Способ получения электролита для литиевых источников тока

 

Изобретение относится к области производства литиевых источников тока и может быть использовано при приготовлении электролитных растворов для литиевых батарей и аккумуляторов. Технический эффект заключается в осушке методом азеотропной ректификации высококипящих термически нестойких соединений, температура разложения которых значительно ниже их температуры кипения. Для этого в куб ректификационной колонки с соответствующей эффективностью и числом теоретических тарелок, загружают определенное количество смеси двух органических растворителей, один из которых имеет температуру кипения ниже температуры начала термического разложения второго компонента, приготовленной в определенном соотношении, и азеотропобразующий компонент (бензол, гексан) в определенном количестве на смесь растворителей. Полученный после отбора соответствующего количества дистиллята электролитный раствор (кубовый остаток) содержит не более 30 ppm (3·10³ мас.%) воды. Выход осушенного продукта не ниже 92 мас.%. Электролит готовится смешением определенного количества обезвоженной литиевой соли с осушенным электролитным раствором. 1 табл.

Изобретение относится к области производства литиевых источников тока и может быть использовано при приготовлении электролитных растворов для литиевых батарей и аккумуляторов.

Электролит готовится растворением неорганических солей лития в органических растворителях. К органическим растворителям, применяемым в производстве литиевых источников тока, предъявляются жесткие требования по содержанию примесей, причем примесью, которая наиболее сильно влияет на электрохимические свойства растворителей и электролитных растворов, является вода. Содержание воды в электролитах не должно превышать 50 ppm. (Демахин А.Г. и др. Электролитные системы литиевых ХИТ. Саратов, Изд-во Сарат. ун-та, 1993). Производимые промышленностью органические соединения, применяемые в качестве компонентов электролитных растворов, содержат от 150 до 1000 ppm воды, поэтому при приготовлении электролитных растворов их компоненты подвергаются предварительной осушке.

Среди способов осушки органических растворителей наибольшее распространение получили химическая обработка, адсорбция и ректификация. Проведение химической обработки растворителей (осушка металлическим Na или К, пятиокисью фосфора и т.п.) сопряжено с возможностью дополнительного загрязнения жидкостей электроактивными примесями. Адсорбция примесей воды молекулярными ситами (цеолитами) малоэффективна: используемый цеолит быстро отрабатывает, требует глубокой регенерации, выход осушенного продукта невелик. Ректификация также не обеспечивает высокого выхода осушенного продукта из-за возможности образования азеотропных смесей с органическими примесями и водой. Для относительно высококипящих и недостаточно термически устойчивых растворителей (этиленкарбонат, пропиленкарбонат, γ-бутиролактон, диметилсульфоксид, диметилформамид, сульфолан) рекомендуется малоэффективная вакуумная перегонка (Демахин А.Г. и др. Электролитные системы литиевых ХИТ. Саратов, Изд-во Саратовского ун-та, 1993, с. 49).

Повышение эффективности осушки электролитных систем возможно использованием процесса азеотропной ректификации. Известен способ удаления воды из органических растворителей путем ректификации с добавлением третьего компонента [JP 84 166205, C1. B 01 D 3/40].

Однако эти способы не могут быть применены для осушки высококипящих термически нестойких соединений, температура разложения которых значительно ниже их температуры кипения. Например, эти способы не позволяют осушить этиленкарбонат - один из наиболее распространенных компонентов электролитных растворов для литиевых источников тока, в связи с недостаточной термической стабильностью. При температуре кипения 248°С при 760 мм рт.ст. этиленкарбонат разлагается на окись этилена и СО₂ при нагревании свыше 160°С, относительно стабилен лишь до 125-150°С. При такой температуре в кубе ректификационной колонны в этиленкарбонате должно оставаться до 20% азеотропобразующего компонента, полное удаление которого требует температуры, равной температуре кипения этиленкарбоната, что невозможно вследствие его термического разложения.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому изобретению способ получения органических электролитов для литиевых батарей и аккумуляторов, в котором удаление воды из растворителя производится азеотропной ректификацией [JP 90 87473, С1. H 01 M 6/16].

Недостатком известного способа является невозможность применения его для осушки высококипящих термически нестойких соединений.

Изобретение решает задачу расширения возможностей осушки методом азеотропной ректификации термически нестойких соединений, используемых в электролитных растворах для литиевых источников тока.

Технический эффект заключается в осушке методом азеотропной ректификации высококипящих термически нестойких соединений, температура разложения которых значительно ниже их температуры кипения.

Указанный технический эффект достигается тем, что в данном способе получения электролита для литиевых источников тока, включающем сушку растворителя азеотропной ректификацией с последующим добавлением обезвоженной литиевой соли, согласно изобретению, проводят сушку смеси двух или более органических растворителей с добавлением агента, образующего низкокипящий азеотроп с водой.

При этом азеотропной ректификации подвергают не индивидуальные компоненты электролитных растворов, а смесь растворителей в соотношении, соответствующем составу, используемому в литиевых источниках тока, причем один из используемых компонентов должен иметь температуру кипения ниже температуры начала термического разложения другого компонента.

В качестве азеотропобразующего компонента для глубокой осушки органических растворителей эффективно применение бензола и гексана. В таблице приведены температуры кипения и состав азеотропных смесей наиболее распространенных компонентов электролитных систем (1,2-диметоксиэтана, диметил- и диэтилкарбоната, этилен карбоната) и азеотропобразующих агентов (бензола и гексана) с водой.

В таблице 1 приведены температуры кипения растворителей и состав азеотропных смесей.

Как следует из данных, приведенных в таблице, все испытанные растворители, кроме этиленкарбоната, образуют азеотропные смеси с водой. В принципе эти растворители могут быть осушены четкой ректификацией путем отгона примесей воды в виде азеотропа с основным компонентом, однако этот процесс сопряжен со значительными потерями основного компонента - выход осушенного растворителя будет слишком мал для практического использования этого способа. В то же время бензол и гексан образуют азеотропные смеси с водой, температура кипения которых на 11°С и 7,1°С ниже температуры кипения бензола и гексана соответственно и значительно ниже температур кипения азеотропов с водой компонентов электролитных систем.

Таким образом, при осушке смеси растворителей, один из которых термически нестоек, практически полное удаление воды произойдет при температуре, значительно ниже температуры начала разложения.

Пример 1.

В куб ректификационной колонки эффективностью 20 теоретических тарелок загружают 200 г смеси этиленкарбоната и диэтилкарбоната, приготовленной в соотношении 1:1 маc., и азеотропобразующий компонент - бензол, в количестве 5 маc.% на смесь этиленкарбоната и диэтилкарбоната. Ректификация проводится при флегмовом числе 10. Отобрано 26 г дистиллата. Максимальная температура в кубе ректификационной колонки составила 130°С. Содержание воды в исходном этиленкарбонате составляло 1000 ppm, в диэтилкарбонате 165 ppm. Осушенный электролитный раствор (кубовый остаток) содержал 30 ppm воды. Выход осушенного продукта составил 92 маc.%. Смесь растворителей смешивают с обезвоженной литиевой солью.

Пример 2.

В куб ректификационной колонки с эффективностью 20 теоретических тарелок загружают 200 г смеси этиленкарбоната и 1,2-диметоксиэтана, приготовленной в соотношении 1:1 маc., и азеотропобразующий компонент - гексан, в количестве 5% маc. на смесь этиленкарбоната и 1,2-диметоксиэтана. Ректификация проводится при флегмовом числе 10. Отобрано 24 г дистиллата. Максимальная температура в кубе ректификационной колонки составила 102°С. Содержание воды в исходном этиленкарбонате составляло 1000 ppm, в 1,2-диметоксиэтане - 170 ppm. Осушенный электролитный раствор (кубовый остаток) содержал 20 ppm воды. Выход осушенного продукта составил 93 маc.%. Смесь растворителей смешивают с обезвоженной литиевой солью.

Пример 3.

В куб ректификационной колонки с эффективностью 20 теоретических тарелок загружают 200 г смеси пропиленкарбоната и диметилкарбоната, приготовленной в соотношении 1:1 маc., и азеотропобразующий компонент - бензол, в количестве 5 маc.% на смесь пропиленкарбоната и диметилкарбоната. Ректификация проводится при флегмовом числе 10. Отобрано 24 г дистиллата. Максимальная температура в кубе ректификационной колонки составила 108°С. Содержание воды в исходном пропиленкарбонате составляло 920 ppm, в диметилкарбонате - 140 ppm. Осушенный электролитный раствор (кубовый остаток) содержал 30 ppm воды. Выход осушенного продукта составил 93 маc.%. Смесь растворителей смешивают с обезвоженной литиевой солью.

Предложенный способ позволяет получать электролит для литиевых источников тока с содержанием воды в электролитах, не превышающим 50 ppm (5·10^-3 маc.%), на основе высококипящих химически нестойких соединений, температура разложения которых ниже их температуры кипения.

Формула изобретения

Способ получения электролита для литиевых источников тока, включающий сушку растворителя азеотропной ректификацией с последующим добавлением обезвоженной литиевой соли, отличающийся тем, что проводят сушку смеси органических растворителей с добавлением агента, образующего низкокипящий азеотроп с водой, при этом один из растворителей должен иметь температуру кипения ниже температуры начала термического разложения другого растворителя.