Multiplatform Approach for Lithium-Ion Battery Electrolyte Compositional Analysis

Význam tématu

Electrolyty v lithio-iontových bateriích určují vodivost, stabilitu, životnost a bezpečnost článků. Změny složení během cyklování a stárnutí mohou výrazně ovlivnit výkon a bezpečnost baterií.

Cíle a přehled studie

Studie se zaměřila na komplexní rozbor tří neznámých elektrolytických vzorků pomocí vícekriteriálních instrumentálních technik. Hlavními cíli byly:

• Identifikace a kvantifikace těkavých organických složek (GC/TQ).
• Profilace nevolatilních organických sloučenin (LC/Q-TOF).
• Elementální analýza elektrolytických solí a nečistot (ICP-MS).

Použitá metodika a instrumentace

Analýzy proběhly na třech platformách:

• GC/TQ (Agilent 8890 GC / 7010 TQ MS) – rozhraní HES, split a splitless injekce, sken m/z 15–450.
• LC/Q-TOF (Agilent 1290 Infinity II / 6545XT Q-TOF) – C18 kolona, gradient metanol/ammonium formiát, ESI pozitivní ionizace.
• ICP-MS (Agilent 7900) – organický kit, MicroMist, quartz hořák, QuickScan a FullQuant pro elementární profil.

Hlavní výsledky a diskuse

• GC/TQ detekce 28 těkavých sloučenin, z toho 8 běžných v všech vzorcích (např. DMC, DEC, toluen, EC, NMP).
• LC/Q-TOF nontargeted přístup odhalil řadu nevolatilních aditiv a sloučenin pomocí PCA, HCA a Vennova diagramu.
• ICP-MS potvrdilo vysoký obsah lithných solí (LiPF6, LiBF4, LiClO4) a odhalilo stopové nečistoty (Na, K, Mg, Fe, Zn aj.).

Přínosy a praktické využití metody

• Multidisciplinární přístup zajišťuje komplexní obraz složení elektrolytu.
• Umožňuje reverzní inženýrství receptur komerčních elektrolytů.
• Podporuje rutinní kontrolu kvality a monitorování degradačních procesů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace strojového učení pro rychlejší vyhodnocení dat.
• Vývoj online monitoringu elektrolytů pro bateriové systémy.
• Rozšíření metodiky o nové hyphenované techniky a senzory in situ.

Závěr

Kombinace GC/TQ, LC/Q-TOF a ICP-MS představuje efektivní nástroj pro dekódování složení neznámých LIB elektrolytů. Tento holistický přístup podporuje vývoj, optimalizaci a kontrolu kvality bateriových elektrolytů.

Reference

1. Lithium-Ion Batteries: Basics and Applications, Springer, 2018.
2. The Development and Future of Lithium-Ion Batteries, J. Electrochem. Soc., 164(1), 2017, A5019–A5025.
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 Tech. application note 5994-6883EN.
5. Owens B. B. et al., Primary Batteries | Overview, Encyclopedia of Electrochemical Power Sources, 2009, 22–27.