气相色谱系统分析锂电池电解液中的溶剂和添加剂 并将其应用于实际样品分析

全球对电动汽车和可再生能源储存系统的需求日益增长，大大推动了锂电池行业的迅速发展。锂电池以高能量密度和长循环寿命而闻名。电解液是锂电池中的四种关键材料之一，主要成分包括有机溶剂、锂盐和少量添加剂。电解液中的溶剂（例如碳酸乙烯酯 (EC) 或碳酸二甲酯 (DMC)）决定了电解液的离子导电性和稳定性。通过优化溶剂的混合比例可以提高电池的效率和寿命。此外，添加剂也非常重要，因为它们可以提高电解液的性能和安全性。例如，它们可抑制有害副产物的形成，增强电解液的稳定性，并改善电解液与电极之间的界面。因此，分析和鉴定锂电池电解液中碳酸酯化合物和添加剂的组成，对锂电池的性能研究和质量控制具有重要意义。 

安捷伦在之前的应用简报中介绍了使用Agilent 5977B 单四极杆气相色谱/质谱(GC/MSD) 系统测定电解液中的碳酸酯溶剂和添加剂。该应用简报详细介绍了目标化合物的准确定量和未知添加剂或杂质的定性分析[1]。2023 年发布的另一篇应用简报介绍了使用 Agilent 8860 GC/FID系统测定电解液中的碳酸酯和添加剂[2]。与 GC/MSD 相比，GC/FID 系统更易于使用，对用户而言更具成本效益，适用于仅需对目标化合物进行定量而不需要检测未知物质的实验室。本研究以最新的小型高性能 8850 GC/FID 系统为基础，建立了有效的分析方法，然后分析了大量实际样品，以考察这些样品对气相色谱系统整体性能的影响，特别是对气相色谱进样口消耗品及色谱柱使用寿命的影响

实验部分本研究采用配备分流/不分流进样口和 FID的 8850 气相色谱系统。表 1 为使用氦气作为载气时的详细运行条件。使用 AgilentOpenLab CDS 2.7 版进行数据采集。化学品、标准品和样品13 种分析物（纯度 > 97%）的单标和二氯甲烷（HPLC 级）购自上海安谱实验科技股份有限公司。两份电解液样品来自客户实验室。混标储备液的配制：称取 50 mg 各单标于5 mL 容量瓶中，用二氯甲烷稀释至刻度，制得浓度为 10000 mg/L 的混标储备液。校准曲线溶液的配制：用二氯甲烷配制含 13 种目标化合物的校准标样，浓度为10、25、50、100、250 和 500 mg/L。用二氯甲烷将实际电解液样品稀释至不同的浓度，稀释倍数为 5 倍至 1000 倍。

结果与讨论电解液通常由高纯度有机溶剂、电解锂盐和必要的添加剂等原料配制而成。在特定条件下，将这些组分按一定比例混合。对于生产和使用电解液的企业而言，溶剂纯度分析、溶剂成分分析和添加剂分析是日常检查的关键。本研究针对 13 种碳酸酯溶剂和某些添加剂，探讨了校准曲线的建立、仪器稳定性测试、检出限的确定，并对从客户处获得的实际样品进行了定量分析。完成定量分析后，本研究还通过直接进样未经稀释的实际样品考察了对气相色谱进样口和色谱柱的影响。

分析方法的评估图 1 为 13 种目标化合物在 100 mg/L 浓度下的色谱图。在本研究中，使用氦气作为载气，并使用 J&W DB-1701 色谱柱进行分离。如图 1 所示，所有化合物都实现了基线分离，且峰形对称。配制浓度为 10、25、50、100、250、500 mg/L 的电解液混标溶液，对其进行分析，并绘制每种化合物的六点校准曲线。在上述浓度范围内线性出色，相关系数 (R2) 均 ≥ 0.999，如表 2 所示。

将低、中、高浓度校准标样（10、50 和500 mg/L）重复测定 8 次，评估重现性。表 2 和图 2 给出了基于此系统的出色性能结果。峰面积 RSD% 在 0.24% 和 2.19% 之间，RT RSD% 在 0.001% 和 0.014% 之间。使用浓度为 4 mg/L 的标准溶液测定 LOD和 LOQ，LOD 和 LOQ 分别根据信噪比 3和 10 计算得到。LOD 值列于表 2 中，范围为 0.04 至 0.43 mg/L，这表明该GC/FID 系统具有出色的灵敏度。

实际样品分析样品中目标物的定量：用 pH 试纸检测从客户实验室获得的两种实际样品（样品 1和 2），得到的 pH 值大约为 1。校准曲线的线性范围为 10–500 mg/L。在对样品进行初步分析时，某些目标分析物超出了该范围。为了得到准确的定量结果，我们对样品进行了稀释，使色谱柱上的样品量在校准范围内。此外，实际样品中某些化合物的浓度即使未经稀释也处于线性范围内，但是未稀释的样品会对色谱柱造成影响（后文将详细讨论），因此在定量时对实际样品进行了稀释。表 3 列出了原始实际样品中不同化合物所需的稀释倍数。然后通过各化合物的校准曲线计算出浓度，最后再考虑稀释倍数，计算出原始实际样品中分析物的实际浓度。图 3 为样品 1 稀释后的色谱图。

结论本应用简报介绍了一种分析方法，基于配备 FID 的 Agilent 8850 气相色谱系统测定锂电池电解液中的碳酸酯溶剂和部分添加剂。13 种目标化合物的线性、重现性和检出限的结果表明，该系统具有出色的灵敏度和可靠性。通过运行未稀释的实际样品，研究了高盐、高酸样品对整个系统的影响。本研究还发现，将实际样品稀释100 倍后，即使经历了 400 多针的运行，整个系统仍能保持出色的稳定性。对样品进行稀释可以保证系统以理想状态运行，大大延长了消耗品的使用寿命。综上所述，本方法采用配备 FID 的 8850 气相色谱系统，为电解液分析提供了简单易用、经济有效且稳定可靠的平台。