- 技術原理 -
10.Dec.2013
質譜儀-Mass 氣相層析質譜儀應用：鋰離子電池充放電生成氣體分析
隨著無線通訊技術的進步以及電子產品體積越做越小的趨勢，這種帶著走的消費性電子產品朝著精細和高功能發展。因此，對於電池的要求除了經濟實惠，輕巧及高安全性。目前，手機、筆記型電腦的行動式電子產品，大多使用鋰離子電池，可提供高電壓輸出(3-4V，是一般乾電池的兩倍)、高功率(電流產生高達1A/cm2)、寬廣工作溫度範圍(-40度至70度)和無記憶效應等等，在講究體積和能量功率的3C產品中是很好的選擇。
鋰離子電池電解液體鋰離子電池電解液是由有機溶劑和鋰鹽組成。由於鋰離子電池的工作電壓大於水的電解電壓，因此無法使用水作為電解液溶劑，通常使用高介電常數、適當解離能力、無毒的有機混合溶劑(如:EC、PC、DMC、DEC、EMC …等碳酸酯溶劑)。鋰鹽電解質的部分，常使用六氟磷酸鋰(LiPF6)、六氟砷磷鋰(LiAsF6)、鈷酸鋰(LiCoO2)。
開發電池電解液體
電解液的化學穩定性對於電池性能的表現相當重要，除了是否可以長時間穩定保存還有在充放電時的反應和消耗也相當重要。在開發和改良電池及電解液時，在意是否能耐高、低溫、迴圈次數的多寡因此進行一連串的電化學測試(CV)，觀察電流及電壓的變化。 此外，電池的安全性也必須受到考量，近年來已發生多起電池爆炸的意外，由於電池進行充放電時會產生高溫，對於這種高能量密度的電池來說，是相當不利的環境。在高溫且高壓的環境中，其電池內部的電解液容易不穩定，容易產生反應或分解成氣體，造成電池體積膨脹、內壓過高導致爆裂或起火的憾事。因此，我們可以藉由偵測電池充放電時所產生的氣體，得知影響電池壽命的原因，進而改善，得到最佳的產品效益。
氣相層析質譜儀
氣相層析質譜儀
氣體分析，通常以FT-IR比對，是簡單快速的氣體偵測方式。但為了瞭解混合且未知的氣體樣品，FT-IR可能就不是相當好的分析工具。在本文使用氣相層析質譜儀作為分離混合氣體和分析確切化學組成的分析技術。採樣方式為直接將氣體取樣針(gas tight syring)插入分析物(鋰離子充電電池)中，取1mL。使用四極柱質譜儀(JEOL,JMS-Q1000GC),質譜掃描方式為SCAN模式，其他分析條件為表一所示。
表一：分析條件
| 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：分析條件
從TICC圖譜中可以看到20個訊號，其中peak5、10為矽烷化合物;Peak19為DEC、Peak20為EC是電解液中所使用的有機溶劑，其他的訊號經由資料庫比對發現為氟化物，其來源為電解質中的鹽類。
▲圖二 GC/MS-TIC圖譜
結論
充放電電池產生的氣體，經由氣相層析質譜儀分離分析後，可以看到許多酯類，這些都有可能是碳酸酯有機溶劑因高溫還有電解質的影響造成分解和斷裂。 ，。不論是液態電解質鋰離子電池或是現在新型的固態鋰離子電池(Li-polymer)開發和穩定測試，使用氣相層析質譜儀來追蹤這些氣體的生成和變化，可得到相當有利的資訊。
▲表二 TIC圖譜中，資料庫比對結果
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