Brevet FR3130787A1 — publié le 20230623

La présente invention concerne un procédé de préparation du bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium, comprenant les étapes suivantes : mise en contact du bis(fluorosulfonyl)imide avec une base de lithium dans un solvant choisi parmi les carbonates, les éthers et les nitriles pour obtenir un mélange comprenant du bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium et de l’eau ; diafiltration du mélange sur une membrane de nanofiltration de sorte à obtenir d’une part un concentrat enrichi en bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium et appauvri en eau et d’autre part un perméat appauvri en bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium et enrichi en eau. La présente invention concerne également un procédé de préparation d’un électrolyte de batterie Li-ion. Figure pour l’abrégé : Pas de figure. Procédé de préparation du bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium Domaine de l’invention La présente invention concerne un procédé de préparation du bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium comprenant une étape de diafiltration sur une membrane de nanofiltration. Arrière-plan technique Les anions de type sulfonylimide, de par leur très faible basicité, sont de plus en plus utilisés dans le domaine du stockage d’énergie sous forme de sels inorganiques dans les batteries, ou de sels organiques dans les super condensateurs ou dans le domaine des liquides ioniques. Le marché des batteries étant en plein essor et la réduction des coûts de fabrication des batteries devenant un enjeu majeur, un procédé de synthèse à grande échelle et à bas coût de ce type d’anions est nécessaire. Dans le domaine spécifique des batteries Li-ion, le sel actuellement le plus utilisé est le LiPF 6 mais ce sel montre de nombreux désavantages tels qu’une stabilité thermique limitée, une sensibilité à l’hydrolyse et donc une plus faible sécurité de la batterie. Récemment, de nouveaux sels possédant le groupement FSO 2– ont été étudiés et ont démontré de nombreux avantages comme une meilleure conductivité ionique et une résistance à l’hydrolyse. L’un de ces sels, le LiFSI (LiN(FSO 2 ) 2 ) a montré des propriétés très intéressantes qui font de lui un bon candidat pour remplacer le LiPF 6 . La plupart des procédés de préparation de sels d’imides contenant un groupement fluorosulfonyle comprennent de nombreuses étapes, ce qui a pour conséquence de former des produits secondaires présentant des propriétés physiques telles que leur élimination peut s’avérer complexe, et/ou nécessiter des étapes de purification coûteuses. De plus, suite à la réaction de lithiation pour obtenir le sel désiré, une quantité importante d’eau peut être présente dans la solution comprenant le sel d’imide. Il est important de pouvoir réduire, voire éliminer cette quantité d’eau. La déshydratation des solvants organiques est un procédé énergivore. La distillation et les autres méthodes de séparation thermique représentent 80% de l'énergie consommée pour les séparations industrielles, ce qui montre la nécessité d'une séparation plus efficace. Le document WO 2015/004236 concerne un procédé de production d'un mélange liquide déshydraté destiné à être utilisé comme solvant pour des sels conducteurs (par ex. LiPF 6 ) dans lequel la teneur en eau est réduite, à partir d'un mélange liquide de départ comprenant un, deux, trois ou plus de carbonates organiques en une quantité totale de 90 % en poids ou plus, sur la base de la quantité totale du mélange liquide de départ et un, deux ou plusieurs composés choisis dans le groupe constitué par des acides avec un pKa inférieur à 4 et des précurseurs libérant des acides avec un pKa inférieur à 4 dans le mélange liquide de départ par hydrolyse. Le document FR 3089214 concerne un procédé de préparation de sel d’imides contenant un groupement fluorosulfonyle, le procédé comprenant une étape b) comprenant une étape de fluoration avec HF anhydre, en présence d’au moins un solvant organique immiscible à l’eau ; une étape comprenant la réaction de la composition obtenue à l’étape précédente avec une composition aqueuse comprenant au moins une base lithiée. Le document US 2012/0141868 concerne une zéolithe permettant un traitement de déshydratation d'une solution électrolytique non aqueuse sans poser de problème d'élution du sodium de la zéolithe lors de la déshydratation d'une solution électrolytique non aqueuse pour une batterie au lithium en utilisant une zéolithe. Le document US 2020/0148633 concerne un procédé de préparation de bis(fluorosulfonyl)imide d'hydrogène comprenant la mise en contact de fluorure de sulfonyle avec de l'hexaméthyldisilazane dans un solvant organique. Ce document concerne également un procédé de préparation de bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium (LiFSI) par la mise en contact du bis(fluorosulfonyl)imide d'hydrogène avec un composé du lithium. Le document JP 2002001107 concerne une zéolite de type faujasite cristallin à faible teneur en silice pour traiter un électrolyte non aqueux et un procédé pour fabriquer l'électrolyte non aqueux en utilisant la zéolite. Il existe donc un réel besoin de fournir un procédé de préparation de sels d’imides contenant un groupement fluorosulfonyle, notamment du bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium, qui permet de réduire la consommation énergétique mais aussi la quantité de solvant utilisé lors du procédé, par rapport aux techniques existantes. De plus, il existe un besoin de fournir un procédé de préparation de sels d’imides contenant un groupement fluorosulfonyle, notamment du bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium, qui permet non seulement d’éviter la lithiation par des composés toxiques, tels que le fluorure de lithium mais aussi de diminuer les étapes de purification du procédé. L’invention concerne en premier lieu un procédé de préparation du bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium, comprenant les étapes suivantes : mise en contact du bis(fluorosulfonyl)imide avec une base de lithium dans un solvant choisi parmi les carbonates, les éthers et les nitriles pour obtenir un mélange comprenant du bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium et de l’eau ; diafiltration du mélange sur une membrane de nanofiltration de sorte à obtenir d’une part un concentrat enrichi en bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium et appauvri en eau et d’autre part un perméat appauvri en bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium et enrichi en eau. Selon certains modes de réalisation, le solvant est un carbonate, de préférence choisi parmi le carbonate de diméthyle, le carbonate de méthyle éthyle, le carbonate de diéthyle, le carbonate d’éthylène, le carbonate de propylène, le carbonate de butylène, le carbonate de diphényle, le carbonate de méthyle phényle, le carbonate de dipropyle, le carbonate de méthyle et de propyle, le carbonate d’éthyle et de propyle, le carbonate de vinylène, le fluoroethylène carbonate, le trifluoropropylène carbonate ou leurs mélanges. Selon certains modes de réalisation, la base de lithium est choisie parmi l’hydroxyde de lithium, le carbonate de lithium, et leurs mélanges. Selon certains modes de réalisation, la membrane de nanofiltration présente un seuil de coupure de 80 à 250 Daltons, de préférence de 100 à 200 Daltons et encore de préférence de 120 à 180 Daltons. Selon certains modes de réalisation, le procédé comprend une étape de pervaporation entre l’étape de mise en contact du bis(fluorosulfonyl)imide avec une base de lithium et l’étape de diafiltration. Selon certains modes de réalisation, le procédé comprend une étape de distillation azéotropique entre l’étape de mise en contact du bis(fluorosulfonyl)imide avec une base de lithium et l’étape de diafiltration. Selon certains modes de réalisation, le concentrat enrichi en bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium et appauvri en eau comprend une teneur en eau égale ou inférieure à 100 ppm, de préférence égale ou inférieure à 50 ppm, et encore de préférence égale ou inférieure à 20 ppm par rapport au poids du concentrat. Selon certains modes de réalisation, du solvant est ajoutée lors de l’étape de diafiltration au concentrat, le solvant étant de préférence le même que le solvant utilisé dans l’étape de mise en contact du bis(fluorosulfonyl)imide avec une base de lithium. Selon certains modes de réalisation, l’étape de diafiltration est effectuée à une pression de 1 à 60 bar. L’invention concerne également un procédé de préparation d’un électrolyte de batterie Li-ion comprenant : la préparation du bis(fluorosulfonyl)imidure de comme décrit ci-dessus ; la préparation d’un électrolyte comprenant le bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium. La présente invention permet de répondre au besoin exprimé ci-dessus). Elle fournit plus particulièrement un procédé de préparation du bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium, qui permet de réduire la consommation énergétique mais aussi la quantité de solvant utilisé lors du procédé, par rapport aux techniques existantes. De plus, la présente invention fournit également un procédé de préparation du bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium, qui permet non seulement d’éviter la lithiation par des composés toxiques, tels que le fluorure de lithium mais aussi de diminuer les étapes de purification du procédé. Cela est accompli grâce au procédé de la présente invention. Plus particulièrement, ce procédé comprend une première étape de mise en contact du bis(fluorosulfonyl)imide avec une base de lithium (capable de générer de l’eau après sa réaction avec le bis(fluorosulfonyl)imide) dans un solvant choisi parmi les carbonates, les éthers et les nitriles, pour former un mélange comprenant le sel de bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium et de l’eau. L’utilisation d’une telle base de lithium ainsi que le fait que l’eau peut efficacement être éliminée par la suite, permet d’éviter l’utilisation des sels de lithium toxiques. Ensuite, l’étape de diafiltration sur une membrane de nanofiltration permet d’éliminer efficacement la quantité d’eau restante sans utiliser des méthodes qui augmentent la consommation énergétique du procédé, ni la consommation de solvant. Enfin, lors de cette étape de diafiltration, des différentes impuretés présentes dans le mélange obtenu après l’étape de mise en contact du bis(fluorosulfonyl)imide avec la base de lithium peuvent également être éliminées, ce qui permet de réduire, voire éviter des étapes de purification additionnelles. Procédé de préparation du bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium, comprenant les étapes suivantes : mise en contact du bis(fluorosulfonyl)imide avec une base de lithium dans un solvant choisi parmi les carbonates, les éthers et les nitriles pour obtenir un mélange comprenant du bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium et de l’eau ; diafiltration du mélange sur une membrane de nanofiltration de sorte à obtenir d’une part un concentrat enrichi en bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium et appauvri en eau et d’autre part un perméat appauvri en bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium et enrichi en eau. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le solvant est un carbonate, de préférence choisi parmi le carbonate de diméthyle, le carbonate de méthyle éthyle, le carbonate de diéthyle, le carbonate d’éthylène, le carbonate de propylène, le carbonate de butylène, le carbonate de diphényle, le carbonate de méthyle phényle, le carbonate de dipropyle, le carbonate de méthyle et de propyle, le carbonate d’éthyle et de propyle, le carbonate de vinylène, le fluoroethylène carbonate, le trifluoropropylène carbonate ou leurs mélanges. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la base de lithium est choisie parmi l’hydroxyde de lithium, le carbonate de lithium, et leurs mélanges. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 3, dans lequel la membrane de nanofiltration présente un seuil de coupure de 80 à 250 Daltons, de préférence de 100 à 200 Daltons et encore de préférence de 120 à 180 Daltons. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant une étape de pervaporation entre l’étape de mise en contact du bis(fluorosulfonyl)imide avec une base de lithium et l’étape de diafiltration. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant une étape de distillation azéotropique entre l’étape de mise en contact du bis(fluorosulfonyl)imide avec une base de lithium et l’étape de diafiltration. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le concentrat enrichi en bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium et appauvri en eau comprend une teneur en eau égale ou inférieure à 100 ppm, de préférence égale ou inférieure à 50 ppm, et encore de préférence égale ou inférieure à 20 ppm par rapport au poids du concentrat. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel du solvant est ajoutée lors de l’étape de diafiltration au concentrat, le solvant étant de préférence le même que le solvant utilisé dans l’étape de mise en contact du bis(fluorosulfonyl)imide avec une base de lithium. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel l’étape de diafiltration est effectuée à une pression de 1 à 60 bar. Procédé de préparation d’un électrolyte de batterie Li-ion comprenant : la préparation du bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium selon l’une des revendications 1 à 9 ; la préparation d’un électrolyte comprenant le bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium.