Die wichtige Rolle der Filterwasch- und Trocknungsmaschine bei der sicheren Herstellung von Lithiumhexafluorophosphat

Lithiumhexafluorophosphat ist einer der Kernbestandteile von Lithium-Ionen-Batterien. Die Produktqualität bestimmt Lade- und Entladeverhalten, Lebensdauer und Sicherheit der Batterien. Die Eigenschaften des aus Lithiumhexafluorophosphat und organischen Carbonatlösungsmitteln hergestellten Elektrolyten beeinflussen direkt die Lade- und Entladekapazität, die Zyklenlebensdauer und die Sicherheit der Lithium-Ionen-Akkus. Aufgrund seiner starken Hygroskopizität zersetzt es sich leicht an der Luft. Daher sind die Herstellungsbedingungen sowie die Anforderungen an Verpackung und Lagerung sehr streng. Bei Kontakt mit Wasser zersetzt es sich in Säure, die ätzend auf menschliches Gewebe wirkt und daher nicht direkt berührt werden darf. Es muss in einem luftdichten Behälter gelagert werden. Bei der Verwendung muss die Luftfeuchtigkeit unter 10 ppm liegen. Um eine Zersetzung zu verhindern, ist ein Betrieb in einer trockenen Umgebung erforderlich.

Die gängigen Reinigungsverfahren für LiPF6 sind die thermische Vakuumtrocknung und die Lösungs-Umkristallisation. Bei der Lösungs-Umkristallisation wird LiPF6 in Ether, Dimethylcarbonat oder Diethylcarbonat bei einer bestimmten Temperatur gelöst, zentrifugiert, um unlösliche Bestandteile zu entfernen, und anschließend die Temperatur gesenkt, sodass LiPF6 aus dem organischen Lösungsmittel umkristallisiert. Die durch Filtration erhaltenen LiPF6-Kristalle werden vakuumgetrocknet, um das Endprodukt zu erhalten (CN1884046). Dieses Reinigungsverfahren ist jedoch relativ aufwendig und nicht für die kontinuierliche Produktion geeignet. Zudem bindet das Umkristallisationsprodukt organische Lösungsmittel, was die Reinheit des Produkts beeinträchtigt. Der Einsatz großer Mengen organischer Lösungsmittel führt zu erhöhten Produktionskosten, wodurch die großtechnische Anwendung von LiPF6 erschwert wird. Darüber hinaus beschreibt CN1462722 ein Verfahren zur Feuchtigkeitsentfernung aus LiPF6 mittels saurem Gas. Zum einen kann diese Methode den Fluorwasserstoff im LiPF6-Rohprodukt nicht entfernen und führt zu sauren Gasverunreinigungen.

Im Vergleich zu den oben genannten Methoden besteht die thermische Vakuumtrocknung darin, das LiPF6-Rohprodukt direkt im Vakuum zu erhitzen und zu reinigen. Dieses Reinigungsverfahren eignet sich für die großtechnische Herstellung von LiPF6 und vermeidet die Sekundärkontamination von LiPF6, die bei der Lösungs-Umkristallisationsmethode auftritt. Das Hauptproblem der thermischen Vakuumtrocknung besteht darin, die Zersetzung von LiPF6 während des Erhitzungsprozesses zu verhindern und sicherzustellen, dass jedes Partikel des LiPF6-Rohprodukts vollständig dem Vakuum ausgesetzt ist, sodass kein Fluorwasserstoff in das Endprodukt gelangt und dessen Fluorwasserstoffgehalt unter 80 ppm liegt.

Aufgrund der Toxizität von Lithiumhexafluorophosphat muss die Herstellung und der Umgang mit Lithiumhexafluorophosphat jedoch streng kontrolliert werden, und vor allem muss die am besten geeignete Produktionsanlage für Lithiumhexafluorophosphat ausgewählt werden.

Um die vielfältigen Probleme der herkömmlichen Kristallisation, Filtration und Trocknung von Lithiumhexafluorophosphat zu überwinden und gleichzeitig den Anforderungen der chemischen Industrie im Hinblick auf hochwertige, wertschöpfungsintensive, vielfältige und kleinvolumige Produkte gerecht zu werden, hat Wuxi ZhangHua Machinery Co., Ltd. erfolgreich eine All-in-One-Maschine zur Filtration, Wäsche und Trocknung von Lithiumhexafluorophosphat entwickelt und produziert (Patentnummer: 202122464595.4).

Die neue Technologie betrifft die Trennung und Reinigung von Lithiumbatterie-Elektrolyten. Sie nutzt Stickstoffdruckfiltration und gepulste Vakuumtrocknung bei niedriger Temperatur, um HF und Verunreinigungen aus rohem Lithiumhexafluorophosphat zu entfernen. Sie ermöglicht eine hocheffiziente, sichere und kontinuierliche Produktion von sechs Lithium-Oxyphosphat-Produkten.

Die konische Filterwasch- und Trocknungsanlage für gereinigtes Lithiumhexafluorophosphat besitzt eine Zylinder-Kegel-Struktur. Ein Heizmantel am Gehäuse und am unteren Kegel dient zum Erhitzen oder Kühlen des Materials. Im Inneren der Multifunktionsanlage befinden sich eine Hohlwelle und ein winkelverstellbarer Verdichter. Ein spiralförmiges Hohlrührwerk mischt und hebt das Material und befördert es beim Austrag nach außen. Im unteren Kegel ist ein konischer Filter mit komplexer Struktur installiert. Am Boden der Anlage befindet sich entweder ein speziell entwickelter, totwinkelfreier Schnellöffnungsaustrag oder ein totwinkelfreies pneumatisches Kugelventil.

In der Reaktionsphase werden die Reaktionsmaterialien von oben zugegeben. Die einzigartige Rührstruktur sorgt für eine gleichmäßige Durchmischung der Materialien in der Maschine. Gleichzeitig werden die Materialien durch Zylindermantel, Konusmantel, Hohlwelle und Hohlband erhitzt oder gekühlt, sodass die Reaktion vollständig in der Maschine abläuft. In der Filtrationsphase wird das Material durch Druckbeaufschlagung oder Vakuumierung filtriert und getrocknet. Anschließend wird Waschflüssigkeit zugegeben, sodass das Material in der Maschine automatisch mehrmals aufgeschlossen und gewaschen wird. Nach Erfüllung der Waschanforderungen wird es gepresst und getrocknet. In der Trocknungsphase wird das Material durch Zylindermantel, Konusmantel, Hohlwelle und Hohlband gleichzeitig erhitzt und von oben evakuiert. So wird das Material bei niedriger Temperatur vakuumdicht getrocknet und nach dem Trocknen automatisch versiegelt und ausgetragen.

Technische Verbesserung der konischen Filterwasch- und Trocknungsanlage zur Reinigung von Lithiumhexafluorophosphat

(1) Die Kristallisationsmutterlauge und die Lithiumhexafluorophosphat-Kristalle werden versiegelt und filtriert, um eine effiziente Trennung zu ermöglichen und den Gehalt an Verunreinigungsmetallionen effektiv zu reduzieren.

Die konventionelle thermische Trocknung ist weit verbreitet, jedoch ist sie zeitaufwendig und weist Nachteile wie unvollständige Trocknung auf. Zudem lässt sich HF im Produkt nicht effektiv und schnell entfernen, was die Produktqualität beeinträchtigt. Das durch Filtration und Reinigung gewonnene Lithiumhexafluorophosphat weist eine Reinheit von über 99,9 % auf. Das Verfahren ist hochsicher, die Mutterlauge kann recycelt werden und die Kosten sind gering.

(2) Vollständig geschlossener Betrieb, Betrieb unter Schutz durch positiven Sauerstoffdruck.

Lithiumhexafluorophosphat zersetzt sich leicht in Verbindung mit Wasser. Aufgrund seiner starken Hygroskopizität zersetzt es sich auch an der Luft, weshalb die Herstellungsbedingungen sehr streng sein müssen. Der Produktionsprozess von Lithiumhexafluorophosphat erfordert daher höchste Reinheit, niedrige Temperaturen sowie absolute Wasser- und Staubfreiheit. Aus diesem Grund werden alle Prozesse im System unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Bevorzugt wird Stickstoff als Schutzgas verwendet. Das System wird mit Stickstoff gefüllt, um einen Überdruck zu gewährleisten und so den Kontakt des Produkts mit Luft effektiv zu verhindern.

(3) Beim Trocknungsprozess wird eine mehrstufige und mehrstufige Erwärmung angewendet: In der Anfangsphase der Trocknung wird mit niedriger Temperatur und langsamer Erwärmung Restsäure von der Kristalloberfläche entfernt; die Dauer der Hochtemperaturtrocknung in der späteren Phase wird verkürzt, um freien Schwefel effektiv abzutrennen und den Zersetzungsgrad von LPF6 auf ein Minimum zu reduzieren.

(4) Im späteren Stadium des Trocknungsprozesses wird die Stickstoffpuls-Vakuumtrocknungsmethode angewendet. Diese verkürzt die Trockenexplosionszeit der LiPF6-Kristalle, sorgt für eine gleichmäßige Trocknung, verbessert die Trocknungseffizienz und -qualität und verhindert, dass sich nach der Trocknung Material in der Trockenkammer ansammelt oder diese verstopft.

Das Material wird in dem kegelförmigen Behälter erhitzt, sodass der Wärmeaustausch zwischen Material, Heizband und Wand durch die unregelmäßige Bewegung des Materials in alle Richtungen vollständig ist. Unter Vakuum wird so in kurzer Zeit Mischen und Trocknen erreicht. Das neue Pulsmischverfahren nutzt Stickstoff unter hohem Druck, um das Material schnell zu vermischen. Dadurch wird die Durchmischung beschleunigt und gleichmäßiger, und Säure im Inneren der Produktkristalle sowie geringe Säurereste an der Oberfläche werden rasch entfernt. Im Vergleich zur herkömmlichen thermischen Trocknung verkürzt die Stickstoffpuls-Direktlufttrocknung die Trocknungszeit erheblich und reduziert gleichzeitig den Gehalt an freien Ionen im Produkt. HF-Einschlüsse werden effektiv entfernt, die Produktqualität verbessert und die Produktionsprozesse optimiert.

(5) Die thermische Stabilität von Lithiumhexafluorophosphat ist geringer als die anderer Lithiumsalze. Es kann sich bei 60 °C in geringen Mengen in LiF und PF₅ zersetzen. Sobald der freie Säureindex die Anforderungen erfüllt, sollte schnell abgekühlt werden, um den Einfluss der Hochtemperaturzone auf die unlöslichen Bestandteile zu minimieren.

(6) Sowohl die Wärmequelle als auch die Kältequelle verwenden eine Formtemperaturregelung mit Wärmeleitöl und präziser Temperaturregelung.

Die Heißöl-Formtemperaturmaschine erzeugt ein Niederdruck-Hochtemperatur-Wärmeträgermedium, das sich leicht einstellen lässt, eine gleichmäßige Erwärmung gewährleistet und die präzise Prozesstemperatur einhält. Bei einer Temperatur des Wärmeträgeröls über 80 °C muss es von der Luft isoliert werden, da es sonst schnell verdampft und sich zersetzt. Wärmeträgeröl ist brennbar; daher sind wirksame Brandschutzmaßnahmen zu treffen.

(7) Es wird eine lufttrocknende, doppelseitige Gleitringdichtung verwendet.

Das herkömmliche Prinzip der Flüssigkeitsabdichtung wird durch das Prinzip der Gasabdichtung ersetzt. Das heißt, die Dichtungsflüssigkeit wird durch ein Dichtungsgas ersetzt, um ein vollständiges Austreten des Prozessmediums zu gewährleisten. Die gesamte Dichtung arbeitet berührungslos und verbraucht nur 5 % des Energieverbrauchs herkömmlicher Doppelenddichtungen. Ihre Lebensdauer ist mehr als fünfmal so lang. Das Hilfssystem mit seiner einfachen Struktur verhindert die Kontamination und das Austreten von Prozessmedium in die Atmosphäre und macht die herkömmliche Doppelend-Gleitringdichtung unabhängig vom Kühlwasser- und Ölsystem. Als Dichtungsgas wird industrieller Stickstoff oder Druckluft verwendet, dessen Druck 0,15–0,2 MPa über dem des Mediums liegt.

(8) Automatisches Steuerungssystem, das intelligent den Betriebszustand der Anlage und den Trockenheitsgrad des Materials überwacht; kein manuelles Anschließen der Anlagenleitungen erforderlich, wodurch der Arbeitsaufwand reduziert wird; Verwendung von heißem Stickstoff zur Isolierung des Materials von der Luft und Aufrechterhaltung des Säuregehalts des Produkts; luftdichter Transport während des gesamten Prozesses, wodurch die Produktqualität stabiler und der Betrieb sicherer und bequemer wird.