Determination of Dissolved Manganese in Lithium/Manganese Oxide Battery Electrolyte

Význam tématu

Lithium-iontové baterie s katodou na bázi oxidu manganu se vyznačují lepšími ekologickými vlastnostmi, nižšími náklady a dobrou bezpečností. Jedním z omezení jejich životnosti je však postupné uvolňování manganu do elektrolytu během cyklování. Kvantifikace rozpuštěného manganu je proto klíčová pro hodnocení stability a životnosti těchto baterií.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo vyvinout a ověřit iontově chromatografickou (IC) metodu pro přesné stanovení rozpuštěného manganu ve vzorcích simulovaného elektrolytu Li/LiMn2O4 baterií. Metoda využívá systém Reagent-Free IC (RFIC) s potlačenou vodivostní detekcí a speciální kolonu Dionex IonPac CS12A pro zlepšení citlivosti, přesnosti a reprodukovatelnosti výsledků.

Použitá metodika a instrumentace

Pro analýzu byl použit systém Thermo Scientific Dionex ICS-2100 RFIC s autosamplerem AS-AP a softwarem Chromeleon CDS 6.80 SR9. Jako separační kolona byla nasazena ochranná kolona Dionex IonPac CG12A (4 × 50 mm) a analytická kolona Dionex IonPac CS12A (4 × 250 mm). Eluent (20 mM methansulfonové kyseliny) byl generován pomocí kartridže EGC III MSA spolu s obnovovanou kationtovou pastí CR-CTC II, detekce probíhala potlačenou vodivostní technikou na suppressoru CSRS 300 (režim recycle, proud 60 mA).

Hlavní výsledky a diskuse

Metoda byla kalibrována v rozsahu 0,1–1,0 mg/L manganu, lineární závislost mezi koncentrací a plochou píku vykázala hodnotu r2 = 0,9997. Separace manganu od ostatních běžných kationtů (Li+, Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+) proběhla izokraticky během 15 min s ostrým tvarem píků. Citlivost metody umožnila stabilní měření i nejnižšího standardu 0,1 mg/L při injekci 20 µL. Analýza simulovaného vzorku bez manganu ukázala nulové pozadí, zatímco do simulovaného spikovaného vzorku s teoretickou koncentrací 0,1 mg/L bylo zjištěno průměrně 0,1033 mg/L (RSD 0,15 %, recovery 103 %), což potvrzuje vysokou přesnost a reprodukovatelnost metody.

Přínosy a praktické využití metody

Nová metoda nabízí:

• Vyšší citlivost díky potlačené detekci a optimalizované koloně.
• Jednoduchou přípravu elučního roztoku bez manuálního míchání reagentů.
• Rychlou analýzu s časem separace okolo 15 min.
• Vysokou přesnost a reprodukovatelnost vhodnou pro monitorování kvality bateriových elektrólitů.

Budoucí trendy a možnosti využití

Metoda RFIC s potlačenou detekcí může být dále rozšířena na stanovení dalších kovových kationtů v elektrolytech, včetně stopových prvků. V budoucnu lze uvažovat o automatizaci odběru vzorků přímo z provozních baterií a propojení s datovou infrastrukturou pro online sledování stavu baterií v reálném čase. Integrace s dalšími detekčními technikami (např. ICP-MS) může rozšířit rozsah stanovovaných prvků.

Závěr

Popsaná RFIC metoda s potlačenou vodivostní detekcí a kolonnou Dionex IonPac CS12A prokázala v simulovaném elektrolytu Li/LiMn2O4 rychlé, citlivé a přesné stanovení rozpuštěného manganu. Díky jednoduché přípravě elučního roztoku a reprodukovatelným výsledkům je metoda vhodná pro rutinní kontrolu kvality a výzkum dlouhodobé stability lithium-manganových baterií.

Reference

1. Thermo Scientific Application Note 258: Determination of Tetrafluoroborate, Perchlorate, and Hexafluorophosphate in a Simulated Electrolyte Sample from Lithium Ion Battery Production. Sunnyvale, CA, 2010.
2. Doh C., Lee J., Lee D., Jin B., Moon S. The Quantitative Analysis of the Dissolved Manganese in the Electrolyte of Li/LiMn2O4 Cell Using Ion Chromatography. Bulletin of the Korean Chemical Society 2009, 30(10), 2429–2432.