝器得HF液體,將其通入溫度172~182℃、壓力0.6~0.7MPa的PF5反應器中,收集反應所得PF5和HCl氣體及多余的HF氣體。將PF5和HCl氣體通入LiF和HF液體反應設備中,溫度30~35℃,壓力0.6~0.7MPa。LiF,HF液體和PF5質量比為1:(3~7):(6~12)條件下反應得LiPF6溶液。HCl氣體經尾氣回收裝置制成鹽酸,得到的LiPF6溶液經過濾通入析晶槽,溫度降至–70~–80℃時LiPF6晶體析出,干燥得LiPF6粗品。


該制備工藝的優點:克服了LiPF6雜質含量多、純度低等缺點,生產成本較低,操作簡單。


5、山東石大勝華化工集團LiPF6制備工藝


該公司開發的工藝主要包括LiPF6的制備和純化過程。用PF5,LiF和無水HF制備LiPF6溶液,LiPF6溶液過濾出不溶性雜質后通入結晶槽中,蒸發出HF氣體,蒸發至原始溶液體積的1/3~2/3時,在–20~–40℃下冷凝,過濾得LiPF6粗品。具體步驟:取1000kg無水HF和50kgLiF加入反應釜中,溫度控制在–5℃,充分攪拌。向不銹鋼反應器中加入405kgPCl5,加入195kg無水HF,在約120℃、壓力0.05~0.1MPa下制備PF5和HCl混合氣體,純化后轉移到裝有LiF的反應釜中,溫度5~10℃、壓力0.05~0.1MPa下反應得到LiPF6,對LiPF6進行純化。


該制備工藝的優點:工藝簡單,成本低,所得產品純度高。


國內企業六氟磷酸鋰產業化狀況


六氟磷酸鋰憑借其優良性能在未來很長時間內仍具有很大的應用市場。基于對國家會持續支持新能源產業發展的預期,國內很多企業都在六氟磷酸鋰領域加大研發投入。國內代表性企業主要有多氟多化工股份有限公司、必康股份有限公司、廣州天賜高新材料股份有限公司、天津金牛電源材料有限責任公司和山東石大勝華化工集團等。具體產能如表2所示。


鋰離子電池性能很大程度取決于電解液的性能,尤其是電解質的純度。因此未來各廠家不僅會在生產設備上加大投入,同時也會持續改進生產工藝和加強操作人員的培養。國內企業由于在氟化工領域具有較強的專業技術及人才儲備,隨著六氟磷酸鋰市場的飽和其將向具有更高技術要求和資本投入的新能源領域拓展。根據目前新能源領域的發展趨勢,推斷未來可能的發展趨勢如下:


1、高純晶體生產工藝改進。電池的高溫、高電壓等性能的提高受鋰鹽純度影響很大。隨著各主要生產企業對LiPF6制備工藝理解的深入,企業要抓緊對現有結晶和提純等工藝進行持續改進和優化,降低游離HF和不溶物含量,提高產品質量,降低生產成本。


2、產能規劃更加理性。隨著社會資本大量涌入新能源汽車行業,動力電池及LiPF6獲得了大力發展,但國家對電動汽車補貼逐漸減少,企業應抓緊提升和優化現有生產工藝技術,以提高產品質量和降低生產成本,同時在未來要結合國家政策避免盲目擴大產能。


3、高附加值新型含氟鋰鹽的開發。新型含氟鋰鹽的電化學性能良好,對水及熱穩定。較有應用前景的新型鋰鹽有二氟草酸硼酸鋰(LiODFB)、雙氟磺酰亞胺鋰(LiFSI)和雙(三氟甲基磺酰)亞胺鋰(LiTFSI)等。雖然目前還存在一定的產業化及應用瓶頸,短期內可作為添加劑改善電池的性能缺陷,但長久來看,必須加快研發力度,尤其是結合新型儲能體系進行配套應用開發。


4、含氟溶劑(如氟代碳酸乙烯酯、氟代烷基類化合物、氟代磷腈類、氟代磷酸酯)的研發。低沸點、低閃點的碳酸酯溶劑是影響電池安全性的重要因素,含氟溶劑大多具有成膜穩定好、高低溫性能優異、電化學性能穩定、高閃點、阻燃等特點,對改善動力電池性能具有很大優勢。因此在新型含氟鋰鹽開發的同時也要配套進行含氟溶劑的研發,從根本上改善和提升電解液體系的性能。


5、綠色技術的開發。目前的鋰鹽生產工藝會產生大量含氟、鋰的廢液。未來需對目前的過程進行優化及系統集成以提高元素、原子利用率,同時要對廢液進行回收再利用,提高工藝的綠色度。隨著國家新能源汽車發展戰略的持續推進,對鋰離子電池及鋰鹽的需求也將持續增長。LiPF6在綜合指標性能和產業化成本上具有很強的優勢,在未來一段時間仍將會是重要的鋰鹽電解質。中國含氟企業在未來的發展中應重點加強完善和優化工藝技術及提高產品質量、降低生產成本,同時要深入研究LiPF6的資源綜合回收利用,確保我國新能源產業健康、持續、穩定發展。

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