Analysis of Elemental Impurities in Lithium-Ion Battery Electrolyte Solvents by ICP-MS
Aplikace | 2023 | Agilent TechnologiesInstrumentace
Analýza stopových kovových nečistot v elektrolytických rozpouštědlech lithiových iontových baterií je klíčová pro zajištění výkonu, bezpečnosti a dlouhé životnosti baterií. Přítomnost prvků jako Cr, Fe, Ni, Cu nebo Zn v koncentracích pod úrovní ppb může ovlivnit iontovou vodivost, urychlit degradaci elektrochemických reakcí a způsobovat neřízené vývody plynů či dendritické růsty lithia. Spolehlivé a citlivé metody detekce prvků na stopových úrovních jsou proto nezbytné pro vývoj a kontrolu kvality moderních bateriových materiálů.
Cílem studie bylo vyvinout a validovat kvantitativní metodu přímé stanovení 21 prvků v běžných směsích elektrolytových rozpouštědel DMC/EMC a DMC/EC pomocí ICP-MS. Hlavním přístupem bylo využití standard addition kalibrací v nativní matici bezředěného vzorku pro dosažení nejnižších detekčních limitů a spolehlivosti výsledků. Navazující část práce představuje hodnocení linearity, detekčního limitu, zpětných zásahů a dlouhodobé stability vedení analýzy.
Vzorky elektrolytických směsí DMC/EMC (70/30 v/v) a DMC/EC (70/30 v/v) byly analyzovány přímo bezředěné. Kalibrace standard addition zahrnovala 9 bodů v rozsahu 1–500 ppb připravených v každé matici, přičemž nulový bod představoval nespikovaný vzorek. Detekční limity byly stanoveny z vícečetných opakování blanků. Po každé vzorku byl použit dvoustupňový proplach 100% DMC (170 s) k minimalizaci carry-over.
Detekční limity pro většinu analyzovaných prvků dosáhly sub-ppb úrovně v nativních organických matricích, což jasně překonává konvenční ICP-OES. Standard addition kalibrace vykázala výbornou linearitu (R² > 0,995) pro všech 21 prvků. Testy zpětných zásahů (25 ppb spike) ukázaly recovery v rozmezí 88–107 % s přesností < 8 % RSD (výjimkou bylo Zn v DMC/EC, kde vliv vyššího pozadí znemožnil spolehlivou spike analýzu). Šestiměsíční kontinuální provoz (6 h sekvence s QC kontrolou po 10 vzorcích) prokázal stabilitu výsledků v rozsahu 80–115 % recovery s RSD < 10 %.
QuickScan v režimu He collision a IntelliQuant screening poskytly v jediném 2 s průchodu spektra semikvantitativní údaje o nepřipravených anorganických i kovových prvcích, odhalující například vyšší obsah Zn, Br a Rh v EC nebo Pd, Cd a Sn v EMC.
Očekává se rozšíření metodiky na stanovení dalších prvků a nežádoucích organických nečistot za využití tandemové ICP-QQQ pro eliminaci peak tail interference. Integrace s online procesní analýzou (PAT) a automatizovanými inspekcemi kvality by mohla výrazně zkrátit dobu vývoje nových materiálů. Kombinace ICP-MS s dalšími technikami (IC, GC-MS) otevře širší pohled na komplexní nečistoty v elektrolytech budoucích baterií.
Vyvinutá metoda na Agilent 7900 ICP-MS umožňuje přímou, citlivou a přesnou kvantifikaci 21 kovových prvků v neředěných LIB elektrolytech DMC/EMC a DMC/EC. Vysoká stabilita, nízké detekční limity a možnost rychlého screeningového screenu ukazují, že přístrojové řešení je vhodné pro rutinní QA/QC, výzkum i vývoj nových bateriových systémů.
ICP/MS
ZaměřeníPrůmysl a chemie, Materiálová analýza
VýrobceAgilent Technologies
Souhrn
Význam tématu
Analýza stopových kovových nečistot v elektrolytických rozpouštědlech lithiových iontových baterií je klíčová pro zajištění výkonu, bezpečnosti a dlouhé životnosti baterií. Přítomnost prvků jako Cr, Fe, Ni, Cu nebo Zn v koncentracích pod úrovní ppb může ovlivnit iontovou vodivost, urychlit degradaci elektrochemických reakcí a způsobovat neřízené vývody plynů či dendritické růsty lithia. Spolehlivé a citlivé metody detekce prvků na stopových úrovních jsou proto nezbytné pro vývoj a kontrolu kvality moderních bateriových materiálů.
Cíle a přehled studie
Cílem studie bylo vyvinout a validovat kvantitativní metodu přímé stanovení 21 prvků v běžných směsích elektrolytových rozpouštědel DMC/EMC a DMC/EC pomocí ICP-MS. Hlavním přístupem bylo využití standard addition kalibrací v nativní matici bezředěného vzorku pro dosažení nejnižších detekčních limitů a spolehlivosti výsledků. Navazující část práce představuje hodnocení linearity, detekčního limitu, zpětných zásahů a dlouhodobé stability vedení analýzy.
Použitá metodika
Vzorky elektrolytických směsí DMC/EMC (70/30 v/v) a DMC/EC (70/30 v/v) byly analyzovány přímo bezředěné. Kalibrace standard addition zahrnovala 9 bodů v rozsahu 1–500 ppb připravených v každé matici, přičemž nulový bod představoval nespikovaný vzorek. Detekční limity byly stanoveny z vícečetných opakování blanků. Po každé vzorku byl použit dvoustupňový proplach 100% DMC (170 s) k minimalizaci carry-over.
Použitá instrumentace
- Agilent 7900 ICP-MS s organickým vstupním modulem (G3280-60580) a kit verzí pro vysoké tenze RF (27 MHz)
- Quartzová hořáková trubice 1,5 mm ID, Platinum-tipped konusy a pátá linka pro O₂/Ar (20 % O₂)
- ORS4 collision/reaction cell s He (KED) a režimy HEHe či H₂ pro potlačení polyatomových i isobarických interferencí
- Agilent I-AS autosampler s MicroMist nebulizérem a samoaspiračním odběrem
- ICP-MS MassHunter software pro Custom Tune, QuickScan a IntelliQuant screening
Hlavní výsledky a diskuse
Detekční limity pro většinu analyzovaných prvků dosáhly sub-ppb úrovně v nativních organických matricích, což jasně překonává konvenční ICP-OES. Standard addition kalibrace vykázala výbornou linearitu (R² > 0,995) pro všech 21 prvků. Testy zpětných zásahů (25 ppb spike) ukázaly recovery v rozmezí 88–107 % s přesností < 8 % RSD (výjimkou bylo Zn v DMC/EC, kde vliv vyššího pozadí znemožnil spolehlivou spike analýzu). Šestiměsíční kontinuální provoz (6 h sekvence s QC kontrolou po 10 vzorcích) prokázal stabilitu výsledků v rozsahu 80–115 % recovery s RSD < 10 %.
QuickScan v režimu He collision a IntelliQuant screening poskytly v jediném 2 s průchodu spektra semikvantitativní údaje o nepřipravených anorganických i kovových prvcích, odhalující například vyšší obsah Zn, Br a Rh v EC nebo Pd, Cd a Sn v EMC.
Přínosy a praktické využití metody
- Možnost přímé analýzy vysoce čistých organických elektrolytů bezředěných vzorků
- Nízké detekční limity pro stopové kovy usnadňují kontrolu kvality výroby LIB
- Standard addition v matici eliminuje maticové efekty a zjednodušuje přípravu vzorků
- QuickScan a IntelliQuant umožňují rychlé screeningy neočekávaných kontaminantů
- Dlouhodobá stabilita přístroje zaručuje rutinní provoz pro sériové analýzy
Budoucí trendy a možnosti využití
Očekává se rozšíření metodiky na stanovení dalších prvků a nežádoucích organických nečistot za využití tandemové ICP-QQQ pro eliminaci peak tail interference. Integrace s online procesní analýzou (PAT) a automatizovanými inspekcemi kvality by mohla výrazně zkrátit dobu vývoje nových materiálů. Kombinace ICP-MS s dalšími technikami (IC, GC-MS) otevře širší pohled na komplexní nečistoty v elektrolytech budoucích baterií.
Závěr
Vyvinutá metoda na Agilent 7900 ICP-MS umožňuje přímou, citlivou a přesnou kvantifikaci 21 kovových prvků v neředěných LIB elektrolytech DMC/EMC a DMC/EC. Vysoká stabilita, nízké detekční limity a možnost rychlého screeningového screenu ukazují, že přístrojové řešení je vhodné pro rutinní QA/QC, výzkum i vývoj nových bateriových systémů.
Reference
- Korthauer, R. Lithium-Ion Batteries: Basics and Applications, Springer, 2018.
- Blomgren, G. E. The Development and Future of Lithium Ion Batteries, J Electrochem Soc, 164, A5019, 2017.
- McCurdy, E. et al. Enhanced Analysis of Organic Solvents using the Agilent 7700 Series ICP-MS, Agilent 5990-9407EN.
- Liu, S. et al. Organic matrix effects in ICP-MS: A tutorial, Appl Spectrosc Rev, 2022, 461–489.
- Zou, A. et al. Direct Analysis of Elemental Impurities in LIB Solvents, Agilent 5994-6227EN.
Obsah byl automaticky vytvořen z originálního PDF dokumentu pomocí AI a může obsahovat nepřesnosti.
Podobná PDF
Multiplatform Approach for Lithium-Ion Battery Electrolyte Compositional Analysis
2024|Agilent Technologies|Aplikace
Application Note Advanced Materials Multiplatform Approach for Lithium-Ion Battery Electrolyte Compositional Analysis Decoding volatile, organic, and elemental composition of unknown electrolyte sample Authors Aimei Zou, Yu-Feng Zhang, and Olivier Chevallier Agilent Technologies, Inc. Abstract Electrolytes in lithium-ion batteries (LIBs) play…
Klíčová slova
electrolyte, electrolytecounts, countslithium, lithiumanalysis, analysisicp, icpgas, gashehe, hehecomponents, componentsdmc, dmcorganic, organicstatistical, statisticalunknown, unknownthree, threeelectrolytes, electrolytesreverse
Analysis of Elemental Impurities in Lithium-Ion Secondary Battery Electrolytes Using the ICPE- 9800 Series
2024|Shimadzu|Aplikace
Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer ICPE™-9800 Series Application News Analysis of Elemental Impurities in Lithium-Ion Secondary Battery Electrolytes Using the ICPE9800 Series Kosuke Naka User Benefits The ICPE-9800 Series allows for simultaneous multi-element analysis. It is possible…
Klíčová slova
electrolytes, electrolyteslib, liblithium, lithiumhydrofluoric, hydrofluoricresistant, resistantspike, spikeunspiked, unspikedimpurities, impuritiesspiked, spikedtests, testselemental, elementalcalibration, calibrationrecovery, recoveryelements, elementselectrolyte
Agilent Solutions for Lithium-Ion Battery Industry
2020|Agilent Technologies|Brožury a specifikace
Agilent Solutions for Lithium-Ion Battery Industry Lithium-ion battery industry is thriving High voltage, high specific energy, long cycle life, environmental friendliness, good energy density and power density, are some advantages of lithium-ion batteries in providing the best overall performance for…
Klíčová slova
battery, batterylithium, lithiumelectrolyte, electrolyteion, ionbatteries, batteriesindustry, industrymaterials, materialsanode, anodeagilent, agilentswelling, swellingseparator, separatorassay, assaytof, tofspike, spikedemands
Accurate ICP-MS Analysis of Elemental Impurities in Electrolyte Used for Lithium-Ion Batteries
2022|Agilent Technologies|Aplikace
Application Note Energy and Chemicals Accurate ICP-MS Analysis of Elemental Impurities in Electrolyte Used for Lithium-Ion Batteries Determination of 68 elements in lithium salts LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , and LiFSI Authors Introduction Aimei Zou, Shuping Li, Chun Hiong…
Klíčová slova
mdl, mdlelement, elementsalt, saltstandard, standardbattery, batteryicp, icpcalibration, calibrationrecovery, recoveryelectrolyte, electrolytelifsi, lifsipolyatomic, polyatomicaddition, additionhehe, hehemulti, multielements