Le rôle important de la machine de lavage et de séchage des filtres dans la production sûre d'hexafluorophosphate de lithium

L'hexafluorophosphate de lithium est un composant essentiel des batteries lithium-ion. Sa qualité détermine les performances de charge et de décharge, la durée de vie et la sécurité de ces batteries. L'électrolyte, composé d'hexafluorophosphate de lithium et de solvants organiques carbonatés, influe directement sur la capacité de charge et de décharge, la durée de vie et la sécurité de la batterie. Du fait de sa forte hygroscopicité, il se décompose facilement à l'air libre. Sa préparation est donc soumise à des conditions très strictes, de même que son emballage et son stockage. Au contact de l'eau, il se décompose en acide, un acide corrosif pour les tissus humains ; tout contact direct est donc à proscrire. Il doit être stocké dans un récipient hermétique. Lors de son utilisation, l'humidité relative doit être inférieure à 10 ppm afin d'éviter sa décomposition.

Les méthodes de purification du LiPF6 les plus courantes sont le séchage thermique sous vide et la recristallisation par dissolution. Cette dernière consiste à dissoudre le LiPF6 dans de l'éther, du carbonate de diméthyle ou du carbonate de diéthyle à une température donnée, à centrifuger pour éliminer les matières insolubles, puis à abaisser la température afin que le LiPF6 recristallise à partir du solvant organique. Les cristaux de LiPF6 obtenus par filtration sont ensuite séchés sous vide pour obtenir le produit final, comme décrit dans le brevet CN1884046. Cependant, cette méthode de purification est relativement complexe à mettre en œuvre et ne permet pas une production en continu. De plus, lors de la purification du LiPF6, le produit de recristallisation entraîne la présence de solvants organiques, ce qui affecte sa pureté. L'utilisation d'une grande quantité de solvants organiques lors de la purification augmente les coûts de production, ce qui rend difficile l'application du LiPF6 à une production à grande échelle. Par ailleurs, le brevet CN1462722 décrit une méthode d'élimination de l'humidité du LiPF6 par un gaz acide. D'une part, cette méthode ne permet pas d'éliminer le fluorure d'hydrogène du produit brut LiPF6 et introduit des impuretés de gaz acides.

Comparativement aux méthodes précédentes, le séchage thermique sous vide consiste à chauffer et purifier directement le LiPF6 brut sous vide. Cette méthode de purification est adaptée à la production à grande échelle de LiPF6 et permet d'éviter la contamination secondaire du LiPF6 rencontrée lors de la dissolution-recristallisation. Le principal défi du séchage thermique sous vide est d'éviter la décomposition du LiPF6 pendant le chauffage et de garantir que chaque particule de LiPF6 brut soit pleinement exposée au vide, afin d'éviter toute inclusion de fluorure d'hydrogène dans le produit final. Ainsi, la teneur en fluorure d'hydrogène du LiPF6 final est inférieure à 80 ppm.

Cependant, en raison de la toxicité de l'hexafluorophosphate de lithium, sa production et sa gestion doivent être strictement encadrées, et surtout, il est impératif de choisir l'équipement de production le plus adapté.

Afin de surmonter les divers problèmes rencontrés lors des procédés traditionnels de filtration et de séchage de l'hexafluorophosphate de lithium, et de répondre simultanément aux exigences de l'industrie chimique en matière de production de haute qualité, à forte valeur ajoutée, diversifiée et en petites séries, la société Wuxi ZhangHua Machinery Co., Ltd. a développé et produit avec succès une machine tout-en-un de filtration, lavage et séchage de l'hexafluorophosphate de lithium (brevet n° 202122464595.4).

Cette nouvelle technologie concerne la séparation et la purification des électrolytes pour batteries au lithium. Elle utilise la filtration sous pression d'azote et le séchage sous vide pulsé à basse température pour éliminer l'acide fluorhydrique et les impuretés présentes dans l'hexafluorophosphate de lithium brut. Elle permet une production continue, sûre et à haut rendement de six unités. Un dispositif spécifique est dédié à la purification et au séchage de l'oxyphosphate de lithium.

La machine de lavage et de séchage par filtre conique purifié d'hexafluorophosphate de lithium présente une structure en forme de tonneau-cône. Une enveloppe chauffante est installée sur le corps circulaire et le cône inférieur pour chauffer ou refroidir le matériau. Un arbre creux et un conducteur à angle variable sont intégrés à la machine multifonctionnelle. Un dispositif d'agitation à spirale creuse assure le mélange du matériau, le brassant et le remuant avant de l'évacuer. Un dispositif de filtration conique de conception relativement complexe est installé dans le cône inférieur, et un système d'évacuation à ouverture rapide sans zone morte, ou une vanne à bille pneumatique sans zone morte, est installé à la base de l'équipement.

Lors de la phase de réaction, les réactifs sont introduits par le haut. La structure d'agitation unique assure un mélange homogène des réactifs à l'intérieur de la machine. Ces réactifs sont chauffés ou refroidis simultanément grâce à la double enveloppe cylindrique, la double enveloppe conique, l'arbre creux et le ruban creux, permettant ainsi une réaction complète. Lors de la phase de filtration, la machine filtre et sèche les réactifs par pressurisation ou mise sous vide. Un liquide de lavage est ajouté, permettant ainsi un repulpage et un lavage automatiques à plusieurs reprises. Les réactifs sont ensuite pressés à sec après lavage. Lors de la phase de séchage, la double enveloppe cylindrique, la double enveloppe conique, l'arbre creux et le ruban creux chauffent simultanément les réactifs, tandis que la mise sous vide par le haut assure un séchage sous vide étanche à basse température. Les réactifs sont ensuite automatiquement scellés et évacués.

Amélioration technique de la machine de lavage et de séchage des filtres coniques pour la purification de l'hexafluorophosphate de lithium

(1) La liqueur mère de cristallisation et les cristaux d'hexafluorophosphate de lithium sont scellés et filtrés pour une séparation efficace, réduisant ainsi efficacement la teneur en ions métalliques impurs.

La méthode de séchage thermique conventionnelle est largement utilisée, mais elle est longue et présente des inconvénients tels qu'un séchage incomplet et une élimination difficile et rapide du HF présent dans le produit, ce qui affecte sa qualité. L'hexafluorophosphate de lithium obtenu par filtration et purification présente une pureté supérieure à 99,9 %, un procédé très sûr, une liqueur-mère recyclable et un faible coût.

(2) Fonctionnement entièrement clos, sous la protection d'une pression d'oxygène positive.

L'hexafluorophosphate de lithium se décompose facilement au contact de l'eau. Du fait de sa forte hygroscopicité, il se décompose aisément à l'air libre, et ses conditions de préparation sont par ailleurs très strictes. Le procédé de production de l'hexafluorophosphate de lithium exige donc une pureté élevée, une basse température et une absence totale d'eau et de poussière. Par conséquent, toutes les étapes de la production sont réalisées sous atmosphère inerte. L'azote est le gaz inerte de choix ; le système est rempli d'azote afin de maintenir une surpression et d'empêcher efficacement tout contact de l'air avec le produit.

(3) Lors du séchage, un chauffage à intervalles et températures multiples est mis en œuvre : en début de séchage, une température basse et un chauffage lent permettent d’éliminer l’acide résiduel à la surface du cristal ; la durée de la phase de séchage à haute température est ensuite réduite afin de séparer efficacement le soufre libre et de minimiser le degré de décomposition du LPF6.

(4) La méthode de séchage sous vide par impulsion d'azote est adoptée dans la phase finale du séchage, ce qui raccourcit le temps d'explosion à sec des cristaux de LiPF6, rend le séchage uniforme, améliore l'efficacité et la qualité du séchage et n'accumule ni ne bloque les matériaux dans la chambre de séchage après le séchage.

Le matériau est chauffé de force dans le corps conique, ce qui permet un échange thermique optimal entre le matériau, le ruban chauffant et la paroi. Ce procédé, combiné à un mouvement irrégulier du matériau dans toutes les directions, assure un mélange et un séchage rapides sous vide. La nouvelle conception du mélange par impulsions utilise de l'azote sous haute pression pour brasser et homogénéiser rapidement les matériaux. Ce mélange, plus rapide et plus uniforme, permet d'éliminer rapidement l'acide présent dans les cristaux du produit ainsi que les faibles quantités d'acide résiduel en surface. Comparé au séchage thermique traditionnel, le séchage direct par impulsions d'azote réduit considérablement le temps de séchage, diminue la teneur en ions libres, élimine efficacement les inclusions de HF, améliore la qualité du produit et facilite les opérations de production.

(5) La stabilité thermique de l'hexafluorophosphate de lithium est inférieure à celle des autres sels de lithium. Il peut se décomposer en LiF et PF₅ en faible quantité à 60 °C. Une fois l'indice d'acidité libre conforme aux exigences, un refroidissement rapide est nécessaire afin de limiter l'influence de la zone de haute température sur les matières insolubles.

(6) La source de chaleur et la source de froid utilisent toutes deux une machine de contrôle précis de la température par moulage à huile de conduction thermique.

La machine de chauffage à huile chaude pour moules utilise un fluide caloporteur à basse pression et haute température, facile à régler et assurant un chauffage uniforme. Elle permet d'atteindre la température de procédé précise. Lorsque la température de l'huile caloporteuse dépasse 80 °C, elle doit être isolée de l'air, sous peine de vaporisation et de dégradation rapides. L'huile caloporteuse étant inflammable, des mesures efficaces de prévention des incendies doivent être mises en place.

(7) Un joint mécanique double extrémité à séchage à l'air est adopté.

Le principe traditionnel de « blocage par liquide » est remplacé par un « blocage par gaz », c'est-à-dire que le liquide d'étanchéité sous pression est remplacé par un gaz d'étanchéité afin de garantir une étanchéité parfaite du fluide de procédé. L'ensemble des joints fonctionne sans contact et sa consommation d'énergie est seulement 5 % de celle d'un joint traditionnel à double extrémité. Sa durée de vie est plus de 5 fois supérieure. Le système auxiliaire, de conception simple, garantit la propreté du fluide de procédé et l'absence de fuites dans l'atmosphère, s'affranchissant ainsi de la dépendance des joints mécaniques traditionnels à double extrémité vis-à-vis du système de refroidissement par eau et par huile. Le gaz d'étanchéité utilisé est de l'azote industriel ou de l'air comprimé industriel, à une pression supérieure de 0,15 à 0,2 MPa à celle du fluide.

(8) Système de contrôle automatique, capable de vérifier intelligemment l'état de fonctionnement de l'équipement et la siccité du matériau ; aucune intervention manuelle n'est requise pour connecter fréquemment la canalisation de l'équipement, réduisant ainsi l'intensité du travail, utilisant de l'azote chaud pour isoler le matériau de l'air et maintenir l'acidité du produit stable, grâce au transport hermétique tout au long du processus, la qualité du produit est donc plus stable et l'opération est plus sûre et plus pratique.