Robust and sensitive measurement of trace element impurities in LiPF6 electrolyte solutions using ICP-OES

Význam tématu

Elektrolytické roztoky s LiPF6 jsou klíčovou složkou Li-ion baterií používaných v elektronických zařízeních i elektromobilech. Přítomnost stopových kovů či jiných nečistot v elektrolytu může výrazně ovlivnit výkon, životnost i bezpečnost baterie. Spolehlivá a citlivá analýza těchto nečistot je proto nezbytná jak pro kontrolu kvality výroby, tak pro výzkum stárnutí a recyklaci baterií.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo ověřit možnosti přístroje Thermo Scientific iCAP PRO XP ICP-OES Duo pro rychlou, robustní a citlivou detekci patnácti stopových prvků v LiPF6 elektrolytech. Studie zahrnovala optimalizaci metodiky, ověření detekčních limitů, linearity kalibrace, přesnosti i dlouhodobé stability měření.

Použitá instrumentace

• Přístroj: Thermo Scientific iCAP PRO XP ICP-OES Duo
• Režim měření: inteligentní full range (iFR), axiální pozorování plazmatu
• Vzorkovací systém: Burgener PEEK MiraMist nebulizér, PTFE HF odolná sprchová komora, keramická D-Torch, aluminiový injektor 1,0 mm
• Parametry plazmatu: RF výkon 1250 W, tok nebulizačního plynu 0,30 L/min, pomocného 0,5 L/min, chladicího 15 L/min
• Měřící cyklus: doba připravení i promývání 70 s, doba expozice 10 s, tři opakování
• Software: Qtegra ISDS pro akvizici, zpracování a QC

Hlavní výsledky a diskuse

Byla dosažena citlivost umožňující LOD v řádu µg/L a MDL v desítkách ng/L pro všechny analyzované prvky. Kalibrace v rozsahu 0–1000 µg/L prokázala linearitu s R2 > 0,999. Použití 5 mg/L yttrium jako vnitřního standardu kompenzovalo potlačení signálu v organickém matrix obsahujícím HF, s obnovou 85–90 % i po více než 6 hodinách nepřetržitého měření. Precision spike recoveries oscilovaly mezi 86–103 % (RSD < 5 %), QC standardy se držely v toleranci 80–120 %.

Přínosy a praktické využití metody

• Detekce stopových kovů na úrovni ppb při krátkém čase analýzy (~3 min/vzorek)
• Minimální příprava vzorku (ředení v organickém diluentu)
• Odolnost vůči organickému matrix a přítomnosti HF
• Vysoká reproducibilita a možnost nepřetržitého provozu (>100 vzorků/den)
• Vhodné pro rutinní QA/QC i výzkumné aplikace v bateriovém průmyslu

Budoucí trendy a možnosti využití

Metodu lze dále rozšířit o eUV režim pro zvýšení citlivosti v hlubokém UV spektru a širší dynamický rozsah kalibrace. Analytický postup je vhodný i pro studium stařených či recyklovaných elektrolytů, environmentální monitoring a kombinaci s ICP-MS nebo chromatografií pro komplexní profilaci nečistot.

Závěr

Optimalizovaný protokol s iCAP PRO XP ICP-OES Duo dokázal spolehlivě a citlivě kvantifikovat stopové prvky v LiPF6 elektrolytech. Metoda nabízí vysokou přesnost, rychlou návratnost výsledků a dlouhodobou stabilitu, což ji činí ideální pro kontrolu kvality výroby i výzkumné účely.

Reference

• Pistoia G. Lithium Batteries — new materials, developments and perspectives; Elsevier, 1994.
• Scrosati B. Insertion Compounds for Lithium Rocking Chair Batteries; VCH, 1993.
• Wu W. et al. Thermal performance of heat pipe-assisted phase change material based BTMS. Energy Convers. Manag. 2017, 138, 486–492.
• HGT/4067-2015. Cell liquor of lithium hexafluorophosphate.