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

Význam tématu

Lithium-iontové sekundární baterie hrají klíčovou roli v moderní elektronice, dopravě a energetickém úložišti. Pro zvyšování jejich výkonu, životnosti a bezpečnosti je nezbytné detailně rozumět chemickým procesům v elektrolytu během nabíjecích a vybíjecích cyklů. Analýza rozkladu přísad a vzniku nežádoucích vedlejších produktů pomáhá optimalizovat složení elektrolytu a řídit vývoj pokročilých bateriových systémů.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo předvést protokol umožňující komplexní analýzu elektrolytických roztoků baterií po různém počtu nabíjecích a vybíjecích cyklů. Použití jednoho vysokorozlišovacího hmotnostního spektrometru Waters Xevo G2-XS QTof s duálním vstupem (GC-APGC a UPLC-ESI) a softwarovou platformou UNIFI umožnilo detekovat jak těkavé, tak netěkavé složky bez nutnosti oddělených přístrojů.

Použitá metodika a instrumentace

Pro stanovení vzorků elektrolytu po 0, 1, 40, 180 a 200 cyklech byly použity tyto přístroje a podmínky:

• Chromatografie GC-APGC: kolona DB-5 MS, helium 1,5 mL/min, teplotní program 60–250 °C
• Chromatografie UPLC-ESI: kolona HSS T3 2,1×100 mm, mobilní fáze voda s 5 mM formiátem amonným a methanol, gradient 95:5→5:95
• Hmotový spektrometr Xevo G2-XS QTof v režimu APGC pro GC a ESI pozitivní pro LC
• Informatika: UNIFI Scientific Information System s workflow pro multivariační analýzu, PCA, OPLS-DA a strukturální eluciaci

Hlavní výsledky a diskuse

Duální vstup umožnil zachytit celou škálu sloučenin. PCA ukázala dělení vzorků do skupin podle počtu cyklů. OPLS-DA a s-ploty odhalily marker m/z 131,0336, jehož koncentrace rostla po 40, 180 a 200 cyklech a nebyl přítomen ve výchozím elektrolytu. Použitím UNIFI byla navržena struktura C5H6O4 jako degradační produkt fluoroethylkarbonátu. Korelace izotopového fitu a fragmentační analýza potvrdily návrh.

Přínosy a praktické využití metody

• Komplexní pokrytí těkavých i netěkavých složek na jednom přístroji šetří čas a náklady.
• Jemnější ionizace APGC zachovává molekulární ionty pro snadnější identifikaci neznámých.
• Automatizované workflow UNIFI zrychluje odhalování klíčových degradačních markerů.

Budoucí trendy a možnosti využití

V dalších studiích lze rozšířit analýzu o cílené metody kvantifikace klíčových produktů degradace, vyvinout rychlé screeningové postupy pro QC výrobních šarží a integrovat výsledky do strojového učení pro predikci životnosti baterií. Dále je perspektivní aplikace přístroje ve výzkumu nových netoxických přísad a recyklaci baterií.

Závěr

Prokázalo se, že kombinace UPLC-ESI a GC-APGC na jedné platformě Xevo G2-XS QTof spolu s pokročilou softwarovou podporou UNIFI umožňuje detailní a efektivní charakterizaci elektrolytů sekundárních Li-Ion baterií. Odhalení degradačních markerů pomáhá výrobci optimalizovat složení elektrolytu a prodloužit životnost baterie.

Reference

• [1] OECD: Financing Climate Futures, 2019.
• [2] UK Parliament: Report on Electric Vehicle Transition, 2019.
• [3] Gür T. M.: Review of Electrical Energy Storage Technologies, Energy Environ. Sci., 2018, 11, 2696–2767.