鋰電池電解液成分難分析？Orbitrap聯(lián)用技術(shù)一鍵破局！

2025-03-25

鋰電池由于其高能量密度、無記憶效應(yīng)、充放電速度快等優(yōu)點，自發(fā)明以來廣泛用于筆記本電腦、手機(jī)等3C電子產(chǎn)品。近年來，隨著新能源汽車的發(fā)展，鋰離子動力電池作為電動汽車的核心部件，需求和產(chǎn)量都大大增加。電解液作為鋰電池的重要組成部分，其成分、比例直接影響電池的性能、壽命。此外，電池使用過程中電解液還可能因為反應(yīng)、降解等原因發(fā)生比例甚至成分上的變化，研究清楚電解液的成分及其在使用過程中的變化，有助于幫助我們更深刻地理解鋰離子電池反應(yīng)機(jī)理，從而更好地研發(fā)新產(chǎn)品。

然而，電解液中很多成分為離子型化合物，在常規(guī)液相色譜上沒有保留，需要用離子色譜才能實現(xiàn)較好的保留與分離；新產(chǎn)品及使用過程中的降解產(chǎn)物通常是未知的，僅通過離子色譜難以對其進(jìn)行定性。要解決這一難題，需要全新的思路與手段。

賽默飛離子色譜與Orbitrap超高分辨質(zhì)譜作為各自領(lǐng)域的王者，二者聯(lián)用可產(chǎn)生“1+1>2”的效果。結(jié)合離子色譜對離子型物質(zhì)優(yōu)良的保留與分離，和高分辨質(zhì)譜對未知物準(zhǔn)確的定性，可精確分析鋰離子電池電解液中的未知成分。

電解液常見的鋰鹽添加劑如六氟磷酸鋰（LiPF₆）、二氟磷酸鋰（LiPF₂O₂）、四氟硼酸鋰（LiBF₄）均能在IC-MS上有良好的保留和信號，而賽默飛Orbitrap靜電場軌道阱質(zhì)譜擁有超高的分辨率，能在亞ppm誤差水平準(zhǔn)確測定未知離子的質(zhì)荷比，從而推斷最可能的分子式。

六氟磷酸鋰（LiPF₆）XIC圖、一級質(zhì)譜及二級質(zhì)譜解析

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四氟硼酸鋰（LiBF₄）XIC圖、一級質(zhì)譜及二級質(zhì)譜解析

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對于結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的物質(zhì)，僅依靠一級質(zhì)譜無法確定其結(jié)構(gòu)，而Orbitrap對二級碎片的測定同樣準(zhǔn)確，綜合分子式的測定和二級碎片元素組成，可以對結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的電解液成分進(jìn)行準(zhǔn)確推斷。

某成分一級質(zhì)譜及二級質(zhì)譜解析

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另一方面，雖然電解液中大部分物質(zhì)在LC-MS上沒有保留，不利于分析，但對于部分易水解的物質(zhì)，其在離子色譜分析的過程中會發(fā)生水解，只能檢測到水解產(chǎn)物，然而可以在LC-MS上直接檢出原物質(zhì)，作為對IC-MS結(jié)果的有效補(bǔ)充。

某成分一級質(zhì)譜及二級質(zhì)譜解析

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此外，IC-MS在分析電解液時，通常采用陰離子交換柱以及陰離子抑制器，只能分析樣品中的陰離子成分，而LC-MS無此限制，借助Orbitrap正負(fù)模式同時掃描的功能，可以同時獲得陽離子和陰離子的信息，除了鋰鹽添加劑（陰離子）外，還能測定碳酸酯溶劑（陽離子）。

碳酸二甲酯（DMC）一級質(zhì)譜圖及二級質(zhì)譜圖（點擊查看大圖）

結(jié) 語?

本文利用賽默飛Orbitrap超高分辨質(zhì)譜儀分別與Aquion離子色譜儀及Vanquish液相色譜儀聯(lián)用，展示了賽默飛儀器在分析鋰離子電池電解液典型成分的獨(dú)家分析方案。離子色譜能有效保留、分離電解液中的離子型化合物，供質(zhì)譜檢測。Orbitrap系列質(zhì)譜超高的分辨率與準(zhǔn)確的質(zhì)量測定保證了對未知成分分子式的測定和結(jié)構(gòu)解析。二者結(jié)合，可有效分析電解液中未知成分。此外，液相色譜分析大部分電解液成分雖然都不保留，不利于檢測，但相對于離子色譜可提供兩方面的補(bǔ)充：1、部分物質(zhì)在離子色譜分析時水解，難以直接檢測到，可以通過液相色譜檢測；2、離子色譜一次分析只能分析電解液中的陰離子，液相色譜可同時分析陰陽離子，在陰離子添加劑之外分析碳酸酯溶劑的信息。賽默飛離子色譜及液相色譜前端均可與質(zhì)譜直接連接，切換方便，二者結(jié)合，可最大程度地解析電解液中的所有成分。

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