新能源大时代 | 安捷伦携全套分析方案护航新能源电池产业链

2024.3.12

近年来，随着全球对可再生能源需求的不断增加，二次电池行业市场迅速崛起。从电动汽车、消费电子产品再到储能领域，对二次电池的需求量日益增长。所谓二次电池，指的是在电池放电后可通过充电继续使用的电池，又被称为充电电池或蓄电池。随着新型应用场景和技术路线持续涌现，多元化的技术发展策略已然成为二次电池行业发展的主旋律。

锂离子电池具有电压高、比能量高、循环寿命长、环境友好等优点，并具有良好的能量密度和功率密度，是目前主流类型的二次电池。从锂离子电池技术演进的路径来看，液态锂电池能够实现的能量密度已经逐渐接近了它的极限，固态锂电池技术逐渐减少对液态电解质的依赖，能量密度高、安全性高，是未来锂电技术的重要发展方向之一。钠离子电池比锂离子电池的成本更低，且具有资源丰富、高安全、转换效率高等方面的优势，其产业化进程正全面加速，并有望成为锂离子电池之外的另一种实现大规模商业化应用的二次电池技术，在储能、低速电动车等领域具有广阔的应用前景。

安捷伦科技（Agilent）作为分析技术领域的全球领导者，在新能源电池材料从无机到有机检测的各个领域积累了深厚的经验积淀、海量的数据资源和广泛的客户群体。现已推出了新能源电池产业链全套分析解决方案，覆盖了新能源电池产业链（包括正极材料、负极材料、隔膜、电解液、电池回收/循环利用等）中质控和研发的各个环节，为新能源电池产品质量保驾护航。

锂/钠离子电池产业链中的常见分析项目

锂/钠离子电池公司原材料（上游材料）检测或电池生产管理：包括鉴别实验、理化性能、电化学性能分析、化学成分分析等项目

金属杂质、磁性杂质分析（AA、ICP-OES 或 ICP-MS）
SO4^2-、Cl^-等阴离子及 Si 等非金属元素分析（UV-Vis）
电解液等原材料鉴别和解析（FTIR）
石墨类负极材料有机物含量测试、电极片上溶剂残留（GC-MS）
隔膜的分子量检测（GPC）
电解液（包括添加剂）成分分析、溶剂组分含量测定（GC、GC-MS 等）

锂/钠离子电池研发：电池产品安全性能、循环寿命、功率密度、能量密度等关键指标的研究

电池鼓包气通常采用气相色谱仪（GC）或气相色谱质谱联用仪（GC-MS）分析气体成分
电解液、添加剂成分分析（GC、LC 或 GC-MS）
电解液未知成分分析（GC-Q/TOF 或 IC/LC-Q/TOF）

废旧电池回收利用：对废旧电池中的有价值金属元素进行提取并循环再利用

电池用 N- 甲基吡咯烷酮（NMP）的纯度分析（GC）
有价值的金属元素（Li、Ni、Co、Mn 等）的含量分析（AAS、ICP-OES 或 ICP-MS）
ROHS、REACH 等法规要求检测有害污染物质（AAS、GCMS、ICP-OES、UV 等）

现行锂离子电池国家标准（例如 GB/T 20252-2014《钴酸锂》、GB/T 24533-2019《锂离子电池石墨类负极材料》）规定使用 ICP-OES 或等同性能的分析仪器检测主量元素及微量杂质元素，并对磁性物质进行分析。另外，现行国家标准 GB/T 30835-2014《锂离子电池用炭复合磷酸铁锂正极材料》、GB/T 24533-2019《锂离子电池石墨类负极材料》和 GB/T 30836-2014《锂离子电池用钛酸锂及碳复合负极材料》等标准中规定依据 IEC 62321 方法，使用 AAS、ICP-OES 或 ICP-MS 等仪器对材料中的 Cd、Pb、Hg 和 Cr 等限用物质进行检测。

2023 年 7 月 28 日，欧盟官方公报发布关于电池和废电池的法规 (EU) 2023/154。新法规规范了电池从生产到再利用和回收的整个生命周期，并确保其安全，可持续和具有竞争力。法规不仅提到除满足欧盟 REACH 法规附录 XVII 和欧盟 ELV 指令规定的有害物质要求外，还限制了电池中的 Hg，Cd，Pb 的含量。

难点分析

在正极材料方面：

正极材料中主量元素的百分比含量及摩尔比对正极材料的质量控制至关重要。而测定主量元素的百分比和摩尔比对仪器的稳定性提出了非常高的要求。

在电解液方面：

电池电解液样品的复杂基体（含高盐、高有机成分和含 F 成分）会产生电离干扰、物理干扰等，给仪器的基体耐受性和抗干扰能力带来极大挑战。同时，电池材料的复杂基体为软件的干扰扣除能力带来了巨大挑战。

安捷伦解决方案

Agilent ICP-OES 采用垂直双向观测结合 CCI 冷锥接口专有技术，具有出众的复杂基体耐受性和抗干扰性，可保证正极材料中主成分分析和摩尔比分析的稳定性，并实现对正负极材料和电解液中元素杂质的准确分析。
Agilent ICP-OES 采用专有技术的 VistaChip II CCD 检测器能够为每个像素提供溢出保护，使 5800/5900 ICP-OES 具有优异的线性范围，适用于分析锂离子电池正极材料中的 Li、Ni、Co、Mn 等主量元素以及 Cu、Pb、Zn 等微量元素。
Agilent ICP-OES 的 ICP Expert 软件独有的拟合背景校正技术 (FBC) 采用先进的数学拟合算法，无论样品复杂程度如何，均可准确、全自动完成背景校正。对于锂离子电池材料复杂基体产生的背景信号，用户只需交给 FBC 便可得到准确结果，无需耗费时间进行手动调整。
安捷伦 ICP-MS 采用专有高基体进样系统 (UHMI)，可使用高纯气体对整批混合样品进行在线稀释，大幅增强直接分析复杂基体样品的能力，省去繁琐的样品分类和手动稀释操作，从而显著提高分析效率；同时明显减少由水引入的氧化物干扰，从而大幅改善检出限。与能够耐受 < 0.2% 总溶解固体 (TDS) 的传统仪器相比，安捷伦 ICP-MS 可耐受高达 25%（配备 UHMI时）的 TDS。

安捷伦气相色谱系统测定锂离子电池电解液中的碳酸酯类溶剂和添加剂

采用直接进样，能够在 14 分钟内完成对 13 种碳酸酯和添加剂的分析
该方法在 10–500 mg/L 的浓度范围内表现出良好的线性，目标化合物校准曲线的线性回归方程相关系数 (R² ) 均高于0.9996
目标化合物的保留时间和峰面积相对标准偏差 (RSD) 分别小于 0.04% 和 1.50%，表明该方法具有出色的稳定性

13 种碳酸酯和添加剂化合物

Agilent 8890 气相色谱仪

标样谱图

实际电解液样品谱图

产业链检测需求分析

在锂离子电池研发过程中，需要对未知有机物进行定性分析。例如，在循环性能研究中，需要对电池循环后电解液中产生的未知化合物进行分析，因为这些化合物可能对锂离子电池性能产生影响。安捷伦推荐采用 IC/LC-Q/TOF 或 GC-Q/TOF 对未知化合物进行精确定性分析。

Agilent 6546 LC-Q/TOF

Agilent 7250 GC-Q/TOF

IC/LC-Q/TOF、GC-Q/TOF 的应用

未知物结构推导与解析软件 MassHunter MSC (MS/MS StructureCorrelation)：对于碎片离子比较复杂且数据库中未收录二级质谱的化合物，可采用未知物结构推导与解析软件进行未知化合物结构推断
根据 MassHunter MFE 分子信息提取功能：IC/LC-Q/TOF 数据特点专门开发的分子特征提取功能 (MFE)，可自动、快速地从谱图中提取出全部化合物，并借助精确质量数、同位素信息、准确的二级质谱及结构辅助解析软件，对未知化合物进行鉴定

质谱数据统计学分析软件 Mass Profiler Professional (MPP)：可兼容 GC-Q/TOF、IC/LC-Q/TOF、ICP-MS 等质谱产品数据，通过主成分分析 (PCA)、无监督聚类分析、方差分析、文氏图等统计分析算法，对样品中的全部组分进行解析，并对差异显著性进行分析
Q/TOF 数据库与谱库：利用个人化合物数据库 (PCD) 以及自建化合物数据库与谱库 (PCDL) 进行精确质量数检索，提供业内最全的数据库与谱库

产业链检测需求分析

在锂离子电池相关标准 YS/T 582-2013《电池级碳酸锂》、GB/T 26008-2020《电池级单水氢氧化锂》中，规定使用分光光度计法检测 SO4^2-、Cl^-、Si 等物质；在 GB/T 19282-2014《六氟磷酸锂产品分析方法》等标准中，规定使用红外光谱等方法进行产品鉴别。

Cary 60 紫外-可见分光光度计的技术优势：

长寿命氙灯，享受 10 年质保
开盖检测，免疫室光
可使用光纤附件，实现在线监测
性能稳定，使用维护成本极低

Cary 630 FTIR 红外光谱仪的技术优势：

设计小巧的台式光谱仪
提供图形化工作界面，操作简单方便
防潮抗震，坚固耐用，运行可靠
短光路设计，不易受到空气中水汽和二氧化碳的干扰
检测速度快，是常规 FTIR 系统的 2 倍以上

使用安捷伦 Cary 630 FTIR 在手套箱中进行常用锂电解质盐的鉴定

Cary 630 FTIR 采用超紧凑的设计，可于手套箱中测试得到高质量的结果

真空和检漏是汽车电气化先进工业制造中的关键要素。安捷伦提供了完善的解决方案，助力向可持续交通工具的过渡。电池性能、寿命和整体质量在很大程度上取决于生产工艺的设计。真空和氦质谱检漏技术的引入，对优化电池生产工艺具有重要意义。

基质材料混合 — 活性材料、粘合剂和导电剂在真空下混合，以达到所需的均匀性、粘度和纯度。真空条件有助于消除气泡，为电气性能提供支持。
真空干燥 — 层压的锂离子电池会保留水分，必须通过干燥消除这些水分，并避免损坏电极的微观结构。真空条件对于含水率的高低具有决定作用。由于电极所需的洁净标准高，真空泵需要耐受溶剂和水汽，确保碳氢化合物不会返流到工艺腔体。
电极除气 — 层压并干燥后的电极表面具有充满空气的表面气泡，必须通过真空处理将其去除。
复合集流体制造 — 复合集流体是当前锂离子电池行业中最新的一种技术。相比锂离子电池传统集流体使用的纯铝箔、纯铜箔，复合铝箔、复合铜箔能够显著的提升电池安全性、降低电池成本、减轻电池重量。
电池泄漏检测 — 随着技术的进步，涌现出越来越多不同类型的锂离子电池，以满足汽车制造商不断变化的要求。锂离子电池可以用软外壳制成软包电池形，也可以用硬外壳制成圆柱形或方形电池。为确保电池使用寿命、性能和安全性符合标准，电池模块和最终电池组的密封性至关重要。安捷伦检漏仪和干泵提供了出众的性能，适用于发现电池生产过程中的潜在有害泄漏。