质谱仪 锂电池负极材料不同制备方法的差异分析

锂电池(Lithium-ion battery)为一种能够重复充电使用的二次电池，主要作用原理如图1.所示，锂离子会在正极和负极材料之间移动，当充电时锂离子会从正极材料往负极材料移动，反之当放电时锂离子会从负极材料往正极材料移动。当负极材料能够容纳的锂离子越多代表能拥有更多的电能，材料的稳定性就会是一项重要的分析目标。

热重质谱仪系统 (TG-MS)，将样品加热并同时监测重量损失与能量变化，将其与质谱仪串联可对升温过程中所产生的气体进行定性分析，能够一次了解材料在加温过程中的变化。热裂解GC-MS系统 (Py/TD-GC-MS)，将热裂解仪(Pyrolyzer)与GC-MS结合，可藉由热裂解仪裂解有机化合物经由GC-MS进行分离及检测，在质谱MS方面日本电子JEOL所开发的JMS-Q1500GC系统能够支持材料分析时的大量气体进样，具有高通量的四极柱才能确保分析物讯号不损失，保留材料分析的所有讯号。

此篇研究分析了两个锂电池负极的石墨样品，两个样品在制程上稍微有些不同，分别为样品A与样品B。样品A在TGMS测试下的结果如图3.所示，可以观察到TG主要有三段热重损失，分别约为40-250度、250-400度及400-950度，在MS的TICC图谱也观察到主要三个区段有讯号产生，根据TGMS观察到的三个区段分别进行逸散气体的鉴定如图4.，第一个区段(约40-250度)，为m/z 18的水气，第三区段(约700度之后)，为一些二氧化碳及一氧化碳的产生，至于中间区段(约290-370度)，如图4.(b)所示，撷取质谱图讯号出来可以明显观察到有少量化合物，但因含量太少以及多种化合物迭加在一起因此难以鉴定。 

因在TGMS系统中温度290-370度区段的图谱难以鉴定，因此使用Py/TD-GC-MS进行测试，Py设定single-shot 400 cel (1min)，把样品A 400度以内之逸散气体搜集并进行GC分离鉴定，因有经过Py搜集以及GC层析可以浓缩化合物并进行分离鉴定，结果如图5.所示，可以观察到少量化合物为杂环类，可能为石磨加热时脱附出来或未键结完全而产生的。

结合两种方法TG-MS及Py/TD-GC-MS，可以同时获得样品的物性信息以及化性信息，如图9.所示，样品A及样品B在重量损失的量有些差异，样品A具有约12%的水气在40-25度范围产生，约4%的少量有机化合物产生(主要为杂环芳香烃类)在温度约250-400度范围产生，有大量约40%的CO2, CO产生在约700度之后，样品B具有约12%的水气在40-250度范围产生，会有约10%的少量有机化合物产生在温度约250-400 度范围产生，有大量约40%的CO2, CO产生在约700度之后。在一致的升温条件下，样品B产生较多量的杂环类，代表热稳定性相较于样品A较差，因此从这些材料分析的信息可以进一步改良我们的产品。

材料的分析对很多产业都是非常重要的一环，进行材料的测试及分析可以得到原料或产品的讯息，得到这些信息可以帮助材料的研发、材料的设计、产品的监控及制成的控管等，因此有效的材料测试方法及工具即为很重要的一环，热重质谱仪系统 (TG-MS)及热裂解GC-MS系统 (Py/TD-GC-MS)皆是非常有效率的工具，质谱JMS-Q1500GC具有很好的灵敏度、分析能力、高通量能够支持材料分析。