Multiplatform Approach for Lithium-Ion Battery Electrolyte Compositional Analysis

Význam tématu

Lithium-iontové baterie jsou klíčovým prvkem v přenosné elektronice, automobilovém průmyslu a ukládání obnovitelné energie. Složení elektrolytu významně ovlivňuje výkonnost, životnost a bezpečnost baterie. Komplexita směsi organických rozpouštědel, lithných solí a aditiv vyžaduje přesné a citlivé analytické techniky pro sledování kvality, zkoumání stárnutí a reverzní inženýrství komerčních elektrolytů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo komplexně stanovit složení neznámých elektrolytových vzorků lithium-iontových baterií pomocí multiplatformního přístupu. Analýza kombinovala techniky GC/TQ, LC/Q-TOF a ICP-MS. Studie se zaměřila na identifikaci hlavních i stopových organických složek, aditiv a lithných solí a na kvantifikaci prvkového obsahu včetně možných nečistot.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky byly připraveny jednoduchým ředěním vhodnými rozpouštědly pro jednotlivé techniky.

• GC/TQ: Agilent 8890 GC s Agilent 7010 TQ MS (HES), split/splitless injekce, dekonvoluce a knihovní vyhledávání pomocí MassHunter Unknowns Analysis.
• LC/Q-TOF: Agilent 1290 Infinity II LC s Agilent 6545XT AdvanceBio Q-TOF MS, ESI pozitivní režim, statistické zpracování v MassHunter Explorer (PCA, HCA, Venn).
• ICP-MS: Agilent 7900 ICP-MS s kit pro organická rozpouštědla, MicroMist/nebulizér, inertní torus, QuickScan a kvantifikace FullQuant pro 21 prvků.

Hlavní výsledky a diskuse

• GC/TQ detekce 28 těkavých organických sloučenin; osm běžných mezi vzorky (např. DMC, DEC, EC, NMP) s vysokým match faktorem (>90 %).
• LC/Q-TOF nontargeted přístup odhalil další nevolatilní aditiva a rozpouštědla; PCA, HCA a Venn diagram ukázaly rozdíly i společné složky mezi třemi vzorky.
• ICP-MS potvrdil přítomnost lithných solí (LiPF6, LiBF4, LiClO4) a kvantifikoval nečistoty (B, Na, Mg, P, K, Ca, přechodné kovy) v řádu desítek až stovek ppb.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda nabízí komplexní náhled na organickou i anorganickou složku elektrolytu a podporuje:

• Rychlou a spolehlivou kontrolu kvality elektrolytů
• Reverzní inženýrství komerčních receptur
• Sledování degradace elektrolytu během životnosti baterie

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace dalších hromadných metod (např. iontová chromatografie, NMR) pro širší profilaci aditiv
• Pokročilá softwarová řešení a umělá inteligence pro automatizované dekonvoluce a predikci vlastností elektrolytů
• Miniaturizace a online přístupy pro monitorování elektrolytu v reálném čase

Závěr

Multiplatformní přístup kombinuje výhody GC/TQ, LC/Q-TOF a ICP-MS, čímž umožňuje detailní a spolehlivou analýzu složení lithium-iontových elektrolytů. Tento holistický postup podporuje vývoj i kontrolu kvality bateriových elektrolytů a usnadňuje pochopení procesů stárnutí.

Reference

1. Lithium-Ion Batteries: Basics and Applications, Springer Berlin Heidelberg 2018
2. The Development and Future of Lithium-Ion Batteries, J. Electrochem. Soc. 164 (1) A5019–A5025 (2017)
3. Zhang S. S.: A Review on Electrolyte Additives for Lithium-Ion Batteries, J. Power Sources 2006, 1379–1394
4. Zou A. et al.: Analysis of Elemental Impurities in Lithium-Ion Battery Electrolyte Solvents by ICP-MS, Agilent Technologies 5994-6883EN
5. Owens B. B. et al.: Primary Batteries | Overview, Encyclopedia of Electrochemical Power Sources 2009, 22–27