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使用氣相色譜系統(tǒng)分析電池電解液中的碳酸酯類和添加劑
閱讀：177 發(fā)布時間：2024-10-10本應用簡報介紹了一種可靠、用戶友好且經(jīng)濟高效的解決方案，可滿足碳酸酯和添加劑的分析需求。使用配備分流-不分流進樣器和火焰離子化檢測器 (FID) 的 Agilent8860 氣相色譜系統(tǒng)開發(fā)該解決方案。使用 Agilent J&W HP-5ms 超高惰性色譜柱可有效分離 13 種碳酸酯和添加劑，整個分析過程可在 14 min 內完成。該方法具有出色性能，在 10–500 mg/L 濃度范圍內，13 種目標化合物表現(xiàn)出高線性 (R2 >0.9995)。保留時間的重現(xiàn)性 RSD 小于 0.04%，峰面積的重現(xiàn)性 RSD 小于 1.5%。該方法的檢出限 (LOD) 和定量限 (LOQ) 分別低于 0.5 mg/L 和 1.6 mg/L。本研究還對實際電解液樣品進行了分析，組分檢測獲得了出色的峰分離度和重現(xiàn)性 (< 1.5%)。
前言全球對電動汽車和儲能系統(tǒng)的需求大幅增長，使 2022–2030 年全球鋰離子電池市場的復合年增長率 (CAGR) 達到 18.1%[1]。電解液是電池內部的有機溶液，作為離子載體，在充電過程中促進離子從陰極向陽極移動，在放電過程中則促進反向移動。電解液中溶劑和添加劑的組成、比例和純度對鋰離子電池的容量、生命周期、穩(wěn)定性和安全性發(fā)揮著至關重要的作用。這不僅適用于生產(chǎn)階段，也適用于整個生命周期。碳酸酯類電解液主要由碳酸二甲酯 (DMC) 和碳酸甲乙酯 (EMC)等碳酸酯類化合物組成，廣泛應用于鋰離子電池。然而，據(jù)報道，這些溶劑在低電位下可能會分解，導致電池性能降低[2]。因此，研究人員研究了一些添加劑（例如氟代碳酸乙烯酯(FEC) 和碳酸亞乙烯酯 (VC)）并將它們應用于電解液中，旨在有效提高鋰離子電池的性能[3,4]。這些化合物的準確測定對于設計符合客戶要求的鋰離子電池電解液以及進行性能改進研究至關重要。安捷倫開發(fā)了一種GC/MS 方法，用于對碳酸酯、添加劑及其分解產(chǎn)物進行高精密度的定量和定性分析[5]。本應用旨在為鋰離子電池電解液中常用的碳酸酯和添加劑開發(fā)一種易于操作且低成本的分析解決方案，該解決方案可在配備 FID 的 8860 氣相色譜系統(tǒng)中執(zhí)行。
實驗部分化學品、標準品和樣品13 種化合物（表 1）的單標 (>97%) 和 DCM（HPLC 級）購自上海安譜實驗科技股份有限公司。7 個樣品來自客戶。
標準品配制本分析使用下列標準品：儲備標準品：使用 DCM 制備濃度為 10000 mg/L 的各化合物單標儲備液。峰鑒定標準品：使用 DCM 稀釋儲備標準品，制備濃度為200 mg/L 的各化合物標準品，用于保留時間 (RT) 和峰形測定。校準標準品：使用 5 mL 容量瓶制備含 13 種化合物的混標。使用 DCM 配制的標準品系列的濃度為 10、25、50、100、200 和 500 mg/L[4]。MDL 標準品：制備 4.0 mg/L 混標，用于計算 MDL。樣品前處理用 DCM 將樣品稀釋 1000 倍，并用外標法進行計算。儀器和分析條件使用配備火焰離子化檢測器 (FID) 的 Agilent 8860 氣相色譜系統(tǒng)進行方法開發(fā)。使用 Agilent 7650A 自動液體進樣器進行標準品和樣品進樣。有關氣相色譜條件和方法參數(shù)的更多詳細信息，請參見表 2。使用 Agilent OpenLab CDS 2.6 版執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和處理。
重現(xiàn)性使用濃度為 10、100 和 500 mg/L 的混標分別評估低濃度、中等濃度和高濃度下的方法重現(xiàn)性。每種濃度平行進樣 7 次，結果見表 3。13 種化合物的保留時間和峰面積重現(xiàn)性 RSD 分別小于 0.04% 和 1.5%。MDL 和 LOQ在本研究中，分別使用信噪比 (S/N) 3:1 和 10:1 確定方法檢出限 (MDL) 和 LOQ。
使用濃度為 4 mg/L 的混標對各化合物進行 7 次分析，以測定信噪比。計算了 13 種化合物的平均信噪比、MDL 和 LOQ，如表 4 所示。結果表明，13 種化合物的MDL 和 LOQ 值分別小于 0.5 mg/L 和 1.6 mg/L。
電解液樣品分析具有不同配方的 7 個樣品來自兩個電解液生產(chǎn)商。按照實驗部分所述的步驟對樣品進行預處理。通過重復三次進樣測定實際樣品分析中的重現(xiàn)性。使用 8860 氣相色譜系統(tǒng)獲得的樣品 7 的色譜圖如圖 3 所示。清晰地觀察到 DMC、EMC、DEC、FEC、EC、DTD 和 PS 峰，具有出色峰形和分離度。分析結果匯總于表 5，并確定了目標化合物的組成和含量差異，響應重現(xiàn)性 RSD 低于 1.5%。
結論本應用簡報介紹了使用 GC-FID 系統(tǒng)（Agilent 8860 氣相色譜系統(tǒng)）分析電解液中 13 種碳酸酯和添加劑的方法開發(fā)。無論使用氦氣還是氮氣作為載氣，色譜圖中所有目標化合物均顯示出良好的峰形和分離度。該方法具有出色的重現(xiàn)性、線性和低MDL，非常適合用于電解液客戶的碳酸酯和添加劑常規(guī)分析。