Analysis of N-Methyl-2-Pyrrolidone (NMP) in Battery Electrodes

Význam tématu

Přesné stanovení zbytkového N-metyl-2-pyrrolidonu (NMP) v elektrodách je klíčové pro zajištění optimálního výkonu, životnosti a bezpečnosti lithium-iontových baterií. Rezidua NMP mohou ovlivnit elektrochemické vlastnosti, mechanickou integritu povlaku a plnění legislativních požadavků týkajících se zdraví a životního prostředí.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo vyvinout spolehlivou, nákladově efektivní a rychlou metodu pro kvantifikaci zbytkového NMP v katodových i anodových vzorcích s maximální relativní chybou nižší než 2,5 %. Metoda kombinuje ultrazvukem asistovanou extrakci v ethanolu s plynovou chromatografií na systému Agilent 8860 GC-FID.

Použitá metodika a instrumentace

• Ultrazvuková extrakce vzorků: 15 minut, 10 mL ethanolu na ~0,8 g vzorku
• Filtrace extraktu: PTFE špičkový filtr 0,45 µm
• Chromatograf: Agilent 8860 GC se split/splitless injektorem a FID
• Automatický vzorkovač: Agilent 7650A
• Kolona: Agilent J&W DB-WAX, 30 m × 0,25 mm, 0,25 µm
• Nosný plyn: N₂, konstantní průtok 2,0 mL/min; teplotní program: 60 °C (2 min) → 250 °C (20 °C/min, 3 min)
• Pomůcky: centrifugační zkumavky 15 mL, ultrazvuková lázeň, stříkačky 5 mL

Hlavní výsledky a diskuse

• Efektivita extrakce: > 90 % u nekalených a ~60 % u kalených vzorků při 15 min; u kalených vzorků do 1 h extrakce nedosahuje úplné odstranění NMP
• Chromatografie: retence NMP ~7,9 min, symetrie píku ≈ 1,07; baseline separace od DMF a DMSO
• Lineárnost: rozsah kalibrace 0,5–100 mg/L, R² = 0,9998
• Detekční limity: MDL < 0,10 µg/mL, LOQ < 0,30 µg/mL
• Opakovatelnost: RSD retenčního času < 0,01 %, RSD plochy píku ≤ 2,0 %
• Praktická aplikace: NMP detekováno v katodách i anodách, koncentrace v reálných vzorcích dosahují stovek µg/g až jednotek mg/g

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlá a jednoduchá příprava bez drahých nebo toxických rozpouštědel
• Vysoká citlivost a opakovatelnost vhodná pro rutinní kontrolu kvality
• Možnost monitorování reziduí NMP v průmyslové výrobě baterií i v R&D
• Podpora dodržování regulací o omezených látkách

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace plně automatizované extrakce a online GC-FID analýzy
• Vývoj modulárních řešení pro efektivnější extrakci kalendovaných elektrod
• Přechod na zelenější rozpouštědla a optimalizace pracovního prostředí
• Rozšíření metody o hmotnostní spektrometrii pro vícesložkovou analýzu

Závěr

Navržená metoda ultrazvukem asistované extrakce v ethanolu spojená s GC-FID poskytuje rychlou, citlivou a vysoce opakovatelnou analýzu zbytkového NMP v bateriových elektrodách. Technika je vhodná pro rutinní i výzkumné aplikace a usnadňuje plnění legislativních požadavků.

Reference

1. Liu Y, Zhang R, Wang J, Wang Y. Current and Future Lithium-Ion Battery Manufacturing. iScience. 2021;24:102332. DOI: 10.1016/j.isci.2021.102332
2. Zhang Y, Courtier N, Zhang Z, Liu K, Bailey JJ, Boyce AM, Richardson G, Shearing PR, Kendrick E, Brett DA. A Review of Lithium-Ion Battery Electrode Drying: Mechanisms and Metrology. Adv Energy Mater. 2021;12:2102233. DOI: 10.1002/aenm.202102233
3. Hawley BW, Li J. Electrode Manufacturing for Lithium-Ion Batteries—Analysis of Current and Next Generation Processing. J Energy Storage. 2019;25:100862. DOI: 10.1016/j.est.2019.100862
4. Susarla N, Ahmed S, Dees DW. Modeling and Analysis of Solvent Removal During Li-Ion Battery Electrode Drying. J Power Sources. 2018;378:660–670. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.01.007
5. Wang P, Wang F. Effects of NMP Concentration on the Performance of Lithium Iron Phosphate Battery. Chin J Power Sources. 2018;12:1799–1801
6. Yue M, Azam S, Zhang N, Dahn JR, Yang C. Residual NMP and Its Impacts on Performance of Lithium-Ion Cells. J Electrochem Soc. 2024;171:050515. DOI: 10.1149/1945-7111/ad4396
7. Zhang X, Han G, et al. Effect of NMP Addition on Battery Performance in Negative Electrodes. Henan Chem Ind. 2021;38:23–25. DOI: 10.14173/j.cnki.hnhg.2021.10.007
8. European Chemicals Agency. How to Comply with REACH Restriction 71, Guideline for Users of NMP (1-Methyl-2-Pyrrolidone). ECHA; 2019
9. Chernysh O, Khomenko V, Makyeyeva I, Barsukov V. Effect of Binder’s Solvent on the Electrochemical Performance of Electrodes for Lithium-Ion Batteries and Supercapacitors. Mater Today Proc. 2019;6:42–47. DOI: 10.1016/j.matpr.2018.10.073
10. Wang M, Dong X, Escobar IC, Cheng Y-T. Lithium Ion Battery Electrodes Made Using Dimethyl Sulfoxide (DMSO) – A Green Solvent. ACS Sustainable Chem Eng. 2020;8:11046–11051. DOI: 10.1021/acssuschemeng.0c02884
11. Sliz R, Valikangas J, Santos HS, Vilmi P, Rieppo L, Hu T, Lassi U, Fabritius T. Suitable Cathode NMP Replacement for Efficient Sustainable Printed Li-Ion Batteries. ACS Appl Energy Mater. 2022;5:4047–4058. DOI: 10.1021/acsaem.1c02923