第47卷第7期 无机盐工业 2015年7月 INORGANIC CHEMICALS INDUSTRY 75 锂离子电池电解质盐四氟硼酸锂的制备与表征 桑俊利。赵庆云。刘大凡 (中海油天津化工研究设计院,天津300131) 摘 要:四氟硼酸锂由于具有良好的热稳定性,对环境水分不太敏感而成为锂离子电池电解质研究的热点。介 绍了四氟硼酸锂电解质材料的性质,综述了气一固反应法、水溶液法、非水溶剂法及氟化氢溶液反应法等四氟硼酸锂 的制备方法。同时阐述了红外光谱分析法、X射线分析法、离子色谱分析法、热分析法及电化学性能分析法等四氟硼 酸锂的表征技术.并提出了四氟硼酸锂作为锂离子电池电解质的研究与开发方向。 关键词:LiBF4;电解质盐;锂离子电池 中图分类号:TQ131.11 文献标识码:A 文章编号:1006--4990(2015)07—0075—04 Preparation and characterization of LiBF4 electrolyte of lithium ion batteries Sang Junli,Zhao Qingyun,Liu Dafan (CNOOCTianjinChemicalResearch&DesignInstitute,Tianjin 300131,China) Abstract:LiBF4 had become a hotspot in electrolyte research for ai-ion batteries because of its good thermal stability and moisture insensitivity.The properties of LiBF4 were introduced.The LiBF4 preparation methods,such as gas・solid reaction method,aqueous solution method,non aqueous solvent method,and fluorine hydride solution method,were summarized.hTe LiBF4 characterization technologies,such as infrared spectroscopy analysis,X-ray difraction analysis,ion-chromatographic analysis,thermal analysis,and electrochemical performance analysis,were stated.hTe direction on the research and develop- ment ofLiB17,for iL-ion battery Was also put forward. Key words:LiBF4;electrolyte;lithium ion battery 锂离子电池是新一代的绿色高能电池.经过近 1 LiBn的性质 20 a的技术进步.凭借自身优点其用途已经从传统 电子消费市场拓展进入电动车、电动工具、储能电池 LiBF4是一种常见的锂离子电池电解质盐.通 及军工领域 已成为在21世纪对国民经济和人民生 常都是以含结晶水的形式存在.要制备LiBF4的单 活具有重要意义的高新技术产品。电解质作为锂离 晶比较困难。K.Matsumoto等_3]第一次正确地测定出 子电池的基础原料之一.直接影响着锂离子电池的 了LiBF4的晶体结构 工作性能。由于LiPF 具有突出的氧化稳定性和较 LiBF4晶体属于三方晶系的 ,2 空间群,Li+ 高的离子电导率.是目前锂离子电池电解液的首选 和周围的4个BF4_中的F配位。而与U同系的Na 的四氟硼酸化合物的配位数为8,KBF 的配位数为 电解质。然而LiP 的热稳定性较差,对水分和HF 极其敏感.容易发生分解反应产出微量的LiF及PF5 1O,甚至LiClO 中Li+的配位数都为6。C104-与B 影响电池性能,且必须配合碳酸乙烯酯(EC)使用, 的空间结构都是正四面体.而且前者比后者的体积 才能在碳负极表面形成稳定的固体电解质界面 大。因此LiBF4晶体具有较大的分子单元体积。LiBF4 结构的确定不仅可以解释热稳定性的问题.而且可 (SEI)膜;而EC的熔点为37℃,会对低温性能造成 影响。为了避开LiPF6的这些缺点.人们花了很大的 以帮助理解其在溶剂中的行为.从而为开发LiBF4 精力来开发其他的电解体系 LiBF4凭借其对环境水 基电解质体系提供一些理论依据 分不是太敏感,热稳定性比LiPF 强,毒性没有 2 LiB 的合成方法 LiAsF6大,安全性比LiCIO 高[1l,且能有效地防止Al 2.1气一固反应法 集电极的腐蚀[2].还可以拓宽锂离子电池的工作温 气一固反应法是将气体三氟化硼和固体氟化锂 度范围等优点逐渐进入了锂离子电池电解质的研究 在一定条件下直接反应生成四氟硼酸锂。其反应原理: 领域.LiBF4基电解质体系成为电解体系的研究重点 BFs+LiP——}LiBF, 之一 操作方法:将BR气体通入放有LiF固体的容 76 无机盐工业 第47卷第7期 器中。两者接触即可生成LiBF 。但是由于LiF活性 较低。该反应基本上只能在固体表面进行;因此反应 效率低.所得产品中含有大量未反应的LiF 黄力等[4]采用多孔的LiF为原料制备LiB .可 氢反应制备四氟硼酸锂的方法。反应原理: Li2CO3+B20r 2LiBO2+CO2 LiBOz+4H F_——}LiBF4+2H ̄O 制备方法:将碳酸锂与硼酐混合加热制备偏硼 以提高产率,降低杂质含量。其反应原理: LiF(固体)+HF(气体)——}LiHF2(固体) 酸锂。把固体偏硼酸锂加定量的水制成膏体。然后将 偏硼酸锂膏体缓慢加人HF溶液中,经反应、浓缩产 品、重结晶、加热干燥得到高纯LiBF,。该工艺特点 LIHF ̄(固体)——叫 F(多孔固体)+HF(气体) BF3(气体)+L (多孔固体)——}uBF4 是:无副反应,反应物可计量,产品纯度高,其LiBF4 适用于锂离子电池电解质 制备方法:通人HF气体与LiF固体反应生成 LiHF2固体:在60~700℃条件下减压除去LiHF2固 体中的HF,形成多孑L的LiF固体;通入B 气体,使 其在50~200 oC条件下与多孑L的LiF固体反应生成 LiBF ̄。 气一固反应法制备LiBF4的过程简单.易于操 作.采用多孔的LiF制备LiBF4的方法可提高产率 但气一固反应法合成LiBF.工艺对反应设备要求高、 过程控制要求严格、反应不均匀、效率低、对原料的 要求也非常高.因此很难工业化生产。 2.2水溶液法 水溶液法分为四氟硼酸法和偏硼酸锂法两种 2.2.1四氟硼酸法 四氟硼酸水溶液法是将一定浓度的HBF4溶液 与Li2CO,反应得到LiBF4水溶液,然后除去其中的 水分。其反应原理: 4HF+H3BOr HBF,+3HzO 2HBF4+Li2CO厂—+2HBF,・nHzO+H20+COz 由于水溶液法没有使用BF .因此其成本相对 较低。但是由于LiBF,易形成LiBF4・H:0、LiBF4・ 3H 0晶体,所以所得产品质量不高,为除去结晶水 需要长时间真空干燥.消耗大量电能.而且在干燥过 程中,可能由于局部过热而导致固体熔融、包裹等影 响干燥效果 周园等[s]应用梯度式升温脱水方式以硼酸、氢 氟酸和碳酸锂为原料用水溶液法经浓缩、结晶和脱 水制备出LiBF,,产物,解决了在脱水过程中因熔融、 包裹而不能完全脱水的问题 马育新等嘲在水溶液法的基础上进行改进:利 用水溶液法制备出LiBF4.H 0,再经过短时间的真 空干燥得到LiBF4・H20和LiBF4的混合物,加入乙 醇,搅拌溶液,过滤除去杂质,然后蒸馏、真空干燥, 得到无水LiBF4产品 2.2.2偏硼酸锂法 S.Angaiah等 发明了偏硼酸锂(LiBO )与氟化 2.3非水溶剂法 非水溶剂法是将LiF溶解在有机溶剂中形成悬 浊液。通入BF 反应生成LiBF4。过滤、干燥除去有机 溶剂,得到无水LiBF4固体。Friedrich H0lger等[8]发 明了在乙醚中制备高纯LiBF ̄。其反应式: BF3・(C2 hO+LiF_—+LiBF,+(C2 )20 制备方法:LiF加到乙醚中得到悬浮物,将此悬 浮物搅拌中加到BF 乙醚络合物乙醚溶液中反应生 成HBF4。然后回流、冷却、过滤.滤饼用乙醚洗涤后, 在氮气中真空干燥1 h,制得含HF、水的质量分数 均<lxl0 ̄的产品 但是,由于此方法得到的LiBF4在醚中难溶。而 且产品纯度不高.所以一般不能用作锂离子二次电 池用电解质:同时醚类溶剂比较危险,使用场合受到 很大的限制 宁延生等[9]发明了将自制高纯气态三氟化硼(B ) 压人含氟化锂的乙酸乙酯溶液内进行接触反应.反 应时间为2 7 h.至悬浊液澄清.将反应液经减压蒸 馏结晶.得到四氟硼酸锂湿品,使用洗涤纯化剂对其 进行洗涤、提纯、干燥得到无水高纯四氟硼酸锂。 陈晓军等[10]以高纯氟化锂与三氟化硼配合物在 链状碳酸酯有机溶剂中反应,经过滤、浓缩、萃取结 晶、洗涤、干燥,得到四氟硼酸锂。 由于此反应生成的LiBF4可直接溶于溶剂当 中。使反应平衡正向移动,可提高产率。反应结束后. 将溶液中的不溶物过滤掉。继续通人BF,,使其与溶 剂形成配合物,降低溶液中LiBF4的溶解度。同时, 加热浓缩混合液,可以析出LiBF4晶体。由于所用混 合溶剂一般为常用溶剂.所以有利于工业上连续生 产:此外。由于此方法并无水参与.有效地防止结晶 水的生成.可制得无水LiBF4。 2.4氟化氢溶液反应法 氟化氢溶液反应法类似于混合溶剂法.是将 LiF溶解在无水HF中形成一定比例的溶液.再通入 2015年7月 桑俊利等:锂离子电池电解质盐四氟硼酸锂的制备与表征 77 B 反应生成LiBF4。过滤、干燥,得到无水LiBF4固 体。其反应式: BF3+UF(HF)———'rUBF4+HF LiBF4在HF中溶解度很小。随着反应的进行. LiF逐渐被消耗,生成的LiBF,逐渐析出。反应结束 后。继续通入过量的B 确保反应完全,之后在密闭 设备中过滤,真空干燥得到LiBF4。此法优点:由于此 反应不接触水溶液,因此制得的LiBF 不含结晶水; 通人过量的B 。固体杂质少;反应速度快,产率高; 滤液可循环使用,节约成本。缺点:由于使用无水HF 溶液,对过滤、干燥设备及管路等材质要求较高。 Monoka Masaki等[1】]以N2稀释的F2干燥低温 下配制的以HF为溶剂的Li.HF溶液.然后与B 反应,经低温析晶、过滤、干燥后得到LiBF4产品。 王坤等[坨刷用四氟硼酸盐(MBF4)在HF溶液中 与卤代锂(如LiF)反应。利用溶解度的不同。通过离 子交换方法制备四氟硼酸锂。该反应在0 15℃进 行,反应后经过滤、加热蒸发、降温结晶得到LiBF4 晶体;真空干燥后制得LiBF4产品。 3 LiBF4的表征技术 3.1红外光谱分析 LiBF4晶体属于三方晶系的尸3 2 空间群,其中 B 类似于XY 分子型。通过LiBF 的红外特征吸收 峰可以判断制备的LiBF4的结构是否正确,LiBF 的 光谱活性主要由B 基团引起。LiBF4的具体红外特 征吸收峰见表1 表1 LiBn的基本红外特征吸收峰Ⅲ 3.2 X射线分析 图1为LiBF4样品的X射线衍射谱图[6】。该谱 20 30 4o 5O 6o 70 2 口) 图1 “Bn的XRD图I 图与标准PDF卡片(卡片号为40—1431)对照,出峰 位置及强度基本相同。确认样品为LiBF4物质。 3.3 离子色谱分析 图2为1O.0 mL的F一标准溶液、20.0 mL 的BO 标准溶液、80 mL的B 标准溶液的离子 色谱峰[13] 待测液在相同检测条件下得到的检测结 果为P(BF4一)=O.045 L,经换算后得到的产物质量 浓度为P(BE4-)=90.1 g,L,同时并无F一、BO33一等杂质 离子检出。说明产物纯度高。 5。 4o 3o 窭 。 1。 O U 2 4 6 时间/rnin 图2 r、BO3 、B 标准的离子色谱图[13 3.4热分析 图3为LiBF4热分解的TG—DTG曲线图。图4 为LiBF,的DSC曲线图[14]。由图3可以看出,LiBF4 在41.16℃处有一个微弱分解峰.在243.23℃处出 现一个强分解峰。 誉 口 温 ℃ 图3 LiBF4热分解的TG.-DTG曲线(升温速率为10'E/minit 】 从图4的LiBF4的DSC曲线中可看出是两个阶 段。对DSC曲线进行处理之后可以得到第一个峰 A日=6.1l4 J/g,最大外推实点温度为42.o9 oC;第二个 峰△日=891.780 J/g,最大外推实点温度为224.67℃, 这两个峰都为吸热峰 78 无机盐工业 第47卷第7期 ≥叫,褂 壤 o 加 珈 爰; 蜘 枷 50 150 250 350 450 550 650 温度/℃ 图4 UBn的DSC曲线【 】 LiBF4的TG曲线中第一个失重峰的失重率很 小,其焓变也较小,可认为是样品中的少量挥发性 杂质的失重及吸附的少量表面水分的失重.而第二 个失重峰的失重率接近LiBF4分解为LiF和BF 的 理论失重率(72.33%),因此LiBF 的分解过程为: LiBF4— LiF+BF3 3.5 电化学性能的研究 电化学性能是测试锂离子电池电解质性能的一 个重要指标。它主要包括充放电容量、循环性能、交 流阻抗等。以LiFePO4为正极活性物质、乙炔黑为导 电剂、聚偏氟乙烯为粘结剂、Ⅳ一甲基吡咯烷酮为溶 剂、铝箔为集流体进行涂片,于120 oC下真空于燥 8 h。锂片为负极,聚丙烯膜为隔膜。分别以LiPF 一 EC/DEC(质量比为1:1)、LiBF 一EC/DEC(质量比为 1:1)为电解液,在手套箱中组装成电池。在选定的充 放电压和充放电流条件下.在电性能测试仪中进行 充放电测试cl5] 通过观察以LiBF4为电解质或其他电解质配制 的电解液组装成的电池的充放电曲线.可知电解质 在一定条件下的放电比容量及充电平台和放电平台 电压。而通过循环曲线,可以了解到随着充放电进程 其容量的衰减程度。通过对不同电解质制备的电解 液进行对比,可以得到最佳的条件。筛选出性能更好 的电解质 4结论 锂离子电池作为一种高性能的二次绿色电池. 已经从传统电子消费市场拓展进入电动车、电动工 具、储能电池及军工领域。LiBF 相对LiPF 对环境 中的水分要求不高,热稳定性优,相对LiAsF 毒性 小,相对LiC10 安全性高,能有效防止Al集电极的 腐蚀,低温性能优良。由于LiBF 具有以上优点,因 而其成为锂离子二次电池电解质的一个研究热点。 目前已在和其他电解质的混用方面取得了进展.有 希望发展成为被军用、储能及动力锂离子电池广泛 采用的优秀电解质体系 参考文献: [I]崔孝玲,李世友,乌志明,等.四氟硼酸锂的热分解动力学[J].吉 林大学学报:理学版,2009,47(6):1323—1327. 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