六氟磷酸鋰產(chǎn)品質(zhì)量分析與生產(chǎn)設(shè)備和管道預(yù)處理方法

李佳，田雷雷，吳超，王紅明，莊全超

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116）

六氟磷酸鋰產(chǎn)品質(zhì)量分析與生產(chǎn)設(shè)備和管道預(yù)處理方法

李佳，田雷雷，吳超，王紅明，莊全超

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116）

六氟磷酸鋰是目前應(yīng)用最為廣泛的鋰離子電池電解質(zhì)鋰鹽，其國(guó)產(chǎn)化是國(guó)內(nèi)鋰離子電池更大規(guī)模應(yīng)用的重要先決條件之一。本文在給出六氟磷酸鋰產(chǎn)品中各種組分含量的測(cè)量方法的同時(shí)，詳細(xì)介紹了六氟磷酸鋰生產(chǎn)中對(duì)其產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備腐蝕具有重要影響的生產(chǎn)設(shè)備和管道的預(yù)處理方法。

六氟磷酸鋰；質(zhì)量分析；生產(chǎn)設(shè)備預(yù)處理

六氟磷酸鋰由于具有在各種非水溶劑中有適當(dāng)?shù)娜芙舛群洼^高的電導(dǎo)率、較寬廣的電化學(xué)穩(wěn)定窗口和環(huán)境友好等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作商品化鋰離子電池的電解質(zhì)鋰鹽[1]。在過(guò)去的10多年中，伴隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，尤其是近年來(lái)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的興起，國(guó)內(nèi)對(duì)六氟磷酸鋰產(chǎn)品的需求量正持續(xù)快速增長(zhǎng)。然而遺憾的是迄今為止，我國(guó)尚無(wú)一家工廠能夠大規(guī)模提供理想的六氟磷酸鋰產(chǎn)品，我國(guó)鋰離子電池生產(chǎn)廠家所使用的六氟磷酸鋰，尤其是高品質(zhì)的六氟磷酸鋰產(chǎn)品主要還是依靠進(jìn)口。

自20世紀(jì)90年代初期以來(lái)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了六氟磷酸鋰的中試生產(chǎn)工藝研究以及六氟磷酸鋰的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線的研究與設(shè)計(jì)工作[1，2]，全面介紹六氟磷酸鋰產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)[3]和工廠生產(chǎn)安全與含氟廢氣、廢水的治理方法[4]，并系統(tǒng)研究了溫度、雜質(zhì)、添加劑等因素對(duì)電解液性能的影響[5～7]。本文介紹了六氟磷酸鋰產(chǎn)品質(zhì)量分析與生產(chǎn)設(shè)備和管道預(yù)處理方法，以期能對(duì)國(guó)內(nèi)六氟磷酸鋰產(chǎn)業(yè)化工作和新型電解質(zhì)鋰鹽的研發(fā)工作有所幫助。

1 六氟磷酸鋰產(chǎn)品質(zhì)量分析

六氟磷酸鋰中不溶物、水分、游離酸、金屬雜質(zhì)離子等對(duì)其產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響，進(jìn)而密切影響著以六氟磷酸鋰為支持電解質(zhì)鋰鹽電解液的鋰離子電池性能，因此采用合適的方法測(cè)定六氟磷酸鋰產(chǎn)品中各種組分的含量顯得尤為重要。具體來(lái)說(shuō)，影響六氟磷酸鋰產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素包括：（1）在DEC（碳酸二乙酯）中不溶物的含量；（2）水的含量；（3）游離酸（以HF計(jì)）的含量；（4）金屬雜質(zhì)離子的含量。為保證企業(yè)售出的產(chǎn)品符合電池工業(yè)的要求，必須對(duì)六氟磷酸鋰的質(zhì)量進(jìn)行認(rèn)真的分析化驗(yàn)。

1.1 六氟磷酸鋰中不溶物（指在DMC或DEC中）含量的測(cè)定

精確稱量（用萬(wàn)分之一天平）1 g左右六氟磷酸鋰溶于10 mL碳酸二甲酯中，充分?jǐn)嚢?，待溶解完畢后，用定量濾紙過(guò)濾，并用碳酸二甲酯充分洗滌容器及濾紙（4～5次）。將濾紙及不溶物置于已稱重過(guò)的鉑皿中，先在烘箱內(nèi)烘干，然后于馬弗爐上慢慢灰化濾紙，再于700℃下灼燒20 min，將坩堝置于干燥器中冷卻0.5 h，取出稱重。

不溶物百分含量（%）用下式計(jì)算：

（坩堝總的重量-空坩堝重量）/六氟磷酸鋰樣品量×100%

1.2 六氟磷酸鋰中含水量的測(cè)定

LiPF6極易水解變質(zhì)，以LiPF6為電解質(zhì)的鋰離子電池性能與水的含量有密切關(guān)系。由于水是質(zhì)子性化合物，在電池充放電過(guò)程中會(huì)破壞SEI膜的穩(wěn)定性，降低Li+的傳導(dǎo)性，與LiPF6發(fā)生反應(yīng)，使氫氟酸含量增加從而惡化電池性能，因此要求LiPF6產(chǎn)品中的水的含量應(yīng)小于2.0×10-3%，必須采用精密的檢測(cè)手段?？蛇x擇傳統(tǒng)的卡爾費(fèi)休庫(kù)侖滴定法檢測(cè)六氟磷酸鋰中的H2O含量。測(cè)量原理是：

一旦被滴定的溶液中存在水，產(chǎn)生的碘即按（1）式反應(yīng)。當(dāng)所有的水均被反應(yīng)，在陽(yáng)極電解液中出現(xiàn)少量過(guò)量的碘，卡爾費(fèi)休水分析儀的雙鉑絲電極就能探知這過(guò)量的碘隨即停止碘的產(chǎn)生。根據(jù)法拉第定律，產(chǎn)生碘的量與產(chǎn)生的電流成正比。在方程式（1）中，I2和H2O以1∶1比例反應(yīng)，即1 mol的水（18 g）等于2×96 500庫(kù)侖，或10.72庫(kù)侖/1 mgH2O。因此用測(cè)量總消耗電量的方法可以測(cè)定水分總量。梅特勒-托利多公司的DL32/39型卡爾費(fèi)休水份分析儀，能精確測(cè)量10-6級(jí)水份。

實(shí)際測(cè)量中一般首先精確稱取一定量的六氟磷酸鋰，將其溶于經(jīng)嚴(yán)格除水和精制后并已知含水量的有機(jī)溶劑（如DEC等）中配制成電解液，然后對(duì)這一電解液的含水量進(jìn)行測(cè)定。六氟磷酸鋰的含水量可通過(guò)下式確定：

其中c1、c2分別為電解液和有機(jī)溶劑中的含水量，conc1為電解液中六氟磷酸鋰的百分含量，m為被測(cè)定有機(jī)電解液的質(zhì)量。

1.3 六氟磷酸鋰中氟化氫含量的測(cè)量

氟化氫可以通過(guò)滴定法測(cè)定。但六氟磷酸鋰遇水易分解，產(chǎn)生氟化氫，因此檢測(cè)六氟磷酸鋰中氟化氫含量需采用非水溶劑作為滴定介質(zhì)來(lái)進(jìn)行非水滴定?？梢赃x擇使用氫氧化四乙基銨（TNBAH）的甲醇或乙醇溶液作為滴定劑，對(duì)六氟磷酸鋰中的氟化氫進(jìn)行電位滴定。采用氫氧化四乙基銨（TNBAH）的乙醇溶液作為滴定劑，滴定曲線突躍較為明顯。滴定終點(diǎn)的指示方法主要有兩種：（1）指示劑法；（2）電位階躍法。指示劑法中可使用甲氧基溴甲苯蘭作為指示劑，通過(guò)目測(cè)的方法判斷終點(diǎn)，該方法不可避免地存在一定的系統(tǒng)誤差，其測(cè)定結(jié)果精確度往往很差?？偟膩?lái)說(shuō)，電位滴定法相對(duì)于指示劑滴定法更具優(yōu)越性。

實(shí)際測(cè)量中，與六氟磷酸鋰中含水量的測(cè)定一樣，首先精確稱取一定量的六氟磷酸鋰，將其溶于經(jīng)嚴(yán)格除水和精制后并已知含水量的有機(jī)溶劑中配制成電解液，然后對(duì)這一電解液的含水量進(jìn)行測(cè)定。六氟磷酸鋰中氟化氫的含量以10-4%計(jì)，最終可通過(guò)式（4）確定：

其中conc2表示TNBAH的濃度，m1表示消耗的TNBAH的量。

1.4 六氟磷酸鋰中各種金屬雜質(zhì)離子的測(cè)量

金屬雜質(zhì)離子具有比鋰離子低的還原電位，充電過(guò)程中將首先被嵌入到負(fù)極中，減少鋰離子嵌入位點(diǎn)，因此會(huì)降低鋰離子電池的可逆容量。若金屬雜質(zhì)離子較多，不僅會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池可逆容量降低，金屬離子的析出還可能導(dǎo)致石墨電極表面無(wú)法形成有效鈍化膜，從而使整個(gè)電池遭到破壞。因此必須對(duì)LiPF6產(chǎn)品中的金屬雜質(zhì)離子的含量進(jìn)行有效控制。通常采用電感耦合等離子體（ICP）作為光源，原子發(fā)射光譜儀（AES）能有效地檢測(cè)高、中、低含量的元素，可同時(shí)測(cè)定多種金屬離子含量[8]。

2 生產(chǎn)設(shè)備和管道預(yù)處理

六氟磷酸鋰生產(chǎn)中所使用的原料主要為氟氣和含氟化合物（氟化氫），氟氣和含氟化合物通常都具有較強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)活性，一方面它們能與油脂等有機(jī)物劇烈反應(yīng)，放出大量的熱，繼而引發(fā)金屬與氟氣的反應(yīng)并伴生更多的熱量，從而失去控制；另一方面它們對(duì)設(shè)備和管道有強(qiáng)烈的腐蝕作用，會(huì)使生產(chǎn)設(shè)備過(guò)早報(bào)廢，并因此引起生產(chǎn)中止、產(chǎn)品或生產(chǎn)流體的流失，造成環(huán)境污染，甚至著火爆炸。此外，氟氣和含氟化合物與有機(jī)物反應(yīng)或?qū)υO(shè)備和管道腐蝕的產(chǎn)物會(huì)進(jìn)入到最終的六氟磷酸鋰產(chǎn)品中，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量降低。

因此對(duì)于六氟磷酸鋰生產(chǎn)線，除正確地選用生產(chǎn)設(shè)備和管道的材質(zhì)外，在六氟磷酸鋰生產(chǎn)前對(duì)設(shè)備和管道進(jìn)行專門的預(yù)處理，是獲得高品質(zhì)六氟磷酸鋰產(chǎn)品和避免設(shè)備和管道腐蝕的重要保證。預(yù)處理包括：（1）所有要同含氟反應(yīng)介質(zhì)接觸的設(shè)備、管道和儀表（組成整套裝置的所有分段）的表面均需清洗和化學(xué)處理；（2）直接同含氟化合物接觸的設(shè)備、管道和儀表，其表面均需用氟氣進(jìn)行表面鈍化處理。

2.1 清洗和化學(xué)處理

凡用于處理氣態(tài)氟氣和氟化物的器具、附件和管道，為保證投產(chǎn)時(shí)安全運(yùn)行，最必要的條件是仔細(xì)清洗會(huì)同氟氣和氟化物接觸的表面。所有會(huì)同氟氣和氟化物接觸的設(shè)備、附件、測(cè)量?jī)x表和管道均需清洗。此外，有一些在發(fā)生事故時(shí)會(huì)受到氟氣和氟化物侵蝕的部件空間也應(yīng)進(jìn)行清洗。清洗包括機(jī)械清洗和除油。按規(guī)定機(jī)械清洗應(yīng)進(jìn)行除塵、除污和除銹等。氟塑料的表面的機(jī)械清洗可用軟布擦拭，表面潔凈度用目視法監(jiān)控。

進(jìn)行了機(jī)械清洗后，設(shè)備應(yīng)進(jìn)行除油。只有干燥的器具、部件和零件才可除油。除油可用有機(jī)溶劑，應(yīng)確保能充分去除表面的油脂而不會(huì)引起金屬表面腐蝕。根據(jù)設(shè)備的大小和構(gòu)型不同，除油方法也是不同的。管道的除油既可使溶劑在其中循環(huán)流動(dòng)，也可周期性地注入和倒出溶劑。當(dāng)用以溶劑浸濕的紙片擦拭清洗部位后，在紙片上不留油漬時(shí)，即可認(rèn)為管道已經(jīng)除油。大尺寸的器具和容器可用溶劑蒸汽除油，也可用溶劑細(xì)流噴洗設(shè)備內(nèi)表面。小的零部件可以用在幾個(gè)溶劑浴中逐次浸泡的方法除油。帶有封閉空間的壓力表和其他測(cè)量控制儀表的除油在專門的裝置中進(jìn)行，其方法是靠壓力差交替地抽真空和充入溶劑，將充入溶劑的儀表保持2～3 min，然后抽真空以除去溶劑，再充入溶劑，如此多次反復(fù)以充分除去油脂。清洗后的零件于100℃干燥以充分除去溶劑。除油后的零件才可用于裝配生產(chǎn)線。

2.2 鈍化

先把可能同氟氣和氟化物接觸的設(shè)備裝配好，然后檢查其密閉性（有些部件和容器可在系統(tǒng)外單獨(dú)檢查）。只有在確認(rèn)系統(tǒng)的密閉性后，才可進(jìn)行鈍化。鈍化的方法有兩種：（1）常溫下鈍化；（2）較高溫度下鈍化。常溫鈍化法是將系統(tǒng)充以氟氣并于靜態(tài)下保持一定的壓力。鈍化時(shí)體系中不應(yīng)有死角。為此，當(dāng)進(jìn)行靜態(tài)鈍化時(shí)，要先將系統(tǒng)抽真空，或用小流量的氟氣吹入該系統(tǒng)，吹出的氣體則排放到帶有凈化器的通風(fēng)系統(tǒng)中。氟氣吹入的速度不大于1 m/min。鈍化所需的時(shí)間與環(huán)境溫度有關(guān)，溫度愈低，鈍化時(shí)間愈長(zhǎng)。較高溫度下鈍化的方法是將氟氣通過(guò)預(yù)熱至60～80℃的裝置。

選擇何種鈍化方法取決于不同條件和鈍化對(duì)象。對(duì)于工作壓力不超過(guò)0.17 MPa的器具和系統(tǒng)，可以吹入氟氣和氮?dú)猓ɑ驓鍤猓┑幕旌蠚怏w，氣體流速不超過(guò)1 m/min。然后在系統(tǒng)中充滿氮?dú)夂头鷼獾幕旌衔铮ǚ鷼夂?0～50體積%）并保持2 h，最后將氣體排入通風(fēng)系統(tǒng)。再往系統(tǒng)中吹入氟氣以置換氟氣—氮?dú)饣旌衔铮党龅臍怏w排放到通風(fēng)系統(tǒng)。再繼續(xù)通入氟氣至其壓力達(dá)到0.17 MPa并保持兩晝夜，然后分析氣體中氟氣的含量。如果分析結(jié)果表明，氣體中氟氣的濃度不低于初始量的99%，則可認(rèn)為鈍化已完成。

3 結(jié)論

六氟磷酸鋰產(chǎn)品中各雜質(zhì)組分含量對(duì)六氟磷酸鋰產(chǎn)品質(zhì)量有十分重要的影響，選擇恰當(dāng)?shù)姆椒ǚ治銎浜渴鞘直匾?。可以用重量法測(cè)定六氟磷酸鋰中不溶物的含量，用卡爾費(fèi)休庫(kù)侖滴定法檢測(cè)水分的含量，通過(guò)非水滴定法測(cè)定氟化氫的含量，用原子發(fā)射法測(cè)定其他金屬離子雜質(zhì)的含量。同時(shí)，六氟磷酸鋰的生產(chǎn)涉及到復(fù)雜的生產(chǎn)工藝和技術(shù)，生產(chǎn)前進(jìn)行相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備和管道預(yù)處理是獲得高品質(zhì)產(chǎn)品和避免設(shè)備腐蝕的重要基礎(chǔ)和先決條件。

致謝：感謝江蘇九九久科技股份有限公司和東莞杉杉電池材料有限公司為本論文的完成提供了資金支持。

［1］莊全超,武山,劉文元，等.六氟磷酸鋰生產(chǎn)工藝研究[J].電池工業(yè),2005,10(3):169-172.

［2］莊全超,武山,劉文元，等.鋰離子電池電解質(zhì)鋰鹽六氟磷酸鋰的制備與純化[J].電池工業(yè),2002,7(5):272-275.

［3］李佳,田雷雷,莊全超，等.六氟磷酸鋰產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)[J].應(yīng)用化工,2011,已接收.

［4］張倩倩,田雷雷,莊全超等.六氟磷酸鋰工廠生產(chǎn)安全與含氟廢氣、廢水的治理[J].天津化工,2011,已接收.

［5］莊全超,武山,劉文元,陸兆達(dá).鋰離子蓄電池有機(jī)電解液添加劑[J].電源技術(shù),2002,26(5):393-396.

［6］莊全超,武山.鋰離子電池有機(jī)電解液熱穩(wěn)定性研究[J].電池工業(yè),2004,9(6):315-319.

［7］莊全超，武山,劉文元.鋰離子電池電解液雜質(zhì)的影響及去除技術(shù)[J].電池工業(yè),2006,11(1):48-52.

［8］董慧茹.儀器分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:103-124.

Product quality analysis and equipments pretreatment in large scale production of lithium hexafluorophosphate

LI Jia,TIAN Lei-lei,WU Chao,WANG Hong-ming,ZHUANG Quan-chao
(Li-ion Batteries Lab,School of Materials Science&Engineering,China University of Mining&technology, Xuzhou Jiangsu 221116,China)

Lithium hexafluorophosphate is the most widely used electrolyte material in Li-ion batteries,its domestic production technology will make great contribution to further application of Li-ion batteries.In this paper, detailed methods to analyze different components in lithium hexafluorophosphate product are given,meanwhile pretreatment of equipments and pipelines that have great effects on product quality and equipment corrosion are also introduced in detail.

lithium hexafluorophosphate;product quality analysis;equipment pretreatment

10.3969/j.issn.1008-1267.2011.03.017

TQ131.1

C

1008-1267（2011）03-0050-04

2011-01-11

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（編號(hào):2010LKHX03、2010QNB04、2010QNB05）、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)科技攀登計(jì)劃（No. ON090237）和國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃資助項(xiàng)目

李佳（1987-），女，漢，江蘇淮安人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)碩士研生，師從莊全超副教授，主要從事鋰離子電池新型電解質(zhì)的研發(fā)。