5977B 單四極桿氣質聯用系統(tǒng)測定鋰電池電解液中的碳酸酯溶劑和添加劑

摘要：本文介紹了使用 Agilent 5977B 單四極桿氣質聯用系統(tǒng) (GC/MSD) 分析鋰電池電解液中常見的碳酸酯溶劑和添加劑的方法。該方法采用液體直接進樣，在 20:1 的分流比條件下，目標化合物在 10–500 mg/L 的濃度范圍內獲得了良好的線性。該方法具有優(yōu)異的重現性，所分析的 15 種目標化合物的儀器檢測限 (IDL) 均低于 1.3 mg/L。在實際電解液樣品的分析中，采用稀釋進樣的方式，可實現對目標化合物的準確定量以及對未知添加劑或雜質的定性。

前言：鋰電池電解液是鋰電池中離子傳輸的載體，一般由鋰鹽和有機溶劑組成。電解液中常用的鋰鹽為 LiPF6，溶劑為環(huán)狀碳酸酯和鏈狀碳酸酯混合組成的二元、三元或者多元體系。選擇合適的有機電解液是獲得高能量密度、長循環(huán)壽命和電池安全的關鍵。各鋰電池生產廠家也會加入特定的添加劑，以延長電池的壽命。因此，研究鋰電池電解液的組成對于新型鋰電池的開發(fā)有著重要作用。氣相色譜/質譜聯用分析方法是鋰電池電解液研究的常用分析方法，此方法能夠對電解液中主要有機溶劑成分進行準確定量分析，同時質譜的強大定性能力還能對未知添加劑和雜質進行定性分析。本文介紹了使用 Agilent 5977B 單四極桿氣質聯用系統(tǒng) (GC/MSD) 分析鋰電池電解液中常見碳酸酯、羧酸酯類溶劑和添加劑的方法?？紤]到電解液的主要成分 LiPF6 不穩(wěn)定且易分解，本方法采用稀釋進樣的方式，并獲得了良好的靈敏度、線性和重現性結果。

實驗部分：試劑和樣品碳酸酯溶劑和添加劑的標準品、電解液樣品（A 和 B）均由客戶提供（具體化合物信息見表 1）。二氯甲烷為分析純，購自廣州化學試劑廠。儀器本實驗使用 Agilent 7890B 氣相色譜系統(tǒng)和 5977B 單四極桿氣質聯用系統(tǒng)，配備分流/不分流進樣口和 Agilent 7693A 自動液體進樣器。標準溶液的配制用二氯甲烷將標準品配制成 10、50、100、250、500 mg/L 的混合標準溶液以備 GC/MS 分析。利用外標法對電解液樣品進行定量分析。樣品前處理用二氯甲烷將電解液樣品稀釋 1000 倍，直接進樣分析。氣相色譜條件色譜柱： Agilent DB-1701 毛細管柱, 30 m × 0.25 mm, 0.25 µm 進樣量： 1.0 μL 進樣模式： 分流，分流比 20:1 進樣口溫度： 250 °C 載氣： 氦氣，恒定流速，1.0 mL/min 升溫程序： 在 40 °C 下保持 3.0 min，以 10 °C/min 的速率升至 160 °C 并保持 2 min

質譜條件溶劑延遲： 2.3 min 離子化模式： EI 離子源溫度： 280 °C 四極桿溫度： 150 °C 接口溫度： 250 °C 檢測模式： 全掃描，35–450 amu 電子倍增器電壓 (EMV)： 1137 V 增益因子： 1 定量方法： 外標法，各化合物的定性及定量離子見表 1

精密度和儀器檢測限對濃度為 10 mg/L 的混合標準溶液連續(xù)進樣分析 8 次，結果見表 2。所有 15 種化合物的峰面積 RSD 均小于 5%，表現出優(yōu)異的重現性。利用該結果計算得出，在 20:1 的分流比條件下，儀器檢測限 (IDL) 低于 1.3 mg/L，表明該方法具有良好的靈敏度。

校準曲線配制并分析濃度為 10、50、100、250、500 mg/L 的混合標準溶液，繪制五點校準曲線，結果見圖 3。所分析的 15 種目標化合物在 10–500 mg/L 的濃度范圍內獲得了優(yōu)異的線性，相關系數 R2 均高于 0.997。

電解液樣品分析結果用二氯甲烷將電解液樣品 A 稀釋 1000 倍，按照前述條件以 1 μL 的進樣量進行分析，在全掃描模式下采集數據，所得的總離子流色譜圖見圖 3。利用外標法對各種目標化合物進行定量，結果見表 3。

本文所采用的檢測模式為質譜全掃描采集模式，此模式的優(yōu)勢在于不僅能夠進行準確定量分析，還可獲得完整樣品信息用于對未知添加劑或雜質進行定性分析。圖 4 為電解液樣品 B 的定性分析結果，該樣品中包含碳酸酯溶劑 DMC 、EMC 、EC 以及添加劑 VC、FEC、PS。同時，色譜圖的 16.56 min 處出現一個未知峰，對該峰進行解卷積處理和譜庫檢索，結果表明該樣品中還含有丙烯基磺酸內酯 (PST)。

結論本文使用 Agilent 7890B 氣相色譜/5977B 單四極桿氣質聯用系統(tǒng)開發(fā)出用于電解液中碳酸酯溶劑和添加劑的分析方法。該方法操作簡單，使電解液中的各種組分獲得了良好的分離、寬線性范圍以及優(yōu)異的重現性和靈敏度，非常適合于對鋰電池電解液中有機溶劑、添加劑和雜質進行定性及定量分析。