利用 FTIR 快速、轻松地对锂离子电池 中所用的溶剂进行材料鉴定

前言

电解液是锂离子 (Li-ion) 电池 (LIBs) 的关键组分，它能够促进 电池工作过程中在阳极与阴极之间的电荷离子转移。  LIBs 在 成本、容量、充电时间和寿命方面的整体性能在很大程度上依 赖于电解液的组成。 LIB- 电解液含有锂盐、溶剂和添加剂[1]。 常用的电解液为溶于碳酸酯溶剂（例如，碳酸乙烯酯 (EC)、 碳酸二乙酯 (DEC)、碳酸二甲酯 (DMC) 和碳酸甲乙酯 (EMC)） 中的六氟磷酸锂 (LiPF6)[2, 3]。

电池生产中使用的原材料对 LIBs 的整体性能起着至关重要的 作用，因为这些材料会影响最终产品的可靠性和耐用性。为了 确保在生产过程中使用合适的原材料，原材料鉴定测试是 LIB 行业中至关重要的 QA 和安全性分析手段。

傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 是一种无损分析技术，广泛用于 原材料鉴定测试应用。  FTIR 通过测量 IR 辐射的吸收，得到样 品的特征化学指纹。这种简便易用的技术无需任何样品前处理 步骤，能够快速鉴定材料。

本研究采用配备钻石晶体 ATR   附件 的 Agilent Cary 630  FTIR 光谱仪 （图 1）对常用的 LIB-电解液溶剂进行鉴别验证。本应 用简报介绍了使用 Agilent MicroLab 软件 创建参考光谱库，并 应用基于方法的方案确认各种电解液溶剂的鉴定结果。

图 1. Cary 630 FTIR 光谱仪非常小巧、轻便（20 × 20 cm ，重 3.6 kg），易于操作并可根据样品进行放置，确保获得高质量结果

实验部分

仪器

本研究采用两台配备钻石晶体 ATR 附件的 Cary 630 FTIR 光谱 仪。利用位于安捷伦科技有限公司全球解决方案开发中心（新 加坡）的仪器创建表 1 中列出的光谱参考库。使用该谱库创 建常规的材料鉴定方法。然后将该方法转移至位于澳大利亚 墨尔本的安捷伦光谱卓越中心的另一台仪器上，对 4 种“未 知”溶剂进行鉴定（图 2）。

创建谱库

采用表 1 中列出的化学品创建谱库。使用 MicroLab 软件可以 轻松创建、维护并管理谱库。只需几秒即可创建新谱库，并且 无论是在创建时还是在其他任意时间，均可直接从结果界面添 加光谱。

表 1. 用作光谱标准物质以创建谱库的 LIB 溶剂

图 2. 使用 Agilent Cary 630 FTIR 光谱仪和 Agilent MicroLab 软件创建用于 LIB 溶剂鉴定的鉴定方法

1    开始分析

2    按照图片式软件指导进行操作

3     即刻获得颜色标记的

有指导意义的结果

图 3. 使用直观的 Agilent MicroLab 软件，通过 Agilent Cary 630 FTIR 光谱仪获得答案只需三步即可轻松完成。图片式软件减少了培训需求，同时尽可能降低用户引 起错误的风险

软件

用于 Cary 630 FTIR 光谱仪的 MicroLab 仪器控制软件采用可 视化界面，可指导用户执行从样品引入到报告生成的各个分析 步骤（图 3）。

样品

使用 Cary 630 FTIR，通过分析 4 种独立的“未知”溶剂样品 （这些样品为市售溶剂，物质名称在容器标签上标明） 来测试 用户生成的谱库。样品包括两种碳酸甲乙酯溶液、碳酸二甲酯 和乙酸乙酯。

分析

使用配备 ATR 附件的 Cary 630 FTIR 分析液体样品时，将一小 滴样品置于 ATR 晶体上。测量完成后，可以用乙醇将晶体擦 拭干净（如有必要） 。

仪器操作条件和参数如表 2 所示。

表 2. Agilent Cary 630 FTIR-ATR 操作参数

结果与讨论

采用 Cary 630 FTIR 分别分析了 4 种“未知”溶剂。使用相似 度算法搜索用户生成的 LIB-溶剂谱库，经鉴定，未知样品 1 和 2 为 EMC，匹配质量指数 (HQI) 分别为 0.99393 和 0.94530。未 知样品 3 经鉴定为 DMC，HQI 为 0.97820；样品 4 为 EA（HQI 为 0.99679），如表 3 所示。

针对每个谱库项目，软件会自动计算 HQI，该值表示实测光谱 与谱库谱图的匹配程度。在原材料鉴定和确认工作流程中，  HQI 通常用作合格/不合格标准。分析人员可以在 MicroLab 软 件中自行设置基于 HQI 的阈值。

表 3. 使用 Agilent Cary 630 FTIR-ATR、用户生成的 LIB 溶剂谱库和相似度检索 算法所获得的 LIB 溶剂鉴定结果

用颜色标记的结果

为了轻松查看 Cary 630 FTIR 生成的数据，根据用户定义的 置信度阈值对获得的每个样品的材料鉴定结果进行颜色标记 （图 4）。

在本研究中，  HQI 高于 0.95 的结果标记为绿色，表明光谱匹 配结果良好，材料的鉴定结果具有高可信度。如图 4 所示，  未知样品 2 的鉴定结果为中等置信度 (HQI ：0.90–0.95)，并 将颜色标记为橙色。根据分析目的的不同，中等置信度结果可 能向分析人员表明需要进一步研究所测试的溶剂批次。

对结果进行颜色标记使 Cary 630 FTIR 系统成为一种简便易用 的一站式解决方案，有助于快速做出决策。样品测量完成后，  MicroLab 软件会在屏幕上直接显示最终结果，无需用户进行 任何输入。该软件自动执行谱库搜索，并向操作人员提供最终 的经颜色标记的结果。

图 4. Agilent Cary 630 FTIR 光谱仪对 4 种 LIB 溶剂样品的鉴定分析结果（红色曲线）以及谱库匹配结果（蓝色曲线）。表中显示了未知样品 1 至 4 的匹配质量、所用 谱库和匹配结果名称（分别标记为 A 至 D）

结论

Agilent Cary 630 FTIR 光谱仪提供了一种简单易用的方法，  适用于对锂离子电池 (LIB) 电解液生产中所用的溶剂进行材料 鉴定。

Cary 630 FTIR 和 MicroLab 软件有助于快速、轻松地创建 LIB 溶剂谱库，从而快速鉴定 4 种“未知”溶剂样品。

MicroLab 软件根据匹配质量指数 (HQI) 对鉴定结果进行颜色 标记，简化了数据审查流程。通过谱库实现了所有 4 种溶剂 的准确鉴定，尽管其中 1 种样品被标记为需要进一步研究。

本研究表明，配备 ATR 采样附件的 Cary 630  FTIR 具有出色 的灵活性，适用于对 LIB 相关溶剂进行材料确认。  Cary 630 FTIR 为 LIB 原材料制造商和 LIB 生产商提供了准确、可靠的 材料鉴定方法。它也为致力于开发新一代材料的研发团队提供 了支持。