Brevet FR2982610A1 — publié le 20130517

PROCEDE DE PREPARATION DE SEL D'ANION PENTACYLIQUE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de préparation de sel d'anion pentacyclique, et notamment de 1-trifluorométhy1-4,5-dicarbonitrile-imidazolate de lithium, ainsi qu'un procédé de préparation de compositions électrolytes contenant un tel sel. ARRIERE-PLAN TECHNIQUE Une batterie lithium-ion comprend au moins une électrode négative, une électrode positive, un séparateur et un électrolyte. L'électrolyte est constitué d'un sel de lithium dissous dans un solvant qui est généralement un mélange de carbonates organiques, afin d'avoir un bon compromis entre la viscosité et la constante diélectrique. Parmi les sels les plus utilisés figure l'hexafluorophosphate de lithium (LiPF6), qui possède beaucoup des nombreuses qualités requises mais présente le désavantage de se dégrader sous forme de gaz d'acide fluorhydrique. Cela pose des problèmes de sécurité, notamment dans le contexte de l'utilisation prochaine des batteries lithium-ion pour les véhicules particuliers. D'autres sels ont donc été développés pour fournir des électrolytes de batteries Li-ion, et notamment le LiTDI (1-trifluorométhy1-4,5-dicarbonitrileimidazolate de lithium) et le LiPDI (1-pentafluoroéthyl-4,5-dicarbonitrile- imidazolate de lithium), ainsi que cela est enseigné dans le document WO 2010/023413. Ces sels présentent l'avantage de posséder moins d'atomes de fluor et de comporter des liaisons fortes carbone-fluor en lieu et place des liaisons plus faibles phosphore-fluor du LiPF6. En outre, ces sels présentent de très bonnes conductivités de l'ordre de 6 mS/cm, une très bonne dissociation entre l'anion imidazolate et le cation lithium. Le document WO 2010/023413 propose plusieurs voies de synthèse pour la fabrication de ces anions pentacycliques, dont l'une consiste en la condensation du diaminomaléonitrile (DAMN) sur un dérivé d'acide tel qu'un anhydride d'acide fluoré, suivie d'un échange proton/lithium. La condensation est réalisée en une seule étape. Le rendement maximal de sel de lithium obtenu avec les voies de synthèse connues est d'environ 70 %. Les impuretés présentes nécessitent de lourdes étapes de purification en aval, ce qui représente un frein à une possible industrialisation de ce type de sel de lithium pour une utilisation en tant que sel d'électrolyte de batteries Li-ion. Par conséquent, il existe un réel besoin de mettre au point un procédé permettant d'obtenir des sels de lithium tels que le LiTDI ou le LiPDI avec un meilleur rendement. RESUME DE L'INVENTION L'invention concerne en premier lieu un procédé de préparation d'un composé imidazole de formule : NN -Rf N N y H dans laquelle Rf est un groupement alkyle fluoré comprenant de 1 à 5 atomes de carbone, le procédé comprenant : (a) la réaction du diaminomaléonitrile de formule : NH2 (I) 1 NE12 N avec le composé de formule : 0 (Il) Rf/Y dans laquelle Y représente un atome de chlore ou le groupement OCORf ou un groupement OR', R' représentant un groupement alkyle fluoré ou non comprenant de 1 à 5 atomes de carbones, pour former le composé amide de formule : 0/Rf (IV) NNH NE12 N 2 9826 10 3 et le composé de formule YH, à une température T1, et (b) la déshydratation du composé amide de formule (IV) pour former le composé imidazole de formule (III), à une température T2 supérieure à T1. 5 Selon un mode de réalisation, Rf représente CF3, CHF2, CH2F, C2HF4, C2H2F3, C2H3F2, C2F5, C3F7, C3H2F5, C3H4F3, C4F9, C4H2F7, C4H4F5, C5F11, C3F6OCF3, C2F4OCF3, C2H2F2OCF3 ou CF2OCF3 de préférence CF3, C2F5, C2F4OCF3, C2H2F2OCF3 ou CF2OCF3. Selon un mode de réalisation, T1 vaut de 0 à 80°C, de préférence de 10 10 à 50°C, plus préférentiellement de 20 à 30°C. Selon un mode de réalisation, T2 vaut de 30 à 180°C, de préférence de 60 à 150 °C, plus préférentiellement de 75 à 140 °C. Selon un mode de réalisation, l'étape (a) dure de 1 à 12 heures, de préférence de 1 à 3 heures, et / ou l'étape (b) dure de 1 à 12 heures, de 15 préférence de 1 à 3 heures. Selon un mode de réalisation, le diaminomaléonitrile et le composé de formule (II) sont dissous dans un solvant préalablement à l'étape (a), le solvant étant de préférence le 1,4-dioxane. Selon un mode de réalisation, la température T2 correspond à la 20 température d'ébullition du solvant. L'invention concerne également un procédé de préparation d'un composé imidazolate de lithium de formule : NCXNLi Rf 25 (V) NCVN dans laquelle Rf est un groupement alkyle fluoré comprenant de 1 à 5 atomes de carbone, le procédé comprenant : 30 (a) la préparation du composé imidazole de formule : N \ N 1 -Rf N H selon le procédé décrit ci-dessus ; et (b) la réaction du composé imidazole de formule (III) avec une base lithiée. 35 N Selon un mode de réalisation, la base lithiée est choisie parmi l'hydrure de lithium, le carbonate de lithium, l'hydroxyde de lithium et les combinaisons de ceux-ci. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une composition électrolyte, comprenant la préparation d'imidazolate de lithium de formule (V) selon le procédé décrit ci-dessus, et la dissolution de celui-ci dans un solvant. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une batterie ou d'une cellule de batterie, comprenant la fabrication d'une composition électrolyte selon le procédé décrit ci-dessus et l'insertion de cette composition électrolyte entre une anode et une cathode. La présente invention permet de surmonter les inconvénients de l'état de la technique. Elle fournit plus particulièrement un procédé permettant d'obtenir des sels de lithium tels que le LiTDI ou le LiPDI avec un meilleur rendement. Ceci est accompli grâce à la mise au point d'un procédé de préparation de 4,5-dicarbonitrile-imidazole fluoré par réaction du DAMN avec un dérivé d'acide fluoré en deux étapes qui sont effectuées à des températures différentes, la température de la deuxième étape étant supérieure à la température de la première étape. Ainsi, on produit de manière stable un composé amide qui est un intermédiaire de réaction (le composé de formule (IV)), à la première étape, ce composé amide étant ensuite déshydraté pour former l'imidazole, lors de la deuxième étape. Sans vouloir être lié par une théorie, on estime que le faible rendement de production d'imidazole observé dans l'état de la technique est dû à la polymérisation du DAMN par chauffage, particulièrement en milieu acide. Or, des analyses thermiques ont permis de mettre en évidence que le composé amide intermédiaire est plus stable thermiquement que le DAMN. Le DAMN subit une forte dégradation à partir de 188°C, alors que l'amide intermédiaire subit d'abord une déshydratation, puis une dégradation à partir de 210°C. Etant donné d'une part la plus grande stabilité thermique du composé amide intermédiaire par rapport au DAMN, et d'autre part le fait que la fonction C=0 du composé amide a tendance à désactiver la double-liaison C=C et à défavoriser ainsi toute polymérisation en milieu acide, le procédé selon l'invention permet : dans un premier temps, de former le composé amide intermédiaire de manière stable, à une température relativement faible à laquelle la polymérisation du DAMN est essentiellement évitée ; et dans un deuxième temps, de déshydrater le composé amide à une température plus élevée, en évitant encore la polymérisation du DAMN (celui-ci ayant été déjà consommé) tout comme la polymérisation du composé amide (pour les raisons exposées ci-dessus). DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION L'invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative dans la description qui suit. Préparation du composé imidazole L'invention prévoit la préparation du composé imidazole de formule (III) à partir de DAMN de formule (I) et d'un dérivé d'acide fluoré de formule (II), selon le schéma général suivant : N ± 0 NH2 1 NH2 I\K Rf /Y (I) (Il) (III) Dans ce schéma, Rf est un groupement alkyle fluoré (c'est à dire un groupement alkyle comprenant un ou plusieurs substituants fluor), comprenant de 1 à 5 atomes de carbone tels que CF3, CHF2, CH2F, C2HF4, C2H2F3, C2H3F2, C2F5, C3F7, C3H2F5, C3H4F3, C4F9, C4H2F7, C4H4F5, C5F11, C3F6OCF3, C2F4OCF3, C2H2F2OCF3 ou CF2OCF3 de préférence CF3, C2F5, C2F4OCF3, C2H2F2OCF3 ou CF2OCF3. Par ailleurs, Y représente un atome de chlore (auquel cas le composé de formule (II) est un chlorure d'acyle) ou le groupement OCORf (auquel cas le composé de formule (II) est un anhydride). Y peut également représenter un groupement OR', dans lequel R' représente un groupement alkyl fluoré ou non comprenant de 1 à 5 atomes de carbones, auquel cas le composé de formule (Il) est un ester. Cette réaction est effectuée en deux étapes. La première étape est effectuée à une température T1 qui est de 0 à 80°C, de préférence de 10 à 50°C, plus préférentiellement de 20 à 30°C, par 2 9826 10 6 exemple environ 25°C. Cette première étape permet de produire le composé amide de formule : 0 Rf 5 (IV) ainsi que le composé de formule YH. 10 La durée de cette première étape est de préférence de 1 à 12 heures, plus particulièrement de 1 à 3 heures, par exemple d'environ 2 heures. La réaction est de préférence effectuée en dissolvant les réactifs dans un solvant, par exemple le dioxane, le toluène ou le diméthylformamide et notamment le 1,4-dioxane. 15 La concentration du DAMN dans le milieu réactionnel est de préférence de 0,001 à 2 mol/L, plus préférentiellement de 0,1 mol/L à 1 mol/L. Le rapport molaire du composé (I) sur le composé (II) est de préférence de 0,25 à 1,5, plus préférentiellement de 0,5 à 1,25. La deuxième étape est effectuée à une température T2 qui est supérieure 20 à T1. De préférence, T2 est supérieure à T1 d'au moins 10°C, ou d'au moins 20°C, ou d'au moins 30°C, ou d'au moins 40°C, ou d'au moins 50°C, ou d'au moins 60°C, ou d'au moins 70°C. Selon un mode de réalisation particulier, la température T2 correspond à la température d'ébullition du solvant utilisé. 25 De préférence, T2 est de 30 à 180°C, plus particulièrement de 60 à 150°C, plus préférentiellement de 75 à 140°C, par exemple d'environ 100 ou 101 °C (ce qui correspond à la température d'ébullition du 1,4-dioxane). La concentration du composé (IV) dans le milieu réactionnel lors de la deuxième étape est de préférence de 0,001 à 2 mol/L, plus préférentiellement 30 de 0,05 mol/L à 0,75 mol/L. De préférence, la deuxième étape est effectuée immédiatement à la suite de la première étape sans purification intermédiaire, simplement en modifiant la température du mélange réactionnel, par chauffage. Le cas échéant, il est possible d'améliorer le rendement de la deuxième étape par catalyse acide, en ajoutant dans le milieu réactionnel un acide carboxylique, tel que par exemple de l'acide trifluoroacétique, de l'acide acétique ou de l'acide benzoïque et de préférence de l'acide trifluoroacétique. Une catalyse acide peut également être obtenue au moyen de composés déjà présents dans le milieu réactionnel, notamment lorsque le composé de formule (II) est un anhydride, auquel cas le composé YH est un acide carboxylique (par exemple l'acide trifluoroacétique si Rf représente CF3). Le rapport molaire du composé (IV) sur le catalyseur est de préférence de 0,5 à 20, plus préférentiellement de 1 à 10. La température de la réaction T1 peut être constante tout au long de la première étape, et la température de la réaction T2 peut être constante tout au long de la deuxième étape, mais ce n'est pas nécessairement le cas. On peut par exemple prévoir une température croissante tout au long de la réaction, ou tout au long de la première étape seulement. Dans de tels cas, la condition selon laquelle T2 est supérieure à T1 signifie que la température sur l'ensemble de la deuxième étape est supérieure à la température sur l'ensemble de la première étape, c'est-à-dire encore que la température minimale atteinte lors de la deuxième étape est supérieure à la température maximale atteinte lors de la première étape. Une période de transition est nécessaire pour passer de la première étape à la deuxième étape et pour opérer le changement de température requis. Cette période de transition présente de préférence une durée inférieure à 1 heure, par exemple inférieure à 30 minutes, par exemple inférieure à 20 minutes, par exemple inférieure à 10 minutes, par exemple inférieure à 5 minutes. A l'issue de cette réaction, le composé imidazole de formule (III) est de préférence isolé et purifié, par exemple en évaporant le solvant, en ajoutant de l'eau, en extrayant la phase aqueuse obtenue (par exemple avec de l'acétate d'éthyle) et en récupérant les phases organiques. Préparation de l'imidazolate de lithium L'imidazolate de lithium de formule : NCNNLi (V) 1 / NCVN est préparé à partir du composé imidazole de formule (III), en faisant réagir celui-ci avec une base lithiée, de préférence choisie parmi l'hydrure de Rf lithium, le carbonate de lithium, l'hydroxyde de lithium et les combinaisons de ceux-ci. Par exemple, lorsque le composé imidazole a été isolé et purifié comme décrit ci-dessus à l'issue de la réaction, il est possible d'extraire les phases organiques obtenues avec une solution aqueuse de la base lithiée. La phase aqueuse peut ensuite être évaporée (après un traitement optionnel au charbon actif). La phase organique contient donc le composé (III) ainsi que le résidu YH et le catalyseur acide en solution dans le solvant de réaction. Le composé (III) est alors à une concentration qui est de préférence de 0,01 à 5 mol/L, plus préférentiellement de 0,1 à 3 mol/L. La concentration en base lithiée dans la phase aqueuse est de préférence de 0,01 à 10 mol/L, plus préférentiellement de 0,1 à 5 mol/L. Le sel de lithium obtenu est par exemple le LiTDI lorsque Rf représente un groupement trifluorométhyle, et le LiPDI lorsque Rf représente un groupement pentafluoroéthyle. Préparation d'un électrolyte Les composés de formule (V) préparés comme décrit ci-dessus, et notamment le LiTDI et le LiPDI, peuvent être utilisés pour la préparation d'un électrolyte, en les dissolvant dans un solvant approprié. Les composés de formule (V) sont par exemple dissous dans un mélange composés de 1 à 5 constituants choisis parmi les carbonates suivants : l'éthylene carbonate, le dimethylcarbonate, l'éthylméthylcarbonate, le diéthylcarbonate, le propylene carbonate ; et parmi les glymes suivants : l'éthylène glycol diméthyléther, le diéthylène glycol diméthyléther, le dipropylène glycol diméthyléther, le diéthylène glycol diéthyléther, le triéthylène glycol diméthyléther, le diéthylène glycol dibutyléther, le tétraéthylène glycol diméthyléther et le diéthylène glycol t-buthylméthyléther. Les proportions en masse de chacun des constituants sont de préférence comprises entre 1 et 10 par rapport au constituant en plus faible quantité, plus préférentiellement entre 1 et 8. La concentration en composé de formule (V) dans l'électrolyte est de préférence de 0,1 mol/L à 5 mol/L, plus préférentiellement de 0,2 mol/L à 2,5 mol/L. Cet électrolyte peut ensuite être utilisé pour la fabrication de batteries ou de cellules de batterie, en le disposant entre une cathode et une anode, de manière connue en soi. EXEMPLE L'exemple suivant illustre l'invention sans la limiter. Synthèse de LiTDI Dans un ballon de 200 mL, 1,25 g de diaminomaléonitrile sont dissous dans 45 mL de 1,4-dioxane. De l'anhydride d'acide trifluoroacétique (1,6 mL) est ensuite ajouté à cette solution. Le milieu réactionnel est laissé sous agitation à 25°C pendant deux heures ce qui correspond à la première étape du schéma réactionnel ci-dessus. Le milieu réactionnel est ensuite chauffé au reflux du dioxane pendant deux heures pour permettre la déshydratation du composé amide formé lors de la première étape, qui est catalysée par l'acide trifluoroacétique résiduel obtenu lors de la première étape. Le milieu réactionnel est alors évaporé. De l'eau (60 mL) est ensuite ajoutée et la phase aqueuse obtenue est extraite avec 2 x 50 mL d'acétate d'éthyle. Les phases organiques sont alors rassemblées et extraites avec une solution aqueuse de carbonate de lithium (0,5 g de Li2CO3 dans 60 mL d'eau). La phase aqueuse obtenue étant colorée, elle est décolorée à l'aide d'un traitement au charbon actif. Après traitement, cette phase aqueuse est évaporée et donne 2,01 g de sel de lithium ce qui correspond à un rendement de 90,5 %. 5 10 15 20 25 35 REVENDICATIONS1. Procédé de préparation d'un composé imidazole de formule : N \NN 1 -Rf N N y H dans laquelle Rf est un groupement alkyle fluoré comprenant de 1 à 5 atomes de carbone, le procédé comprenant : (a) la réaction du diaminomaléonitrile de formule : N NH2 (I) 1 NH2 N ' avec le composé de formule : 0 Rf/Y dans laquelle Y représente un atome de chlore ou le groupement OCORf ou un groupement OR', R' représentant un groupement alkyle fluoré ou non comprenant de 1 à 5 atomes de carbones, pour former le composé amide de formule : 0 Rf (IV) N NH 1 I\K NH2 et le composé de formule YH, à une température T1, et (b) la déshydratation du composé amide de formule (IV) pour former le composé imidazole de formule (III), à une température T2 supérieure à T1. 2. 2 9826 11 Procédé selon la revendication 1, dans lequel Rf représente CF3, CHF2, CH2F, C2HF4, C2H2F3, C2H3F2, C2F5, C3F7, C3H2F5, C3H4F3, C4F9, C4H2F7, C4H4F5, C5F11, C3F6OCF3, C2F4OCF3, C2H2F2OCF3 ou CF2OCF3 de préférence CF3, C2F5, C2F4OCF3, C2H2F2OCF3 ou C F20C F3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel T1 vaut de 0 à 80°C, de préférence de 10 à 50°C, plus préférentiellement de 20 à 30°C. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel T2 est de 30 à 180°C, de préférence de 60 à 150°C, plus préférentiellement de 75 à 140°C. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'étape (a) dure de 1 à 12 heures, de préférence de 1 à 3 heures, et / ou l'étape (b) dure de 1 à 12 heures, de préférence de 1 à 3 heures. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le diaminomaléonitrile et le composé de formule (II) sont dissous dans un solvant préalablement à l'étape (a), le solvant étant de préférence le 1,4-dioxane. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la température T2 correspond à la température d'ébullition du solvant. 8. Procédé de préparation d'un composé imidazolate de lithium de formule : NC N/ (V) 1 / Rf NCVN dans laquelle Rf est un groupement alkyle fluoré comprenant de 1 à 5 atomes de carbone, le procédé comprenant : (a) la préparation du composé imidazole de formule : 10N NNN 1 -Rf N H selon le procédé de l'une des revendications 1 à 7 ; et (b) la réaction du composé imidazole de formule (III) avec une base lithiée. 10 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la base lithiée est choisie parmi l'hydrure de lithium, le carbonate de lithium, l'hydroxyde de lithium et les combinaisons de ceux-ci. 10. Procédé de fabrication d'une composition électrolyte, comprenant 15 la préparation d'imidazolate de lithium de formule (V) selon le procédé de la revendication 8 ou 9, et la dissolution de celui-ci dans un solvant. 11. Procédé de fabrication d'une batterie ou d'une cellule de batterie, 20 comprenant la fabrication d'une composition électrolyte selon le procédé de la revendication 10 et l'insertion de cette composition électrolyte entre une anode et une cathode.5