质谱仪-Mass 气相层析质谱仪应用：锂离子电池充放电生成气体分析
随着无线通讯技术的进步以及电子产品体积越做越小的趋势，这种带着走的消费性电子产品朝着精细和高功能发展。因此，对于电池的要求除了经济实惠，轻巧及高安全性。目前，手机、笔记型电脑的行动式电子产品，大多使用锂离子电池，可提供高电压输出(3-4V，是一般干电池的两倍)、高功率(电流产生高达1A/cm2)、宽广工作温度范围(-40度至70度)和无记忆效应等等，在讲究体积和能量功率的3C产品中是很好的选择。
锂离子电池电解液是由有机溶剂和锂盐组成。由于锂离子电池的工作电压大于水的电解电压，因此无法使用水作为电解液溶剂，通常使用高介电常数、适当解离能力、无毒的有机混合溶剂(如:EC、PC、DMC、DEC、EMC …等碳酸酯溶剂)。锂盐电解质的部分，常使用六氟磷酸锂(LiPF6)、六氟砷磷锂(LiAsF6)、钴酸锂(LiCoO2)。
开发电池电解液体
电解液的化学稳定性对于电池性能的表现相当重要，除了是否可以长时间稳定保存还有在充放电时的反应和消耗也相当重要。在开发和改良电池及电解液时，在意是否能耐高、低温、循环次数的多寡因此进行一连串的电化学测试(CV)，观察电流及电压的变化。 此外，电池的安全性也必须受到考量，近年来已发生多起电池爆炸的意外，由于电池进行充放电时会产生高温，对于这种高能量密度的电池来说，是相当不利的环境。在高温且高压的环境中，其电池内部的电解液容易不稳定，容易产生反应或分解成气体，造成电池体积膨胀、内压过高导致爆裂或起火的憾事。因此，我们可以藉由侦测电池充放电时所产生的气体，得知影响电池寿命的原因，进而改善，得到良好产品效益。
气相层析质谱仪
气相层析质谱仪
气体分析，通常以FT-IR比对，是简单快速的气体侦测方式。但为了了解混合且未知的气体样品，FT-IR可能就不是相当好的分析工具。在本文使用气相层析质谱仪作为分离混合气体和分析确切化学组成的分析技术。采样方式为直接将气体取样针(gas tight syring)插入分析物(锂离子充电电池)中，取1mL。使用四极柱质谱仪(JEOL,JMS-Q1000GC),质谱扫描方式为SCAN模式，其他分析条件为表一所示。
表一：分析条件
| Column | CP-poraBOND Q 25mX0.32mmX5um |
|---|---|
| Oven | 40ﾟC(5min)-10ﾟC/min-300ﾟC(5min) |
| Split Ratio | 50:1 |
| Column Flow | 2 mL/min (Constant Flow) |
| SCAN Range | m/z: 10~300 |
| Cycle Time | 500 msec |
| Ionization Current | 200 uA |
| Ion Source Temperature | 200ﾟC |
| GC-ITF Temperature | 200ﾟC |
| Detector Voltage | -1500V |
表一：分析条件
从TICC图谱中可以看到20个讯号，其中peak5、10为矽烷化合物;Peak19为DEC、Peak20为EC是电解液中所使用的有机溶剂，其他的讯号经由资料库比对发现为氟化物，其来源为电解质中的盐类。
▲图二 GC/MS-TIC图谱
结论
充放电电池产生的气体，经由气相层析质谱仪分离分析后，可以看到许多酯类，这些都有可能是碳酸酯有机溶剂因高温还有电解质的影响造成分解和断裂。 ，。不论是液态电解质锂离子电池或是现在新型的固态锂离子电池(Li-polymer)开发和稳定测试，使用气相层析质谱仪来追踪这些气体的生成和变化，可得到相当有利的资讯。
▲表二 TIC图谱中，资料库比对结果
其他相關訊息
-
14 Oct.2024X-rite-色差仪 颜色管理中的Lab值是什么，其中△E又该如何计算？
-
22 Jul.2024X-rite-色差仪 物体是否透光/半透明? 颜色测量方式大不同!!
