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JP3071393B2 - リチウム電池用電解液の製造方法 - Google Patents

リチウム電池用電解液の製造方法

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JP3071393B2
JP3071393B2 JP8295586A JP29558696A JP3071393B2 JP 3071393 B2 JP3071393 B2 JP 3071393B2 JP 8295586 A JP8295586 A JP 8295586A JP 29558696 A JP29558696 A JP 29558696A JP 3071393 B2 JP3071393 B2 JP 3071393B2
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lithium
fluoride
lithium battery
gas
phosphorus pentafluoride
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久和 伊東
満夫 高畑
辻岡  章一
忠幸 川島
素直 山本
広美 佐々木
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Central Glass Co Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ヘキサフルオロリ
ン酸リチウムを含有したリチウム電池用電解液の製造方
法に関する。
【0002】
【従来技術】リチウム電池において、イオン伝導性を付
与する電解液として、電解質を溶解した有機非水溶液が
一般に使用されている。この有機非水溶媒には、カーボ
ネート類、エーテル類、カルボン酸エステル類等が使用
され、電解質には、主にフッ素化合物のリチウム塩類が
使用されている。
【0003】そのリチウム電池用電解液の電解質として
は、特にヘキサフルオロリン酸リチウムが主に使用され
ており、その製造方法としては、種々提案されている。
例えば、無溶媒下で固体のフッ化リチウムと気体の五フ
ッ化リンを反応させる方法(特開昭64−72901
号)や、無水フッ化水素を溶媒として、溶解したフッ化
リチウムと気体状の五フッ化リンを反応させる方法
(J.Chem.Soc.Part4,4408(19
63))等があり、いずれも五フッ化リンを用いるもの
である。
【0004】この五フッ化リンの製造方法としては、赤
燐とフッ素を反応させる方法や五塩化リンと無水フッ化
水素を反応させる方法等があるが、安全性、操作性およ
びコストの面から、五塩化リンと無水フッ化水素を反応
させる方法が多く用いられている。この反応によって得
られる五フッ化リン中には、原料の五塩化リンに由来す
る種々の塩素化合物が含まれている。
【0005】このような塩素化合物が電解液に不純物と
して存在すると、リチウム電池に使用した場合、電池の
放電容量の低下、内部抵抗の増大、サイクル寿命の低下
等種々の問題を引き起こすことが考えられ、この塩素化
合物を除去することが必要である。
【0006】従来の電解液の製造法としては、まず電解
質であるヘキサフルオロリン酸リチウムを製造し、これ
を有機非水溶媒に溶解する等の方法で行われているが、
不純物の塩素化合物を除去するために、ヘキサフルオロ
リン酸リチウムの製造において、再結晶等の煩雑な操作
が必要となり、コスト、操作性等の面で必ずしも満足で
きるものではなかった。
【0007】
【問題点を解決するための具体的手段】本発明者らは、
かかる従来技術の問題点に鑑み鋭意検討の結果、原料ガ
スをフッ素化処理し、次いでリチウム電池用電解液を不
活性ガスでバブリング処理することにより塩素化合物を
除去することを見いだし本発明に到達したものである。
【0008】すなわち本発明は、五フッ化リンとフッ化
リチウムをリチウム電池用有機非水溶媒中で反応させ、
ヘキサフルオロリン酸リチウムを含有するリチウム電池
用電解液を製造するのに用いる五フッ化リンを製造する
に際して、塩素化合物を含有する五フッ化リンガスとフ
ッ素化剤とを接触させて塩化水素以外の塩素化合物をフ
ッ素化して除去することを特徴とする五フッ化リンの製
造方法、さらに該五フッ化リンとフッ素化剤とを接触さ
せて塩化水素以外の塩素化合物をフッ素化して除去した
後に五フッ化リンを、フッ化リチウムとリチウム電池用
有機非水溶媒中で反応させることを特徴とするリチウム
電池用電解液の製造方法を提供するものである。本発明
の製造方法は、五塩化リンと無水フッ化水素を反応させ
て得られる五フッ化リンを用いて製造する全ての方法に
適用でき、これにより得られるヘキサフルオロリン酸リ
チウムを電解質とするリチウム電池用電解液は、純度の
点で十分満足できるものである。しかも、工程が簡略化
でき、経済的にも低コストな電解液の提供が可能であ
る。
【0009】本発明の製造方法は、まず、固体の五塩化
リンに無水フッ化水素ガスを接触させ、五フッ化リンと
塩化水素を発生させる。このガス中には塩化水素以外の
塩素化合物(一般式として、PClxy(x+y=5)およ
びPOxClyz(2x+y+z=5))が含まれている。これら
は、電解液に不純物として存在すると、リチウム電池に
使用した場合、電池の放電容量の低下、内部抵抗の増
大、サイクル寿命の低下等種々の問題を引き起こすため
好ましくなく、この塩化水素以外の塩素化合物は、この
ままでは容易に除去することができないので、本発明に
おいては、これらの化合物をフッ素化剤でフッ素化する
ことにより、PF5およびPOF3に変換することを可能
にしたものである。その後、このフッ素化したガスとフ
ッ化リチウムとを反応させてヘキサフルオロリン酸リチ
ウムを得る。その方法には、前述したような無溶媒で固
体のフッ化リチウムと反応させる方法、無水フッ化水素
を溶媒として溶解したフッ化リチウムと反応させる方
法、リチウム電池用有機非水溶媒に分散させたフッ化リ
チウムと反応させる方法等があるが、反応収率、反応の
制御のしやすさ、工程の煩雑さ等から、リチウム電池用
有機非水溶媒を用いて反応する方法がより好ましい。こ
のような反応で得られた溶液中には塩化水素が含まれる
が、これを除外することで、全ての塩素化合物を含有し
ないリチウム電池用電解液が得られる。
【0010】塩化水素以外の塩素化合物の主成分は、具
体的には、PClxy(x+y=5)は、PCl23、POx
Clyz(2x+y+z=5)は、POCl2FおよびPOCl3
であり、これをフッ素化剤でフッ素化すると、PF5
よびPOF3となる。
【0011】本発明に用いるフッ素化剤には、HF、K
F、NaF、CaF2、MgF2、ZnF2、AsF3、S
bF3等があり、特に限定するものではないが、フッ素
化率を上げるために、常温で液体或いは気体であるHF
がより好ましい。また、金属等不純物の混入を防ぐため
にもHFが好ましい。
【0012】次に、溶液中の塩化水素を除去する方法と
しては、不活性ガスと接触させる方法を用いる。不活性
ガスと接触させる方法には、溶液中にガスをバブリング
する方法、ガス中へ溶液を噴霧する方法等があり、特に
限定するものではないが、後者の方法は、溶液中の電解
質であるヘキサフルオロリン酸リチウムの分解が起こり
やすいため、前者の方法が好ましい。この時の接触は、
装置内の気液有効接触面積 1.0×1052/m3
上とする。具体的には、1m3の液体に対して、5mm
以下の気泡に分散させたガスを、80m3以上接触させ
る。気液有効接触面積が 1.0×1052/m3以下
では、塩化水素が不純物として残存し、電池性能に悪影
響を及ぼすため好ましくない。また、本発明で用いる不
活性ガスとしては、特に限定するものではないが、一般
的な窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、
キセノン、ラドンが使用される。
【0013】ここで使用する溶媒は、化学的な安定性が
高く、しかもヘキサフルオロリン酸リチウムの溶解度が
高い炭酸エステル化合物、またはエーテル化合物が好ま
しい。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカー
ボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネー
ト、エチルメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエ
タン等が好ましい。
【0014】本発明において使用するフッ化リチウムの
量は、溶媒1リットルに対して、200g以下、好まし
くは100g以下である。フッ化リチウムの量が溶媒に
対して、200gより多い場合は、生成物が飽和にな
り、フッ化リチウム表面に被膜が生成し、未反応のフッ
化リチウムが残存するうえに溶液の粘度が上昇するた
め、濾過等の分離操作が困難になる。
【0015】また、五フッ化リンの量は、フッ化リチウ
ムに対して当量が好ましいが、過剰に系内に導入した場
合、溶液中に吸収されるため、反応後に加熱、減圧等の
操作により除去し、また、当量以下の場合、反応後に未
反応のフッ化リチウムを濾過分離すればよい。
【0016】この反応を行う温度は、下限が−40℃、
好ましくは0℃で、上限は100℃、好ましくは60℃
である。温度が−40℃未満では溶媒が凝固し、また、
100℃より大きい場合、溶媒と五フッ化リンの反応が
起こり、着色や粘度増加の原因となるため好ましくな
い。
【0017】本発明の製造方法において、原料の五フッ
化リン、および生成物のヘキサフルオロリン酸リチウム
は、水分により容易に加水分解を受けるので、水分を含
まない雰囲気で反応を実施する必要がある。すなわち、
真空中や窒素等の不活性ガス雰囲気中で反応を行うこと
が好ましい。
【0018】
【実施例】以下実施例により本発明を具体的に説明する
が、本発明はかかる実施例により限定されるものではな
い。
【0019】実施例1 テフロン製反応器中で200mlジエチルカーボネート
に5.2gフッ化リチウムを添加して、混合分散した。
次に、五塩化リンと無水フッ化水素を反応させ得られた
ガスを、−50℃に冷却した無水フッ化水素液に通して
塩化水素以外の塩素化合物をフッ素化し、五フッ化リン
ガスを得た。該ガスをIRにより測定し、PCl23
よびPOCl3が存在しないことを確認した後、17v
ol%に希釈されたこの五フッ化リンガスを上記の分散
液にバブリングした。
【0020】ジエチルカーボネート中に分散されたフッ
化リチウムが消失した時点で、反応を終了した。このと
きの五フッ化リンの消費量は26gであった。得られた
溶液を、窒素ガスと接触させることにより、未反応の五
フッ化リンと溶存する塩化水素を除去した。この時の気
液有効接触面積は、1.5×105 2/m3とした。
【0021】このようにして得られたヘキサフルオロリ
ン酸リチウムのジエチルカーボネート溶液は、外観的に
は全く着色もなく、IR、NMR、ガスクロマトグラフ
ィー等の分析を行った結果からも、溶媒の分解生成物等
は存在していなかった。また、ヘキサフルオロリン酸リ
チウムの生成は、F19−NMRとイオンクロマトグラフ
ィーにより、確認した。
【0022】ヘキサフルオロリン酸リチウムの生成量
は、溶媒を蒸発させることにより確認したところ、30
g(収率:98.7%)であった。また、リチウム電池
に応用する場合に問題となる全塩素濃度は1ppm以下
であった。
【0023】実施例2 テフロン製反応器中で200mlプロピレンカーボネー
トに7.8gフッ化リチウムを添加して、混合分散し
た。次に、五塩化リンと無水フッ化水素を反応させ得ら
れたガスを、フッ化カルシウムと接触させ塩化水素以外
の塩素化合物をフッ素化し、五フッ化リンガスを得た。
該ガスをIRにより測定し、PCl23およびPOCl
3が存在しないことを確認した後、このガスを上記の分
散液にバブリングし、五フッ化リンが26g消費した時
点で、反応を終了した。
【0024】得られた溶液を、窒素ガスと接触させるこ
とにより、溶存する塩化水素を除去した。この時の気液
有効接触面積は、1.5×1052/m3とした。この
ようにして得られた溶液中のヘキサフルオロリン酸リチ
ウムの生成量は、30g(収率:98.7%)であっ
た。また、リチウム電池に応用する場合に問題となる全
塩素濃度は1ppm以下であった。
【0025】比較例1 テフロン製反応器中で200mlジエチルカーボネート
に5.2gフッ化リチウムを添加して、混合分散した。
この分散液に、五塩化リンと無水フッ化水素を反応させ
得られたガスを、フッ素化せず直接バブリングし、反応
を終了した。その後、この溶液を、窒素ガスと 1.5
×1052/m3で接触させて、溶存する塩化水素を除
去した結果、溶液中の全塩素濃度は600ppmであっ
た。
【0026】比較例2 テフロン製反応器中で200mlジエチルカーボネート
に5.2gフッ化リチウムを添加して、混合分散した。
次に、五塩化リンと無水フッ化水素を反応させ得られた
ガスを、無水フッ化水素でフッ素化した後、上記の分散
液にバブリングし、反応を終了した。その後、得られた
溶液を不活性ガスとの接触処理を行わずに、室温で10
torr程度の圧力で、塩化水素の除去を行った結果、
溶液中の全塩素濃度は2ppmであった。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、五塩化リンと無水フッ
化水素を反応させて得られる五フッ化リンを用いて製造
する全ての方法に適用でき、リチウム電池に種々の問題
を引き起こす塩素化合物を完全に除去することができ
る。また、ヘキサフルオロリン酸リチウムを含有したリ
チウム電池用電解液として、製品の純度の点で十分満足
できるものであり、しかも、工程を簡略化したリチウム
電池用電解液の製造方法を提供することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川島 忠幸 山口県宇部市大字沖宇部5253番地 セン トラル硝子株式会社化学研究所内 (72)発明者 山本 素直 山口県宇部市大字沖宇部5253番地 セン トラル硝子株式会社化学研究所内 (72)発明者 佐々木 広美 山口県宇部市大字沖宇部5253番地 セン トラル硝子株式会社化学研究所内 (56)参考文献 特開 平7−85889(JP,A) 特開 平6−298507(JP,A) 特開 平4−175216(JP,A) 特開 平9−165210(JP,A) 特開 平5−279003(JP,A) 特開 平6−56413(JP,A) 特開 平2−276163(JP,A) 特開 昭64−72901(JP,A) 特開 昭61−151023(JP,A) 特開 昭60−251109(JP,A) 特表 平9−506329(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 10/40 C01B 25/10

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 五フッ化リンとフッ化リチウムをリチウ
    ム電池用有機非水溶媒中で反応させ、ヘキサフルオロリ
    ン酸リチウムを含有するリチウム電池用電解液を製造す
    るのに用いる五フッ化リンを製造するに際して、塩素化
    合物を含有する五フッ化リンガスとフッ素化剤とを接触
    させて塩化水素以外の塩素化合物をフッ素化して除去す
    ることを特徴とする五フッ化リンの製造方法。
  2. 【請求項2】 五フッ化リンとフッ化リチウムをリチウ
    ム電池用有機非水溶媒中で反応させ、ヘキサフルオロリ
    ン酸リチウムを含有するリチウム電池用電解液を製造す
    るに際して、塩素化合物を含有する五フッ化リンガスと
    フッ素化剤とを接触させて塩化水素以外の塩素化合物を
    フッ素化して除去した後に五フッ化リンを、フッ化リチ
    ウムとリチウム電池用有機非水溶媒中で反応させること
    を特徴とするリチウム電池用電解液の製造方法。
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