Analysis of Organic Carbonate Solvent Components in Lithium Batteries

Význam tématu

Analýza organických karbonátových rozpouštědel v elektrolytech lithium-iontových baterií je klíčová pro zajištění jejich výkonu, bezpečnosti a životnosti. Množství a složení rozpouštědel ovlivňuje vodivost, viskozitu i tvorbu pasivační vrstvy na elektrodách. Rychlá a přesná metoda pro kvalitativní i kvantitativní stanovení těchto složek přispívá k optimalizaci formulace elektrolytů a ke zlepšení parametrů baterií v oblasti spotřební elektroniky i elektrické mobility.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo navrhnout a ověřit analytickou metodu pro simultánní identifikaci a kvantifikaci čtyř hlavních organických karbonátových komponent – ethylenkarbonátu (EC), propylenerbonátu (PC), dimethylkarbonátu (DMC) a ethylmetylkarbonátu (EMC) – v lithium-iontových elektrolytech. K tomu byl využit kapalinový chromatograf Agilent 1290 Infinity II spojený s vysokorozlišovacím kvadrupól-time-of-flight hmotovým spektrometrem Agilent 6546 LC/Q-TOF.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorek elektrolytu byl nejprve naředěn acetonitrilem, filtrován a přímo injektován do LC/Q-TOF systému. Chromatografické oddělení probíhalo na kolonu Agilent InfinityLab Poroshell 120 Bonus-RP (3,0 × 100 mm, 2,7 μm) při 35 °C a průtoku 0,4 mL·min⁻¹. Mobilní fáze A byla voda s 0,1 % kyseliny mravenčí, fáze B methanol, gradientní program přecházel z 0 % na 100 % fáze B v průběhu 12 minut. MS detekce v pozitivním módu ESI umožnila sběr Full MS a cílených MS/MS dat za použití Jet Stream ionizačního zdroje.

Instrumentace:

• LC: Agilent 1290 Infinity II se sekcemi High-Speed Pump, Multisampler a Multicolumn Thermostat
• Kolona: Agilent InfinityLab Poroshell 120 Bonus-RP, 3,0 × 100 mm, 2,7 μm
• MS: Agilent 6546 LC/Q-TOF s AJS Jet Stream Upgrade
• Software: MassHunter Acquisition 10.1, Quantitative Analysis 10.1, Qualitative Analysis 10.0, MSC 8.2, ChemVista s LC/Q-TOF Spectral Libraries

Hlavní výsledky a diskuse

Metoda umožnila jednoznačnou detekci EC, PC, DMC a EMC s přesným určením monoisotopických iontů a MS/MS fragmentů. Linearita kalibračních křivek pro EC a PC v rozsahu 50–2000 ng·mL⁻¹ byla vynikající (R² > 0,99). V průměru se obsah EC v testovaných vzorcích pohyboval ve 2–5násobku koncentrace PC, což potvrzuje význam optimalizace poměrů složek elektrolytu.

Přínosy a praktické využití metody

Analytická procedura nabízí:

• Vysokou selektivitu díky HR-MS datům a knihovnám
• Rychlou přípravu vzorků a analýzu (injekce bez složitých předúprav)
• Kvantitativní přesnost potvrzenou kalibrací a QC kontrolami
• Možnost aplikace v QC laboratořích výrobců baterií
• Podporu vývoje nových elektrolytových formulací

Budoucí trendy a možnosti využití

Analýza karbonátových rozpouštědel se podle očekávání bude dále rozvíjet směrem k:

• On-line monitoring výrobního procesu
• Integraci s prediktivními nástroji založenými na strojovém učení
• Rozšíření metody o sledování přídavných inhibitorů a stárnutí elektrolytu
• Využití v rozvoji alternativních elektrolytických systémů pro pevné elektrolyty

Závěr

Zavedená metoda LC/Q-TOF poskytuje spolehlivou a efektivní platformu pro kvalitativní i kvantitativní analýzu hlavních organických karbonátových rozpouštědel v lithium-iontových bateriích. Díky vysokému rozlišení a bohaté bibliografické podpoře přispívá k lepšímu pochopení vlivu složení elektrolytu na výkon a životnost baterií.

Reference

1. Zhang P., Chen Y., Liu Y. a kol. Research progress of new electrolytes for lithium-ion batteries. Chemical Reagents, 2016, 38(10): 965–970.
2. Hu H., Xue W., Huo S. a kol. Research progress of SEI film-forming additives in lithium-ion battery electrolytes. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2022, 73(4): 1436–1454.
3. Han X., Zhang C., Wu H. a kol. Working principle and key materials of lithium-ion batteries. Metal Functional Materials, 2021, 28(2): 37–58.
4. Zhang W., Lan X., Shi Z. a kol. Research progress of new high voltage electrolytes for lithium batteries. Chemical Bulletin, 2017, 80(11): 1021–1026.