專利名稱：全氟烷基乙基亞磷酸酯的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到可用作鋰離子電池電解液阻燃劑的全氟烷基乙基亞磷酸酯的 制備方法。
背景技術(shù)：
大容量鋰離子動(dòng)力電池的巨大應(yīng)用前景引起了眾多科學(xué)工作者的關(guān)注。然 而，發(fā)展大容量鋰離子動(dòng)力電池的障礙之一就是安全性問(wèn)題，尤其是在濫用狀 態(tài)下(如熱沖擊、過(guò)充、過(guò)放、短路等)，往往存在著起火、爆炸等安全隱患。 要開(kāi)發(fā)大容量鋰離子電池，必須解決安全性問(wèn)題，加入阻燃添加劑目的即在提 高電池的安全性能。阻燃添加劑受熱時(shí)釋放出具有阻燃性能的自由基，該自由 基可以捕獲氣相中的氫自由基或氫氧自由基，從而阻止氫氧自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)， 使有機(jī)電解液的燃燒無(wú)法進(jìn)行或難以進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)提高鋰離子電池的安全性能的 目的。
理想的鋰離子電池電解液的阻燃添加劑需要滿足以下的條件-
1、 具有優(yōu)良的電化學(xué)穩(wěn)定性，力求對(duì)電解液電化學(xué)性能影響更小或沒(méi)有；
2、 高效、低毒，有利于環(huán)保；
3、 帶有多官能團(tuán)，如集P、 N、 F或C1于一體的復(fù)合阻燃劑，提高阻燃效果 和電化學(xué)性能；
4、 具有低粘度，以保證電解液的高電導(dǎo)率，同時(shí)具有一定的負(fù)極界面成膜 能力，改善電極與電解液的相容性；5、要具有比較高的純度， 一般其氣相色譜純度要達(dá)到99.5%以上，避免引 入雜質(zhì)，影響電化學(xué)性能。
目前所使用的磷系阻燃劑主要包括一些烷基磷酸酯、氟化磷酸酯以及磷腈 類(lèi)化合物，這些化合物常溫下是液體，與非水介質(zhì)有一定的互溶性，是鋰離子 電池電解液重要的阻燃添加劑。
但就目前的研究結(jié)果來(lái)看，所使用的阻燃添加劑存在電化學(xué)不穩(wěn)定性或其 它不利的理化性質(zhì)——如高熔點(diǎn)、高粘度等，對(duì)鋰離子電池性能會(huì)造成一定的 負(fù)面影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是將提供一種阻燃效果更好、粘度更低、電 化學(xué)穩(wěn)定性更好的全氟烷基乙基亞磷酸酯的制備方法。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是所述的全氟烷基乙基亞 磷酸酯的制備方法，包括如下步驟-
(一)將三氯化磷與全氟垸基乙醇按照1: 2—1: 9的摩爾比，在-30QC —100GC下充分反應(yīng)，生成主要產(chǎn)物為全氟烷基乙基亞磷酸酯的酸性混合物；其 中三氯化磷與全氟烷基乙醇的最佳投料摩爾比為1: 2.5—1: 5;最佳反應(yīng)溫度
為-10。C—800C。
反應(yīng)過(guò)程中，可能的主反應(yīng)
PCI 3 + 3CF 3(CF 2)nCH 2OH-(CF 3(CF 2)nCH 20) 3P + 3HCI
(n為0或l 7的整數(shù))可能的副反應(yīng)
POCI3 + 3CF3(CF2)nCH2OH - (CF3(CF2)nCH20)3PO+ 3HCI
H20 + pci 3 -^ PCI2OH + HCI
PCI2OH+2CF3(CF2)nCH2OH - (CF3(CF2)nCH20)2POH+ 2HCI
CF3(CF2)nCH2OH + HCI - CF3(CF2)nCH 2CI + H20
(n為0或l 7的整數(shù))
反應(yīng)啟動(dòng)后，會(huì)產(chǎn)生大量的HC1;當(dāng)沒(méi)有HC1產(chǎn)生后，開(kāi)少量N2，鼓泡趕 出剩余的HC1，整個(gè)趕HCI過(guò)程可以保持溫度在-30t—80QC。
(二)用堿性物質(zhì)對(duì)該酸性混合物進(jìn)行充分中和，中和溫度為-30V— 100QC，使中和后的溶液的PH值大于7，然后過(guò)濾除去雜質(zhì)，收集濾液；
中和反應(yīng)方程式為
(CF3(CF2)nCH20)2POH + NaOH -(CF3(CF2)nCH20)2PONa + H20
其中所述的堿性物質(zhì)為堿金屬的氫氧化物或其鹽或有機(jī)胺，其中有機(jī)胺的
結(jié)構(gòu)式為RR2R3N，其中K、 &、 Rs分別獨(dú)立地選自含l-24碳的垸烴。并且堿 性物質(zhì)優(yōu)先選自LiOH、 NaOH、 KOH、 Li2C03、 Na2C03、 K2C03 ，最優(yōu)為NaOH。 中和后的溶液的PH值優(yōu)選為8 10，中和過(guò)程中溫度優(yōu)選為-l()Gc—80QC。中和 過(guò)程中可取樣進(jìn)行氣相色譜分析，如無(wú)(CF3 (CF2) nCH20) 2POH雜質(zhì)，則可停 止中和攪拌；
(三) 在一0.05MPa到一0.1MPa下，負(fù)壓蒸餾濾液，收集全氟垸基乙基亞 磷酸酯含量超過(guò)99%的餾份；
(四) 在-5(^C—100GC下用分子篩對(duì)含量超過(guò)99M的餾份脫水，得到含量
6大于99%的全氟烷基乙基亞磷酸酯。其中脫水溫度優(yōu)選為-30Gc—80GC。
上述的全氟烷基乙醇的通式為CF3 (CF2) nCH2OH;全氟烷基乙基亞磷酸酯 的通式為(CF3 (CF2) nCH20) 3P,其中n為0或1 7的整數(shù)；
上述的全氟垸基乙醇的水份含量小于1%，最優(yōu)水份含量小于0. 01%。
本發(fā)明中，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程可在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行。
本發(fā)明中，在步驟(三)得到濾液后可先檢測(cè)濾液的水份，當(dāng)其水份大于 100ppm時(shí)，則對(duì)濾液進(jìn)行脫水處理，使其水份小于lOOppm。
本發(fā)明所述的全氟烷基乙基亞磷酸酯用作鋰離子電池電解液的阻燃劑具有 如下的優(yōu)點(diǎn)1、 F和P都是具有阻燃作用的元素，阻燃劑中同時(shí)含有F元素和 P元素，阻燃效果更加明顯；2、電解液組分中F原子的存在，有助于電極界面 形成優(yōu)良的SEI膜，改善電解液與負(fù)極材料間的相容性；3、 F原子削弱了分子 間的粘性力，使分子、離子的移動(dòng)阻力減小，所以氟代磷酸酯的沸點(diǎn)、粘度都 比相應(yīng)的烷基磷酸酯低；4、氟代磷酸酯的電化學(xué)穩(wěn)定性和熱力學(xué)穩(wěn)定性較好， 用于電解液表現(xiàn)出較佳的綜合性能。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明不應(yīng)僅限于這些 實(shí)施例。
實(shí)施例
步驟一 合成
在一個(gè)2000mL的四口燒瓶中，配置冷凍溫度小于-l(^C的冷浴，配量程為 -50QC到+15(^C的溫度計(jì)，帶攪拌，配冷凍溫度小于-10"C的冷凝回流管(尾氣 排放)，配備HC1尾氣吸收裝置。將1681g含量大于99%的CF3CH2OH投入四口，降溫到-l(^C，緩慢通過(guò)恒壓滴定漏斗滴加770g含量 大于99n/。的PCl3，滴加過(guò)程持續(xù)5h，產(chǎn)生的HC1氣體通過(guò)吸收裝置吸收除去。 當(dāng)無(wú)HC1氣體產(chǎn)生后，開(kāi)少量N"鼓泡趕游離的HC1，用酸堿廣泛PH測(cè)釋放 氣體，為弱酸性時(shí)，停止鼓N2;
步驟二中和、除雜質(zhì)(CF3CH20) 2POH及過(guò)濾
保持反應(yīng)及回流溫度在-10V，加入9gNaOH，合成液的PH值在9以上， 并不斷攪拌，會(huì)產(chǎn)生大量白色沉淀，5h后，取樣進(jìn)行氣相色譜分析，如副產(chǎn)物 (CF3CH20) 2POH已經(jīng)消失，可進(jìn)入下一步操作，如(CF3CH20) 2POH還存在， 可繼續(xù)攪拌反應(yīng)，直到該副產(chǎn)物被完全的除去。
待合成液中無(wú)(CF3CH20) 2POH后，離心過(guò)濾，收集濾液，取樣，檢測(cè)濾 液水份，如果水份大于100PPm，在-l()GC下用4A分子篩脫水到100PPm以內(nèi)。
步驟三濾液蒸餾、提純及脫水
在-0.095Mpa下，冷凍液溫度在-2()GC以下，蒸餾濾液，收集三-(2， 2， 2_ 三氟乙基)亞磷酸酯(TTFP)含量大于99.5%的餾分，得含量為99.8%的三_(2， 2， 2-三氟乙基)亞磷酸酯(TTFP)濯g，收率為92.5%，水份為80PPm。 加處理后的4A分子篩20g，在-10V脫水48h，檢測(cè)水份為8PPm。
權(quán)利要求
1、全氟烷基乙基亞磷酸酯的制備方法，其特征在于包括如下步驟(一)將三氯化磷與全氟烷基乙醇按照1∶2—1∶9的摩爾比，在-300C—1000C下充分反應(yīng)，生成主要產(chǎn)物為全氟烷基乙基亞磷酸酯的酸性混合物；(二)用堿性物質(zhì)對(duì)該酸性混合物進(jìn)行充分中和，中和溫度為-300C—1000C，使中和后的溶液的PH值大于7，然后過(guò)濾除去雜質(zhì)，收集濾液；(三)在—0. 05MPa到—0.1MPa下，負(fù)壓蒸餾濾液，收集全氟烷基乙基亞磷酸酯含量超過(guò)99％的餾份；(四)在-500C—1000C下用分子篩對(duì)含量超過(guò)99％的餾份脫水，得到含量大于99％的全氟烷基乙基亞磷酸酯。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于全氟烷基乙醇的通式為 CF3 (CF2) nCH2OH;全氟烷基乙基亞磷酸酯的通式為(CF3 (CF2) nCH20) 3P，其 中n為0或l 7的整數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于三氯化磷與全氟烷基乙醇的最佳投料摩爾比為1: 2.5—1: 5;最佳反應(yīng)溫度為-10V—80QC。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于全氟烷基乙醇的水份含量小于1%。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于全氟烷基乙醇的水份含量小于0. 01%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于步驟(二)中所述的堿性物質(zhì)為堿金屬的氫氧化物或其鹽或有機(jī)胺，其中有機(jī)胺的結(jié)構(gòu)式為RJUlaN,其中K、 R2、 R3分別獨(dú)立地選自含l-24碳的垸烴。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述的堿性物質(zhì)選自LiOH、 NaOH、 KOH、 Li2C03、 Na2C03、 K2C03 。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于中和后的溶液的PH 值為8 10，中和溫度優(yōu)選為-10V—80Gc;脫水溫度優(yōu)選為-30Gc—80QC。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于整個(gè)反應(yīng)過(guò)程在惰 性氣體的保護(hù)下進(jìn)行。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于在步驟(三)得 到濾液后可先檢測(cè)濾液的水份，當(dāng)其水份大于100ppm時(shí)，則對(duì)濾液進(jìn)行脫水處 理，使其水份小于100ppm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種阻燃效果更好、粘度更低、電化學(xué)穩(wěn)定性更好的全氟烷基乙基亞磷酸酯的制備方法，包括如下步驟(一)將三氯化磷與全氟烷基乙醇按照1∶2-1∶9的摩爾比，在-30℃-100℃下充分反應(yīng)，生成主要產(chǎn)物為全氟烷基乙基亞磷酸酯的酸性混合物；(二)用堿性物質(zhì)對(duì)該酸性混合物進(jìn)行充分中和，中和溫度為-30℃-100℃，使中和后的溶液的pH值大于7，然后過(guò)濾除去雜質(zhì)，收集濾液；(三)在-0.05MPa到-0.1MPa下，負(fù)壓蒸餾濾液，收集全氟烷基乙基亞磷酸酯含量超過(guò)99％的餾份；(四)在-50℃-100℃下用分子篩對(duì)含量超過(guò)99％的餾份脫水，得到含量大于99％的全氟烷基乙基亞磷酸酯，可用作鋰離子電池電解液的阻燃劑。
文檔編號(hào)C07F9/142GK101445515SQ20071019405
公開(kāi)日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2007年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月26日
發(fā)明者徐曉強(qiáng), 趙世勇, 錢(qián)曉兵, 劍 陳, 陶榮輝 申請(qǐng)人:張家港市國(guó)泰華榮化工新材料有限公司