Comprehensive analysis of electrolyte solutions for lithium- ion batteries using gas chromatography-mass spectrometry

Význam tématu

Analýza složení elektrolytů pro lithium-iontové baterie je klíčová pro zajištění stabilní, výkonné a dlouhodobě odolné energetické akumulace. Elektrolyt ovlivňuje tvorbu a vlastnosti pevného elektrolytického rozhraní (SEI), které reguluje transport iontů a stabilitu baterie při vysokých teplotách a cyklování.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo prezentovat schopnosti systému Thermo Scientific ISQ 7610 GC-MS s jednou kvadrupólovou sondou a novým detektorem XLXR pro přesné stanovení a charakterizaci organických karbonátových rozpouštědel, přísad a degradačních produktů v elektrolytech lithium-iontových baterií. Studie zahrnuje jak kalibrační analýzu standardních látek, tak analýzu čerstvých a cyklovaných vzorků.

Použitá metodika a instrumentace

• Chromatograf: Thermo Scientific TRACE 1610 GC se sloupcem TraceGOLD TG-35MS (30 m x 0,25 mm x 0,25 μm).
• Detektor: Thermo Scientific ISQ 7610 single quadrupole MS s detektorem XLXR, provoz v režimu full scan (m/z 35–500) a SIM.
• Autosampler: Thermo Scientific TriPlus RSH; injekce 1 μl split 1:20; teplotní program 35 °C – 200 °C.
• Příprava vzorku: 20 μl elektrolytu do 1 ml dichlormetanu, centrifugace a ředění až 1:50 000.
• Kalibrace: 7bodová křivka 0,1–200 mg/L (full scan) a 0,1–100 mg/L (SIM).

Hlavní výsledky a diskuse

• Úspěšné rozdělení 16 cílových látek během 16 minut.
• Vysoké lineární korelace (r2>0,99) přes 4 řády koncentrace.
• Detekční limity v nízkých μg/L (0,003–0,021 μg/L), kvantifikační limity do 0,07 μg/L.
• Kompozice čerstvých elektrolytů odhalila variabilitu poměrů dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylene carbonate a dalších.
• Po cyklování identifikace degradačních produktů (dioxahexane acid dimethyl ester) a přidatných sloučenin (biphenyl) pomocí full scan a SIM.
• SIM režim zvýšil citlivost pro nízkokoncentrované přísady vinylene carbonate a ethyl propionate.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda umožňuje rychlou a citlivou kvantifikaci i stopových složek elektrolytu, podporuje vývoj nových přísad a optimalizaci formulací, zajišťuje kontrolu kvality a odhaluje degradační mechanismy během provozu baterie.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace vysokopropustných GC-MS platforem pro síťové testování baterií.
• Rozšíření detekce o iontovou mobilitu či vysokorozlišovací MS pro detailnější charakterizaci.
• Automatizované řízení kvality s využitím strojového učení pro rychlou identifikaci anomálií.
• Vývoj nových elektrolytických směsí s cíleným designem SEI pro zvýšení stability a kapacity.

Závěr

Prezentovaná aplikace potvrzuje, že systém Thermo Scientific ISQ 7610 GC-MS s detektorem XLXR nabízí vysokou spolehlivost, rozsáhlý dynamický rozsah a vynikající citlivost pro komplexní analýzu elektrolytů lithium-iontových baterií, což usnadňuje optimalizaci jejich složení a zvyšuje efektivitu vývoje.

Reference

1. Campion CL. Thermal Decomposition of LiPF6-Based Electrolytes for Lithium-Ion Batteries. J Electrochem Soc. 2005;152:A2327–A2334.
2. Zhang SS. A review on electrolyte additives for lithium-ion batteries. J Power Sources. 2006;22:1379–1394.
3. Horsthemke F et al. Fast screening method to characterize lithium-ion battery electrolytes by SPME-GC-MS. RSC Adv. 2017;7:46989–46998.