Automated salt removal and dilution for online analysis of unprocessed lithium battery electrolytes using gas chromatography-mass spectrometry

Význam tématu

Rostoucí poptávka po lithiových bateriích vyžaduje rychlou a spolehlivou analýzu elektrolytů, které jsou klíčovým faktorem pro jejich výkon a životnost. Kvalitativní i kvantitativní stanovení hlavních složek, příměsí a produktů degradace přispívá k optimalizaci výroby, diagnostice poruch a vývoji nových materiálů.

Cíle a přehled studie

Cílem přehledu je představit plně automatizovaný pracovní postup využívající TriPlus RSH SMART autosampler pro odstranění vodivého soli LiPF6 z neupravených elektrolytů, následné ředění a online analýzu pomocí GC-MS. Metoda pokrývá široké koncentrace od procentuálních podílů organických karbonátů až po ppm úrovně přísad a degradovaných látek.

Použitá metodika a instrumentace

Pracovní postup se skládá ze dvou sekvenčních kroků:

• Krok 1: Odstranění soli – do 10 µl vzorku elektrolytu se přidá 490 µl dichlormethanu. Následuje víření, centrifugace a separace precipitátu.
• Krok 2: Volitelné ředění – z jasné fáze se odebere 5 µl supernatantu a ředí se 995 µl dichlormethanu pro analýzu vysoce koncentrátových složek.

Instrumentace:

• Automatický vzorkovač Thermo Scientific TriPlus RSH SMART
• Chromatograf Thermo Scientific TRACE 1610 GC
• Detektor Thermo Scientific TSQ 9610 triple quadrupole GC-MS s Advanced EI zdrojem
• Další moduly: automatická výměna nástrojů, stanice pro rozpouštědla, vortex mixer, centrifuga
• Softwarové ovládání v Chromeleon 7.3.2 CDS

Hlavní výsledky a diskuse

• Reprodukovatelnost: Relativní odchylka pod 6 % pro hlavní složky ethyl methyl carbonate a ethylene carbonate (n=8).
• Odstranění přenosu kontaminace: Díky automatizovanému oplachu stříkaček dichlormethanem a acetonem nebyl zjištěn žádný carryover.
• Citlivost: Detekce vedlejších přísad a degradátů v sub µg·L⁻¹ úrovni bez dodatečné přípravy.
• Recovery testy: Obnova spikovaných sloučenin se pohybovala mezi 61 a 83 % s dobrou přesností, snížená hmotnost elektrolytu vlivem srážky soli však mírně ovlivnila absolutní hodnoty.
• Produktivita: Celkový čas zpracování jednoho vzorku je přibližně 18 minut s možností paralelní analýzy na GC-MS.

Přínosy a praktické využití metody

• Úspora času a eliminace ruční práce výrazně snižuje riziko chyb a variabilitu mezi vzorky.
• Metoda je škálovatelná pro až 54 vzorků a kombinovatelná s dalšími GC-MS systémy.
• Vhodná pro kontrolu kvality výroby i výzkum degradace elektrolytů ve vývojových laboratořích.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace s vysokorozlišovacími hmotnostními spektrometry pro detailnější screening degradátů.
• Rozšíření automatizace na další typy elektrolytů a solí.
• Online propojení s testovacími buňkami pro sledování změn v reálném čase.
• Další optimalizace softwarových skriptů pro flexibilnější ředění a úpravy protokolu.

Závěr

Automatizovaný postup využívající TriPlus RSH SMART autosampler nabízí rychlou, spolehlivou a reprodukovatelnou přípravu elektrolytů pro GC-MS analýzu. Metoda umožňuje přesné stanovení hlavních složek i stopových přísad a degradátů při minimalizaci lidských zásahů.

Reference

• Thermo Fisher Scientific Application Note 001124: Comprehensive analysis of electrolyte solutions for lithium-ion batteries using gas chromatography-mass spectrometry