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HomeBatteries, Supercapacitors & Fuel Cells리튬 이온 배터리 전해질 용매의 GC-MS 분석

SPB®-624 모세관 가스 크로마토그래피 컬럼을 이용한 리튬 이온 배터리 전해질 용매 및 불순물 분석

Valanka D’Silva
R&D and Customer Support Lab APAC, Jigani, Bangalore, India

초록

리튬 이온 배터리용 전해질 용매 및 불순물을SPB®-624 모세관 컬럼에서 분리하기 위한 간단하고 효율적인 가스 크로마토그래피-질량 분석법(GC-MS)을 개발하였다.

섹션 개요:

서론

전해질 용액은 휴대용 전자 기기 및 전기 자동차 시장에서 널리 사용되는 재충전 가능한 리튬 이온 배터리에 필수적입니다.1 이러한 전해질은 양극과 음극 사이의 리튬 이온 이동을 용이하게 하며, 높은 전압 및 비에너지 이점을 가능하게 하기 위해 높은 유전율과 낮은 점도가 모두 필요합니다. 에틸렌 카보네이트(EC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC)와 같은 일반적으로 사용되는 선형 및 고리형 카보네이트 혼합물이 이러한 목적을 충족합니다.

전해질의 품질은 배터리 성능, 특히 알코올 및 에스터와 같은 미량 불순물의 존재에 상당한 영향을 미칩니다. 물과 같은 이러한 양성자성 불순물은 종종 용매 제조 공정에서 발생하거나 분해 반응의 결과로 발생합니다. 이들은 전해질 조성에 자주 사용되는 화합물인 LiPF6과 반응하여 불화수소산(HF)을 형성할 수 있으며, 이는 전해질 품질에 악영향을 미칩니다.2 따라서 효과적인 전해질 준비를 위해서는 탄산염 용매의 순도를 유지하는 것이 매우 중요합니다.

최근 연구에 따르면 전해질 혼합물의 안정성은 조성 조절과 불순물 최소화를 통해 향상될 수 있음이 입증되었습니다.3,4 예를 들어, 특정 첨가제를 도입하면 이온 수송을 향상시키면서 전해질의 추가적인 열화를 방지하는 안정적인 고체 전해질 계면(SEI)을 형성하여 리튬 이온 배터리의 성능을 개선하는 것으로 나타났습니다.5 특히 전기 자동차와 재생 에너지 저장 솔루션에 대한 수요가 계속 증가함에 따라, 탄산염 기반 전해질의 최적화에 대한 지속적인 연구는 리튬 이온 배터리의 효율성과 안전성을 향상시키는 데 매우 중요합니다.

미량의 불순물 존재는 이러한 배터리의 효율성과 안전성에 상당한 영향을 미칠 수 있으므로, 이러한 용매의 순도를 테스트하는 것은 배터리 성능의 장기적 유지에 매우 중요합니다.

이러한 탄산염 용매의 순도는 SPB®-624 또는 OVI-G43과 같은 결합형 폴리(6% 시아노프로필페닐/94% 디메틸 실록산) 유형의 모세관 컬럼을 적용한 GC-MS로 측정할 수 있습니다. 후자는 의약품 제제 내 잔류 용매 측정에 최적화되어 있습니다. 이 컬럼들은 상 극성이 증가되어 탄산염 배터리 용매와 유기 불순물의 분리에 필요한 선택성을 제공합니다. 본 연구에서는SPB®-624를 사용했습니다.

실험

시료 준비

표 2에 표시된 대로 용매 혼합 용액을 준비합니다 .

각 용매/불순물 A mg을 정확히 계량하여 별도의 10 mL 비듈라 플라스크에 옮깁니다. 1,4-다이옥산을 첨가하고 5분간 초음파 처리합니다. 1,4-다이옥산으로 부피를 맞춘 후 잘 혼합합니다. 생성된 용액(1-17)은 각 용매 B µg/mL를 함유합니다.

각 결과 용액 C mL를 단일 100 mL 비듐 플라스크로 옮깁니다. 1,4-디옥산으로 부피를 맞춘 후 잘 혼합합니다. 생성된 혼합 용액은 각 용매당 D µg/mL를 함유합니다.

GC-MS 분석

용매/불순물 혼합물은 표 3에 명시된 조건으로SPB®-624 모세관 컬럼을 사용하여 분석하였다.

결과

시스템 반복성은 탄산염 배터리 용매 및 불순물을 포함한 용매 혼합 용액의 6회 반복 실험을 통해 입증되었다. 탄산염 배터리 용매와 불순물의 분리는 그림 1에 용매 혼합 용액에 대해 표시되었으며, 해당 크로마토그래피 데이터는 표 4에 기재되어 있다.

이 이미지는 탄산염 배터리 용매와 그 불순물이 용매 혼합 용액에서 분리되는 과정을 보여주는 흑백 가스 크로마토그래피-질량 분석법(GC-MS) 크로마토그램입니다. x축은 분 단위의 유지 시간을 나타내며, 약 4분에서 19분 사이의 범위를 가집니다. y축은 초당 카운트(cps) 단위의 강도를 나타내며, 0에서 1.5 × 10⁸ 사이의 범위를 가집니다. 크로마토그램은 일련의 피크로 구성되며, 각 피크는 특정 유지 시간에 용출된 서로 다른 화합물에 해당합니다. "1,4-다이옥산"으로 표시된 주요 용매 피크는 약 10분 경에 나타나 가장 높은 강도를 보입니다. 더 작은 피크들은 크로마토그램 전체에 분포되어 있으며, 유지 시간은 4.71분(첫 번째 피크)부터 17.91분(마지막 피크)까지 다양합니다. 피크 1부터 8까지는 용매 피크 이전에 나타나며, 피크 10부터 17까지는 용매 피크 이후에 용출됩니다. 이 중 피크 14가 특히 두드러집니다. 크로마토그램은 흰색 배경에 가는 검은색 선으로 표시되었으며, 피크 라벨은 검은색 텍스트로 기재되어 있습니다.

그림 1.용매 혼합 용액 내 탄산염 배터리 용매 및 불순물의 분리를 보여주는 GC-MS 크로마토그램.

결론

결합형 폴리(6% 시아노프로필페닐/94% 디메틸실록산) 카피러리 컬럼SPB®-624를 이용한 가스 크로마토그래피-질량 분석법(GC-MS)의 개발은 배터리 용매 및 그 알려진 불순물의 분리 및 분석에 효과적인 것으로 입증되었다. 이 방법은 리튬 이온 배터리에서 일반적으로 사용되는 다양한 탄산염 용매에 대해 우수한 선택성을 보여주어, 조사된 분석물 범위를 18분 이내에 효율적으로 분해할 수 있게 합니다. GC-MS의 풀 스캔 획득 기능은 이러한 용매의 제조, 포장 또는 유통 과정에서 발생할 수 있는 전형적인 불순물에 대한 정확한 정성 분석을 용이하게 합니다. 이 접근법은 용매 순도에 대한 이해를 높일 뿐만 아니라 리튬 이온 배터리의 성능과 안전성 향상을 위한 지속적인 노력을 지원합니다.

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