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上海斯邁歐分析儀器有限公司
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氣相色譜系統分析鋰電池電解液中的溶劑和添加劑 并將其應用于實際樣品分析
2025-2-20 閱讀(37)
全球對電動汽車和可再生能源儲存系統的需求日益增長，大大推動了鋰電池行業的迅速發展。鋰電池以高能量密度和長循環壽命而聞名。電解液是鋰電池中的四種關鍵材料之一，主要成分包括有機溶劑、鋰鹽和少量添加劑。電解液中的溶劑(例如碳酸乙烯酯 (EC) 或碳酸二甲酯 (DMC))決定了電解液的離子導電性和穩定性。通過優化溶劑的混合比例可以提高電池的效率和壽命。此外，添加劑也非常重要，因為它們可以提高電解液的性能和安全性。例如，它們可抑制有害副產物的形成，增強電解液的穩定性，并改善電解液與電極之間的界面。因此，分析和鑒定鋰電池電解液中碳酸酯化合物和添加劑的組成，對鋰電池的性能研究和質量控制具有重要意義。
安捷倫在之前的應用簡報中介紹了使用Agilent 5977B 單四極桿氣相色譜/質譜(GC/MSD) 系統測定電解液中的碳酸酯溶劑和添加劑。該應用簡報詳細介紹了目標化合物的準確定量和未知添加劑或雜質的定性分析[1]。2023 年發布的另一篇應用簡報介紹了使用 Agilent 8860 GC/FID系統測定電解液中的碳酸酯和添加劑[2]。與 GC/MSD 相比，GC/FID 系統更易于使用，對用戶而言更具成本效益，適用于僅需對目標化合物進行定量而不需要檢測未知物質的實驗室。本研究以最新的小型高性能 8850 GC/FID 系統為基礎，建立了有效的分析方法，然后分析了大量實際樣品，以考察這些樣品對氣相色譜系統整體性能的影響，特別是對氣相色譜進樣口消耗品及色譜柱使用壽命的影響
實驗部分本研究采用配備分流/不分流進樣口和 FID的 8850 氣相色譜系統。表 1 為使用氦氣作為載氣時的詳細運行條件。使用 AgilentOpenLab CDS 2.7 版進行數據采集。化學品、標準品和樣品13 種分析物(純度 > 97%)的單標和二氯甲烷(HPLC 級)購自上海安譜實驗科技股份有限公司。兩份電解液樣品來自客戶實驗室。混標儲備液的配制：稱取 50 mg 各單標于5 mL 容量瓶中，用二氯甲烷稀釋至刻度，制得濃度為 10000 mg/L 的混標儲備液。校準曲線溶液的配制：用二氯甲烷配制含 13 種目標化合物的校準標樣，濃度為10、25、50、100、250 和 500 mg/L。用二氯甲烷將實際電解液樣品稀釋至不同的濃度，稀釋倍數為 5 倍至 1000 倍。
結果與討論電解液通常由高純度有機溶劑、電解鋰鹽和必要的添加劑等原料配制而成。在特定條件下，將這些組分按一定比例混合。對于生產和使用電解液的企業而言，溶劑純度分析、溶劑成分分析和添加劑分析是日常檢查的關鍵。本研究針對 13 種碳酸酯溶劑和某些添加劑，探討了校準曲線的建立、儀器穩定性測試、檢出限的確定，并對從客戶處獲得的實際樣品進行了定量分析。完成定量分析后，本研究還通過直接進樣未經稀釋的實際樣品考察了對氣相色譜進樣口和色譜柱的影響。
分析方法的評估圖 1 為 13 種目標化合物在 100 mg/L 濃度下的色譜圖。在本研究中，使用氦氣作為載氣，并使用 J&W DB-1701 色譜柱進行分離。如圖 1 所示，所有化合物都實現了基線分離，且峰形對稱。配制濃度為 10、25、50、100、250、500 mg/L 的電解液混標溶液，對其進行分析，并繪制每種化合物的六點校準曲線。在上述濃度范圍內線性出色，相關系數 (R2) 均 ≥ 0.999，如表 2 所示。
將低、中、高濃度校準標樣(10、50 和500 mg/L)重復測定 8 次，評估重現性。表 2 和圖 2 給出了基于此系統的出色性能結果。峰面積 RSD% 在 0.24% 和 2.19% 之間，RT RSD% 在 0.001% 和 0.014% 之間。使用濃度為 4 mg/L 的標準溶液測定 LOD和 LOQ，LOD 和 LOQ 分別根據信噪比 3和 10 計算得到。LOD 值列于表 2 中，范圍為 0.04 至 0.43 mg/L，這表明該GC/FID 系統具有出色的靈敏度。
實際樣品分析樣品中目標物的定量：用 pH 試紙檢測從客戶實驗室獲得的兩種實際樣品(樣品 1和 2)，得到的 pH 值大約為 1。校準曲線的線性范圍為 10–500 mg/L。在對樣品進行初步分析時，某些目標分析物超出了該范圍。為了得到準確的定量結果，我們對樣品進行了稀釋，使色譜柱上的樣品量在校準范圍內。此外，實際樣品中某些化合物的濃度即使未經稀釋也處于線性范圍內，但是未稀釋的樣品會對色譜柱造成影響(后文將詳細討論)，因此在定量時對實際樣品進行了稀釋。表 3 列出了原始實際樣品中不同化合物所需的稀釋倍數。然后通過各化合物的校準曲線計算出濃度，最后再考慮稀釋倍數，計算出原始實際樣品中分析物的實際濃度。圖 3 為樣品 1 稀釋后的色譜圖。
結論本應用簡報介紹了一種分析方法，基于配備 FID 的 Agilent 8850 氣相色譜系統測定鋰電池電解液中的碳酸酯溶劑和部分添加劑。13 種目標化合物的線性、重現性和檢出限的結果表明，該系統具有出色的靈敏度和可靠性。通過運行未稀釋的實際樣品，研究了高鹽、高酸樣品對整個系統的影響。本研究還發現，將實際樣品稀釋100 倍后，即使經歷了 400 多針的運行，整個系統仍能保持出色的穩定性。對樣品進行稀釋可以保證系統以理想狀態運行，大大延長了消耗品的使用壽命。綜上所述，本方法采用配備 FID 的 8850 氣相色譜系統，為電解液分析提供了簡單易用、經濟有效且穩定可靠的平臺。
