Agilent Solutions for Lithium-Ion Battery Industry

Význam tématu

Li-ion baterie poskytují vysoké napětí, dlouhou životnost a dobrou hustotu energie, což je činí nezbytnými pro spotřební elektroniku, elektromobilitu a stacionární ukládání energie. S explozivním růstem výroby a vývoje v odvětví nových vozidel a akumulace je zásadní zajistit kvalitu surovin i finálních článků pomocí pokročilých analytických technik.

Cíle a přehled studie

Tato studie představuje portfolio analytických řešení společnosti Agilent určených pro celý řetězec výroby Li-ion baterií. Cílem je ukázat, jak lze pomocí různých metod a přístrojů monitorovat klíčové materiály (katoda, anoda, elektrolyt, separátor), analyzovat plyny při stárnutí článku, zkoumat přítomnost organických složek i identifikovat neznámé vedlejší produkty.

Použitá metodika a instrumentace

Pro komplexní analýzu materiálů a procesů byly využity následující techniky a přístroje:

• ICP-OES 5800/5900 s vertikálním plamenem, chlazenou konusovou geometrií a Wickovou čtečkou CCD pro simultánní měření makro a stopových prvků.
• ICP-MS 7800/7900 s vysokomatrikovou inhalací HMI/UHMI pro analýzu vzorků s vysokým obsahem rozpuštěných látek.
• UV-Vis Cary 60 pro kvantifikaci aniontů ve formě SO4²⁻ či Cl⁻ a organických nečistot.
• FTIR Cary 630 pro rychlou identifikaci elektrolytů a separátorů na základě spektrálních pásů.
• Micro GC 990 pro stanovení složení plynů vznikajících při degradaci článku a nafukování baterie (H₂, CO, CO₂, CH₄ aj.).
• GC-FID a GC/MS Agilent 8890/Intuvo 9000 s MassHunter pro kvalitativní i kvantitativní analýzu organických elektrolytů a přísad (uhlíkaté rozpouštědla, aditiva SEI, zpomalovače hoření).
• LC/Q-TOF 6545 a GC/Q-TOF 7250 s MassHunter modul y MFE a MSC pro odhalení neznámých organických produktů procesů stárnutí.

Hlavní výsledky a diskuse

ICP-OES prokázalo robustní potlačení interferencí pomocí automatické korekce pozadí a FBC, s opakovanými návraty spikových testů v rozsahu 90–100 % pro makroprvky i stopové kovy. ICP-MS s UHMI umožnilo přímou analýzu vzorků s 0,5–1 % TDS a recoveries 87–115 %, čímž bylo eliminováno ředění a riziko kontaminace. UV-Vis a FTIR přístroje nabídly rychlé měření aniontů a identifikaci chemických vazeb v elektrolytech. Micro GC zaznamenal přesné složení plynů při degradaci článku, včetně hlavních složek a alkánů. GC/MS v režimu SIM umožnilo separaci a kvantifikaci deseti organických sloučenin s vysokou přesností a aplikační knihovny MassHunter výrazně zrychlily vývoj metod. Q-TOF systémy rozšířily možnosti detekce stopových neznámých cholátů a vedlejších produktů cyklování díky vysoké přesnosti hmotnostního rozlišení a dedukci struktur fragmentů.

Přínosy a praktické využití metody

Implementace uvedených metod přináší zásadní zlepšení v kontrole kvality surovin, optimalizaci výrobních parametrů a zajištění bezpečnosti bateriových článků. Rychlá detekce kovových nečistot, aniontů i plynů umožňuje prediktivní údržbu a prevenci selhání. V oblasti vývoje elektrolytů a aditiv poskytují GC/MS a Q-TOF cenné poznatky pro návrh nových materiálů a zlepšení cyklické životnosti.

Budoucí trendy a možnosti využití

Do budoucna se očekává další rozvoj vysokomatrikových technologií ICP-MS, rozšíření on-line monitoringu pomocí přenosných mikrogc, automatizace vzorkování a integrace datových řešení a umělé inteligence pro prediktivní analýzy. Pokročilé masově-spektrální databáze a strojové učení usnadní interpretaci složitých degradních mechanismů a urychlí zavádění nových chemických systémů.

Závěr

Přehled Agilent analytických metod představuje ucelený nástrojový soubor pro všechny fáze výroby a testování Li-ion baterií. Díky kombinaci robustních přístrojů, chytrého softwaru a rozšířených databází lze dosáhnout vysoké spolehlivosti, reprodukovatelnosti a rychlosti analýz, což podporuje bezpečnost i hospodárnost v bateriovém průmyslu.

Reference

• GB/T 20252-2014 Lithium Cobalt Oxide
• GB/T 24533-2019 Graphite Negative Electrode Materials for Lithium Ion Battery
• GB/T 30835-2014 Lithium Iron Phosphate-Carbon Composite Cathode Materials for Lithium Ion Battery
• GB/T 30836-2014 Lithium Titanium Oxide and its Carbon Composite Anode Materials
• IEC 62321 Determination of Hazardous Substances in Electrotechnical Products
• YS/T 582-2013 Battery Grade Lithium Carbonate
• GB/T 26008-2020 Battery Grade Lithium Hydroxide Monohydrate
• GB/T 19282-2014 Analytic Method for Lithium Hexafluorophosphate