Esafluorofosfato di litio

Esafluorofosfato di litio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	LiPF6
Massa molecolare (u)	151,905
Aspetto	polvere cristallina incolore/bianca
Numero CAS	21324-40-3
Numero EINECS	244-334-7
PubChem	23688915
SMILES	[Li+].F[P-](F)(F)(F)(F)F
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.)	2,84
Solubilità in acqua	si scioglie, ma si idrolizza
Temperatura di fusione	200 °C, con decomposizione
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
	pericolo
Frasi H	314
Consigli P	280 - 305+351+338 - 310
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L'esafluorofosfato di litio è un composto ionico del catione litio con l'anione esafluorofosfato (PF₆⁻), che si forma dalla complessazione di uno ione fluoruro (F⁻) con il pentafluoruro di fosforo (PF₅), un forte acido di Lewis, sebbene meno di AsF₅, e questo di SbF₅.^[2]

La sua formula minima è quindi LiPF₆.^[3] Per evidenziare gli ioni e le loro cariche viene meglio rappresentato come Li⁺[PF₆]⁻. Formalmente è anche il sale di litio dell'acido esafluorofosforico HPF₆,^[4] acido che però è instabile in assenza di acqua.^[5]

Proprietà

A temperatura ambiente si presenta come una polvere cristallina incolore, o bianca se in forma finemente suddivisa, inodore e igroscopica.^[6] In acqua si scioglie, ma subisce idrolisi; l'infiltrazione di umidità nei solventi organici usati nelle batterie al litio può rappresentare un problema per sistemi che impiegano LiPF₆.^[7]

L'esafluorofosfato di litio cristallizza nel sistema cubico, gruppo spaziale F_m3m, con una unità formula nella cella elementare e può essere considerato isostrutturale con NaPF₆ e KPF₆.^[8]

Da esperimenti di termogravimetria risulta che in campioni rigorosamente anidri LiPF₆ mostra decomposizione termica a 134,84 °C, mentre in campioni commerciali questa inizia già a 114,5 °C.^[8]

È un composto tossico, corrosivo, dannoso per le mucose, pericoloso se ingerito, inalato o assorbito attraverso la cute.

Preparazione e applicazioni

L'esafluorofosfato di litio anidro, con purezza raggiungibile del 99,98% e adatto per batterie al litio, può essere preparato facendo reagire fluoruro di litio e pentafluoruro di fosforo (a sua volta preparato a parte da fluoruro di calcio e anidride fosforica) in acetonitrile come solvente a temperatura ambiente (20-30 °C) per 4 ore:^[9]

LiF + PF₅ → PF₆

Le soluzioni di esafluorofosfato di litio in miscele di diesteri dell'acido carbonico (carbonati dialchilici o carbonati di alchilene), quali etilencarbonato, dimetil carbonato, dietil carbonato e/o etilmetil carbonato, in presenza di una piccola quantità di altri come additivi (fluoroetilen carbonato e vinilen carbonato) fungono da soluzioni elettrolitiche di elezione per le batterie agli ioni di litio.^[10]^[11] Questa applicazione sfrutta anche l'inerzia dell'anione esafluorofosfato verso agenti riducenti forti, come il litio metallico.

Reattività

Il sale è relativamente stabile termicamente, ma perde il 50% in peso a 200 °C. Si idrolizza vicino a 70 °C^[12] formando acido fluoridrico (HF) altamente tossico:

{\ce {LiPF6 + H2O -> HF + PF5 + LiOH}}

A causa dell'acidità di Lewis degli ioni Li⁺, LiPF₆ catalizza anche la tetraidropiranilazione degli alcoli terziari.^[13]

Nelle batterie agli ioni di litio, LiPF₆ reagisce con Li₂CO₃, reazione che può essere catalizzata da piccole quantità di HF:^[14]

{\ce {LiPF6 + Li2CO3 -> POF3 + CO2 + 3 LiF}}

Note

^ Sigma Aldrich; rev. del 13.01.2012
^ (EN) Logan T. Maltz e François P. Gabbaï, Analyzing Fluoride Binding by Group 15 Lewis Acids: Pnictogen Bonding in the Pentavalent State, in Inorganic Chemistry, vol. 62, n. 33, 21 agosto 2023, pp. 13566–13572, DOI:10.1021/acs.inorgchem.3c01987. URL consultato il 14 ottobre 2024.
^ (EN) Kang Xu, Nonaqueous Liquid Electrolytes for Lithium-Based Rechargeable Batteries, in Chemical Reviews, vol. 104, n. 10, 1º ottobre 2004, p. 4311, DOI:10.1021/cr030203g. URL consultato l'11 ottobre 2024.
^ Ralf Steudel, Chemie der Nichtmetalle: Synthesen - Strukturen - Bindung - Verwendung, collana De Gruyter studium, 4., vollständig neu bearbeitete Auflage, De Gruyter, 2014, p. 262, ISBN 978-3-11-030439-8.
^ Ralf Steudel, Chemie der Nichtmetalle: Synthesen - Strukturen - Bindung - Verwendung, collana De Gruyter studium, 4., vollständig neu bearbeitete Auflage, De Gruyter, 2014, ISBN 978-3-11-030439-8.
^ Dale L. Perry, Handbook of inorganic compounds, 2ª ed., CRC Press/Taylor & Francis, 2011, 1795, ISBN 978-1-4398-1461-1.
^ (EN) O. V. Bushkova, T. V. Yaroslavtseva e Yu. A. Dobrovolsky, New lithium salts in electrolytes for lithium-ion batteries (Review), in Russian Journal of Electrochemistry, vol. 53, n. 7, 2017-07, pp. 677–699, DOI:10.1134/S1023193517070035. URL consultato l'11 ottobre 2024.
^ ^a ^b L. D. Kock, M. D. S. Lekgoathi e P. L. Crouse, Solid state vibrational spectroscopy of anhydrous lithium hexafluorophosphate (LiPF6), in Journal of Molecular Structure, vol. 1026, 24 ottobre 2012, pp. 145–149, DOI:10.1016/j.molstruc.2012.05.053. URL consultato l'11 ottobre 2024.
^ Jian-wen Liu, Xin-hai Li e Zhi-xing Wang, Preparation and characterization of lithium hexafluorophosphate for lithium-ion battery electrolyte, in Transactions of Nonferrous Metals Society of China, vol. 20, n. 2, 1º febbraio 2010, pp. 344–348, DOI:10.1016/S1003-6326(09)60144-8. URL consultato l'11 ottobre 2024.
^ John B. Goodenough e Youngsik Kim, Challenges for Rechargeable Li Batteries, in Chemistry of Materials, vol. 22, n. 3, 9 febbraio 2010, pp. 587–603, DOI:10.1021/cm901452z.
^ Yunxian Qian, Shiguang Hu, Xianshuai Zou, Zhaohui Deng, Yuqun Xu, Zongze Cao, Yuanyuan Kang, Yuanfu Deng, Qiao Shi, Kang Xu e Yonghong Deng, How electrolyte additives work in Li-ion batteries, in Energy Storage Materials, vol. 20, 2019, pp. 208–215, DOI:10.1016/j.ensm.2018.11.015, ISSN 24058297 (WC · ACNP).
^ Kang Xu, Nonaqueous Liquid Electrolytes for Lithium-Based Rechargeable Batteries, in Chemical Reviews, vol. 104, n. 10, ottobre 2004, pp. 4303–4418, DOI:10.1021/cr030203g, PMID 15669157.
^ Nao Hamada e Sato Tsuneo, Lithium Hexafluorophosphate-Catalyzed Efficient Tetrahydropyranylation of Tertiary Alcohols under Mild Reaction Conditions, in Synlett, n. 10, 2004, pp. 1802–1804, DOI:10.1055/s-2004-829550.
^ Yujing Bi, Tao Wang, Meng Liu, Rui Du, Wenchao Yang, Zixuan Liu, Zhe Peng, Yang Liu, Deyu Wang e Xueliang Sun, Stability of Li2CO3 in cathode of lithium ion battery and its influence on electrochemical performance, in RSC Advances, vol. 6, n. 23, 2016, pp. 19233–19237, DOI:10.1039/C6RA00648E, ISSN 2046-2069 (WC · ACNP).

Voci correlate

Tetrafluoborato di litio

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[1] Sigma Aldrich; rev. del 13.01.2012

[2] (EN) Logan T. Maltz e François P. Gabbaï, Analyzing Fluoride Binding by Group 15 Lewis Acids: Pnictogen Bonding in the Pentavalent State, in Inorganic Chemistry, vol. 62, n. 33, 21 agosto 2023, pp. 13566–13572, DOI:10.1021/acs.inorgchem.3c01987. URL consultato il 14 ottobre 2024.

[3] (EN) Kang Xu, Nonaqueous Liquid Electrolytes for Lithium-Based Rechargeable Batteries, in Chemical Reviews, vol. 104, n. 10, 1º ottobre 2004, p. 4311, DOI:10.1021/cr030203g. URL consultato l'11 ottobre 2024.

[4] Ralf Steudel, Chemie der Nichtmetalle: Synthesen - Strukturen - Bindung - Verwendung, collana De Gruyter studium, 4., vollständig neu bearbeitete Auflage, De Gruyter, 2014, p. 262, ISBN 978-3-11-030439-8.

[5] Ralf Steudel, Chemie der Nichtmetalle: Synthesen - Strukturen - Bindung - Verwendung, collana De Gruyter studium, 4., vollständig neu bearbeitete Auflage, De Gruyter, 2014, ISBN 978-3-11-030439-8.

[6] Dale L. Perry, Handbook of inorganic compounds, 2ª ed., CRC Press/Taylor & Francis, 2011, 1795, ISBN 978-1-4398-1461-1.

[7] (EN) O. V. Bushkova, T. V. Yaroslavtseva e Yu. A. Dobrovolsky, New lithium salts in electrolytes for lithium-ion batteries (Review), in Russian Journal of Electrochemistry, vol. 53, n. 7, 2017-07, pp. 677–699, DOI:10.1134/S1023193517070035. URL consultato l'11 ottobre 2024.

[:0-8] L. D. Kock, M. D. S. Lekgoathi e P. L. Crouse, Solid state vibrational spectroscopy of anhydrous lithium hexafluorophosphate (LiPF6), in Journal of Molecular Structure, vol. 1026, 24 ottobre 2012, pp. 145–149, DOI:10.1016/j.molstruc.2012.05.053. URL consultato l'11 ottobre 2024.

[9] Jian-wen Liu, Xin-hai Li e Zhi-xing Wang, Preparation and characterization of lithium hexafluorophosphate for lithium-ion battery electrolyte, in Transactions of Nonferrous Metals Society of China, vol. 20, n. 2, 1º febbraio 2010, pp. 344–348, DOI:10.1016/S1003-6326(09)60144-8. URL consultato l'11 ottobre 2024.

[10] John B. Goodenough e Youngsik Kim, Challenges for Rechargeable Li Batteries, in Chemistry of Materials, vol. 22, n. 3, 9 febbraio 2010, pp. 587–603, DOI:10.1021/cm901452z.

[QianHu2019-11] Yunxian Qian, Shiguang Hu, Xianshuai Zou, Zhaohui Deng, Yuqun Xu, Zongze Cao, Yuanyuan Kang, Yuanfu Deng, Qiao Shi, Kang Xu e Yonghong Deng, How electrolyte additives work in Li-ion batteries, in Energy Storage Materials, vol. 20, 2019, pp. 208–215, DOI:10.1016/j.ensm.2018.11.015, ISSN 24058297 (WC · ACNP).

[12] Kang Xu, Nonaqueous Liquid Electrolytes for Lithium-Based Rechargeable Batteries, in Chemical Reviews, vol. 104, n. 10, ottobre 2004, pp. 4303–4418, DOI:10.1021/cr030203g, PMID 15669157.

[13] Nao Hamada e Sato Tsuneo, Lithium Hexafluorophosphate-Catalyzed Efficient Tetrahydropyranylation of Tertiary Alcohols under Mild Reaction Conditions, in Synlett, n. 10, 2004, pp. 1802–1804, DOI:10.1055/s-2004-829550.

[BiWang2016-14] Yujing Bi, Tao Wang, Meng Liu, Rui Du, Wenchao Yang, Zixuan Liu, Zhe Peng, Yang Liu, Deyu Wang e Xueliang Sun, Stability of Li2CO3 in cathode of lithium ion battery and its influence on electrochemical performance, in RSC Advances, vol. 6, n. 23, 2016, pp. 19233–19237, DOI:10.1039/C6RA00648E, ISSN 2046-2069 (WC · ACNP).

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