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        雙氟磺酰亞胺鋰的研制

        2021-11-18 05:35:24丘善棋
        有機氟工業(yè) 2021年2期

        丘善棋

        (龍巖思康新材料有限公司,福建 龍巖 364204)

        0 前言

        隨著國家對新能源汽車扶持力度的持續(xù)加大,新能源汽車市場占有率逐年增長,鋰離子電池作為新能源汽車主要動力及儲能設(shè)備也迎來了井噴式的發(fā)展。

        鋰離子電池四大關(guān)鍵材料包括正極、負極、隔膜和電解液[1],其中電解液在電池中承擔(dān)正負極之間傳輸電荷的作用,它的質(zhì)量好壞直接影響電池循環(huán)壽命、安全性能以及能量密度[2]。六氟磷酸鋰(LiPF6)具有良好的離子電導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定性以及能在鋁箔上形成一層穩(wěn)定的鈍化膜[3],已被廣泛應(yīng)用于鋰離子電池中。但是LiPF6穩(wěn)定性較差,極易發(fā)生分解反應(yīng),在高溫下容易發(fā)生爆炸,不利于儲存和使用。而雙氟磺酰亞胺鋰(LiFSI)中的氟離子具有很強的吸電子性,使鋰鹽的陰陽離子間配位作用減弱,鋰離子的活動性很強,導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性以及電化學(xué)穩(wěn)定性高,基本不發(fā)生副反應(yīng)[4], 同時還能抑制膨脹效果,是最有可能代替LiPF6的一種新型電解質(zhì),也是鋰離子電池中最具良好發(fā)展前景的電解質(zhì)[5-7]。

        目前,國內(nèi)外報道的LiFSI制備技術(shù)主要有以下幾種:1)先合成雙氯磺酰亞胺(HClSI),然后直接與LiF反應(yīng)制備LiFSI[8],反應(yīng)會產(chǎn)生大量的腐蝕性氣體HF,而且產(chǎn)物中同時含有HF、LiF和LiFSI,不易分離,電解液中殘留的HF會對鋰電池造成不良影響[9];2)HClSI直接與NH4F反應(yīng)得到雙氟磺酰亞胺胺鹽,再與LiOH進行陽離子交換反應(yīng)制得LiFSI[10],其缺點在于離子交換難以進行徹底,雜質(zhì)含量高;3)以純化的雙氟磺酰亞胺鉀(KFSI)與LiClO4金屬交換制備LiFSI[11],產(chǎn)品中殘留過多的鉀離子,影響LiFSI的實際應(yīng)用,且存在一定的爆炸風(fēng)險;4)超低溫水溶液中雙氟磺酰亞胺(HFSI)直接與碳酸鋰反應(yīng)制備LiFSI[12],存在萃取效率低、除水不徹底及純度低等問題。上述各方法制備的LiFSI純度很難達到電池級標(biāo)準(zhǔn),且直接產(chǎn)業(yè)化難度大。以雙氯磺酰亞胺(HClSI)為原料,研究了氟化、成鹽以及析晶純化合成LiFSI的最佳條件,并得到高純且質(zhì)量穩(wěn)定的LiFSI產(chǎn)品。

        1 試驗部分

        1.1 試驗原理

        LiSFI的制備方法分兩步:首先由雙氯磺酰亞胺(HClSI)與吡啶氫氟酸鹽(Py.HF)反應(yīng),生成雙氟磺酰亞胺吡啶鹽(HFSI.Py),見式1;制備的HFSI.Py再與一水合氫氧化鋰(LiOH.H2O)反應(yīng)生成雙氟磺酰亞胺鋰(LiFSI),見式2。

        1.2 試驗原料

        試驗用原料如表1所示。

        表1 試驗原料

        1.3 試驗儀器

        試驗用儀器見表2。

        表2 試驗儀器

        1.4 雙氟磺酰亞胺吡啶鹽(HFSI?Py)的合成

        在5 L內(nèi)襯四氟的反應(yīng)釜內(nèi)加入2 000 g雙氯磺酰亞胺(HClSI)和500 g吡啶(Py),開啟制冷機,設(shè)置制冷機溫度為0~5 ℃,在攪拌下往反應(yīng)釜內(nèi)緩慢滴加975 g Py?HF,滴加過程中保持釜內(nèi)溫不超過25 ℃,滴加完成后繼續(xù)反應(yīng)1 h,過濾出料,然后往濾液內(nèi)加入2 600 g去離子水,分層取下層液得HFSI?Py。

        1.5 雙氟磺酰亞胺鋰(LiFSI)的合成及純化

        在5 L內(nèi)襯四氟反應(yīng)釜內(nèi)加入一定量的水和氫氧化鋰,攪拌分散均勻,然后緩慢滴加一定量的HFSI?Py進行鋰交換成鹽反應(yīng),滴加過程中保持釜溫在35 ℃以下,將反應(yīng)生成的Py在1 kPa真空下蒸出,得到LiFSI水溶液。

        向LiFSI水溶液中加入一定量的無水乙醇,在30~35 ℃及4 kPa真空下不斷蒸出乙醇,同時不斷補加無水乙醇,直到LiFSI的水分含量低于1%。停止加入無水乙醇并過濾,然后將過濾清液在真空下蒸出乙醇,至乙醇含量低于15%時,加入一定量的二氯乙烷,過濾得濾餅。濾餅與二氯乙烷按質(zhì)量比1:1進行打漿,再次過濾,最后濾餅用50~60 ℃熱氮氣烘干得產(chǎn)品LiFSI。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 水的添加量對HFSI?Py轉(zhuǎn)化率和LiFSI收率的影響

        在HFSI?Py與氫氧化鋰反應(yīng)時,水添加量對產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率有較大影響,見表3。

        表3 水添加量對HFSI ? Py轉(zhuǎn)化率的影響

        由表3可知,隨著水添加量的增加,HFSI?Py的轉(zhuǎn)化率逐漸增大,而后趨于平穩(wěn),這是因為在水添加量較低時,氫氧化鋰無法完全溶解在水中,HFSI?Py與氫氧化鋰反應(yīng)無法完全進行,HFSI?Py中少量游離的氟離子以及LiFSI分解產(chǎn)生的氟離子與氫氧化鋰反應(yīng)生成的LiF會附著在氫氧化鋰表面,導(dǎo)致未溶解的氫氧化鋰粉末無法與HFSI?Py繼續(xù)反應(yīng),從而使HFSI?Py轉(zhuǎn)化率和LiFSI收率降低。隨著水添加量的增加,氫氧化鋰的溶解效果越來越好,反應(yīng)也越來越充分,HFSI?Py轉(zhuǎn)化率和LiFSI收率增加。當(dāng)水添加量超過90g后,HFSI?Py轉(zhuǎn)化率和LiFSI收率變化趨于平緩,LiFSI收率甚至因水添加量增加導(dǎo)致除水時間變長而降低。綜合考慮后續(xù)除水能耗及效率,水的最佳添加量為90g。

        2.2 氫氧化鋰的添加量對HFSI?Py轉(zhuǎn)化率和LiFSI收率的影響

        氫氧化鋰的添加量對HFSI?Py轉(zhuǎn)化率和LiFSI收率的影響見表4。

        表4 氫氧化鋰添加量對HFSI?Py轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)品收率的影響

        由表4可知,隨著氫氧化鋰添加量的增加,HFSI?Py轉(zhuǎn)化率逐漸增加,但LiFSI的收率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,這是因為氫氧化鋰添加量在20g以下時,按理論計算,氫氧化鋰添加量不足以使100g的HFSI?Py完全反應(yīng);而添加量超過23g后,雖然HFSI?Py轉(zhuǎn)化率升高,但LiFSI的收率反而降低,這是因為氫氧化鋰為強堿,在大量水存在下,堿性太強,會導(dǎo)致LiFSI加速分解,進而導(dǎo)致LiFSI的收率降低。因此,選用23g的氫氧化鋰作為添加量較佳。

        2.3 除水溫度對LiFSI收率的影響

        乙醇具有一定的極性,常用于溶液除水。在大量水存在下,LiFSI不穩(wěn)定,極易分解,特別是在高溫下分解更快。因此,對LiFSI除水時,應(yīng)盡可能在低溫下進行。除水溫度對LiFSI收率的影響見表5。

        表5 除水溫度對LiFSI收率的影響

        由表5可知,隨著除水溫度的升高,物料除水時間快速縮短,當(dāng)溫度升高至30~35 ℃時,繼續(xù)升高溫度,物料除水時間變化不大,這是因為溫度較低時,乙醇揮發(fā)速率小,導(dǎo)致除水時間較長,隨著溫度的升高,除水時間明顯縮短。但是,當(dāng)溫度在35 ℃以上時,除水時間變化不明顯,這是因為在高真空下,乙醇在35 ℃以上揮發(fā)速率太快,導(dǎo)致乙醇蒸發(fā)時無法及時有效地把水帶出,進而除水時間變化不明顯。

        此外,隨著除水溫度的升高,LiFSI的收率呈現(xiàn)先增后減的趨勢,這是因為在低溫除水,雖然低溫可以減少LiFSI的分解,但在長時間過高水分存在下,LiFSI不穩(wěn)定,也容易分解[13];而在高溫下,雖然除水速率加大,但高溫使LiFSI的分解速率也加大。綜合考慮除水溫度選擇30~35 ℃。

        2.4 二氯乙烷用量對LiFSI品質(zhì)的影響

        在除水合格后的LiFSI溶液中殘留有許多乙醇及其他雜質(zhì),無法用減壓蒸餾的方法將乙醇和雜質(zhì)去除,可以利用LiFSI在二氯乙烷溶劑中溶解度差的特點對其進行析晶提純,二氯乙烷用量對LiFSI品質(zhì)影響較大,見表6。

        表6 二氯乙烷用量對LiFSI品質(zhì)的影響

        由表6可知,隨著二氯乙烷用量的增加,LiFSI的收率和粉末晶體含量逐漸增加,這是因為二氯乙烷加入到LiFSI溶液后,LiFSI在二氯乙烷中溶解度差,導(dǎo)致LiFSI無法在原有的溶液體系中再溶解而結(jié)晶析出。二氯乙烷用量越大(相當(dāng)于稀釋體系中殘留乙醇濃度),LiFSI析出越多,殘留在乙醇中溶解的LiFSI就越少,從而收率也越高。而二氯乙烷用量較少時,體系雜質(zhì)濃度較高,在晶體成長過程中,容易把雜質(zhì)包覆在晶體內(nèi),而晶體內(nèi)雜質(zhì)在也無法通過打漿清洗出來,導(dǎo)致產(chǎn)品純度較低,進而晶體內(nèi)離子含量及色度也較高;反之,二氯乙烷用量較多時,體系雜質(zhì)濃度較低,在晶體成長過程中,不易把雜質(zhì)包覆在晶體內(nèi),產(chǎn)品離子含量及色度低。綜合考慮原材料成本因素,二氯乙烷較佳的用量為150g。

        3 結(jié)論

        以雙氯磺酰亞胺為原料,經(jīng)氟化、成鹽和析晶純化制備雙氟磺酰亞胺鋰,討論了水、氫氧化鋰、二氯乙烷用量以及除水溫度對雙氟磺酰亞胺鋰轉(zhuǎn)化率及收率的影響。結(jié)果表明:雙氟磺酰亞胺吡啶鹽100g、水90g、一水合氫氧化鋰23g、二氯乙烷150g時(按乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)占15%的LiFSI溶液100g計算),以及在30~35 ℃下,制得的LiFSI轉(zhuǎn)化率和收率最佳。本工藝通過乙醇帶水并在高真空下進行,避免了LiFSI在高溫下容易分解的影響,保證產(chǎn)品品質(zhì),為LiFSI工業(yè)化生產(chǎn)提供強有力的理論支撐。

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