Aiding Lithium Ion Secondary Battery Electrolyte Design via UPLC-MS and APGC-MS Analysis on a Single High-Resolution Mass Spectrometer Platform

Význam tématu

Porozumění chemickému složení a degradaci elektrolytů v lithium-iontových sekundárních bateriích je rozhodující pro vývoj bezpečnějších, výkonnějších a trvanlivějších článků. Integrovaná analýza plynovou a kapalinovou chromatografií spojenou s vysoce přesnou hmotnostní spektrometrií na jednom systému umožňuje komplexní charakterizaci jak těkavých, tak netěkavých složek.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem bylo navrhnout a demonstrovat analytický protokol založený na Waters Xevo G2-XS QTof se zdrojem APGC a UPLC, doprovázený softwarem UNIFI, pro sledování změn v elektrolytu baterií po různém počtu nabíjecích cyklů (0, 1, 40, 180, 200). Studie ukazuje, jak multivariační analýzy pomáhají identifikovat a vysvětlit vznik degradantů.

Použitá metodika a instrumentace

• Příprava vzorků: extrakce elektrolytu (dimethyl karbonát s přísadami) z článků po 0 až 200 cyklech nabití-vybití.
• GC-MS (APGC): kolona DB-5 MS, helium, teplotní gradient 60–250 °C, vstřik split 10:1, APGC zdroj pro jemnou ionizaci.
• LC-MS: ACQUITY UPLC I-Class PLUS, kolona HSS T3 (2.1 × 100 mm, 1.7 µm), mobilní fáze 5 mM formiátu amonného/voda a MeOH, ESI+.
• Hmotnostní spektrometr: Waters Xevo G2-XS QTof s univerzálním zdrojem pro duální vstupy.
• Informatika: UNIFI Scientific Information System, PCA a OPLS-DA multivariační workflow, MassFragment a databázové vyhledávání v ChemSpider.

Hlavní výsledky a diskuse

APGC umožnilo zachování molekulárních iontů těkavých složek, čímž se zjednodušila strukturální elucidace a zvýšila citlivost oproti tradičnímu EI. Kombinace GC a LC-MS poskytla komplexní pohled na chemický prostor elektrolytu.

PCA prokázala jasné rozdělení vzorků do skupin podle počtu cyklů, přičemž vzorky po 1 a 40 cyklech se lišily od vzorků po 180 a 200 cyklech. OPLS-DA s-plot identifikoval klíčové markery změn.

Jako příklad byl vybrán marker m/z 131.0336, jehož koncentrace rostla od 40 cyklů výše. Databázové vyhledávání v ChemSpider a MassFragment potvrdily strukturální podobnost s degradačním produktem fluoroethylkarbonátu (FEC). Růst tohoto markeru doprovází pokles původního FEC, což ukazuje mechanistický rozklad při opakovaných cyklech.

Přínosy a praktické využití metody

• Komplexní screening těkavých i netěkavých složek jediným přístrojem.
• Rychlá a citlivá identifikace degradantů prostřednictvím měkčí ionizace APGC.
• Multivariační analýzy v UNIFI usnadňují detekci signifikantních změn.
• Strukturální návrhy a potvrzení degradantů urychlují vývoj a optimalizaci přísad.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace reálného časového monitorování elektrolytů během cyklování.
• Rozšíření metodiky na nové typy bateriových chemikálií a pevných elektrolytů.
• Využití strojového učení pro predikci degradace a optimalizaci složení elektrolytu.
• Automatizované high-throughput platformy pro rychlé porovnávání více sloučenin a podmínek.

Závěr

Studie demonstrovala výkonnou kombinaci APGC-GC-MS a UPLC-MS na platformě Xevo G2-XS QTof s UNIFI, která umožňuje detailní sledování chemických změn elektrolytu při nabíjecích cyklech. Multivariační analýzy a strukturální elucidace degradantů poskytují kritické informace pro vývoj vysoce výkonných a stabilních lithium-iontových baterií.

Reference

• OECD, Policy Highlights: Financing Climate Futures, OECD, 2019.
• UK Parliament Science and Technology Committee, Electric Vehicles: Meta-Inquiry Report, 2019.
• T. M. Gür, Review of Electrical Energy Storage Technologies, Materials and Systems: Challenges and Prospects for Large-Scale Grid Storage, Energy & Environmental Science, 2018, 11, 2696–2767.