Reinheitsangaben von 99,9% und 99,99% sind im Zusammenhang mit Prüfmethode und Berechnungsbasis zu verstehen. Als Massenanteil beschreiben sie den Anteil der Hauptkomponente an der Gesamtmasse; bei einer Berechnung aus GC-Peakflächen ist die Aussage eine andere. Für Wasser und bestimmte Verunreinigungen sind zusätzlich die jeweiligen Prüfergebnisse heranzuziehen.
Massenanteil und chromatographischer Flächenanteil sind nicht dasselbe
Der Massenanteil gibt das Verhältnis der Masse des Hauptbestandteils zur Gesamtmasse der Probe an. Beruht das Ergebnis tatsächlich auf der Masse sämtlicher Komponenten, verbleiben bei 99,9% beziehungsweise 99,99% Anteile von 0,1% beziehungsweise 0,01%, entsprechend 1000 ppm und 100 ppm. Lautet die Angabe dagegen ≥99,9%, ist der verbleibende Anteil eine Obergrenze und kein gemessener Gesamtverunreinigungsgehalt der Charge.
Die Gaschromatographie (GC) stellt Komponenten, die mit der jeweiligen Methode getrennt und nachgewiesen werden können, als unterschiedliche Peaks dar. Der Flächenanteil ist das Verhältnis der Fläche des Hauptpeaks zur Summe der in die Berechnung aufgenommenen Peakflächen. Verschiedene Stoffe können unterschiedliche Detektorantworten zeigen; Wasser, anorganische Salze oder nichtflüchtige Stoffe sind möglicherweise nicht erfasst. Daher darf 100% minus GC-Reinheit nicht unmittelbar als Massenanteil sämtlicher Verunreinigungen interpretiert werden.
Warum gleiche Reinheit dennoch Unterschiede zulässt
Auch bei gleichem Massenanteil des Hauptbestandteils kann sich der Rest zweier Proben aus unterschiedlichen Stoffen zusammensetzen. Geringe Mengen Wasser, Alkohole oder Metalle wirken auf eine konkrete Formulierung nicht unbedingt genauso wie die gleiche Masse eines anderen Carbonats. Die Reinheit beschreibt, wie viel Hauptbestandteil enthalten ist; die Verunreinigungsanalyse beantwortet zusätzlich, woraus der Rest besteht.
Bei Batterielösungsmitteln werden deshalb Hauptgehalt, Wasser, Säuregehalt und bestimmte Verunreinigungen häufig getrennt ausgewiesen. Der Wassergehalt beschreibt die enthaltene Wassermenge, der Säuregehalt die mit der jeweiligen Methode erfassten sauren Komponenten. Metalle, Partikel und nichtflüchtige Rückstände erfordern jeweils geeignete Prüfungen. Eine einzelne Reinheitsprüfung liefert nicht automatisch all diese Informationen.
Die Analysenmethode bestimmt, was erfasst wird
Ob chromatographische Peaks getrennt werden, der Detektor auf den Zielstoff empfindlich anspricht und die Quantifizierung kalibriert ist, beeinflusst das Ergebnis. Gleich benannte Prüfparameter sind bei unterschiedlichen Methoden nicht unbedingt unmittelbar vergleichbar. Methodenangaben helfen zu verstehen, welche Stoffe das Ergebnis abdeckt und welche Präzision es besitzt.
Nicht nachgewiesen bedeutet in einem Bericht üblicherweise, dass der Gehalt unter der Nachweisfähigkeit der Methode liegt, und nicht, dass der Stoff absolut nicht vorhanden ist. Unterhalb der Bestimmungsgrenze bedeutet, dass der Gehalt für eine zuverlässige Quantifizierung mit dieser Methode zu niedrig ist. Zusätzliche Nachkommastellen erhöhen die Messgenauigkeit nicht automatisch.
Methodenbeispiel: Agilent analysiert Carbonatlösungsmittel und Additive in Elektrolytproben mittels Gaschromatographie mit massenspektrometrischer Detektion (GC/MSD) und externer Kalibrierung. Zu den Zielkomponenten gehören DMC, EMC, DEC, EC und PC. Das Beispiel betrifft die Analyse organischer Komponenten. Wasser, Spurenmetalle und weitere Parameter benötigen für das jeweilige Messziel geeignete Methoden.
Spezifikation, typischen Wert und Chargenergebnis getrennt lesen
Die Reinheitsuntergrenze in einer Spezifikation ist eine Produktanforderung. Ein typischer Wert im technischen Datenblatt beschreibt übliche Eigenschaften. Das Ergebnis im chargenbezogenen Analysenzertifikat bezieht sich dagegen auf eine bestimmte Chargennummer und untersuchte Probe. Obwohl alle drei ähnlich tabelliert sein können, liefern sie unterschiedliche Informationen.
Beim Lesen von Reinheitsangaben ist zunächst die Berechnungsbasis des Prozentwerts zu klären. Danach sind die separat aufgeführten Verunreinigungen sowie Spezifikationsgrenzen und gemessene Chargenwerte zu unterscheiden. Die Eignung für das Zielbatteriesystem hängt auch von Art und Gehalt dieser Verunreinigungen sowie den Anwendungsergebnissen ab.
Beispiel eines Prüfberichts: Alle folgenden Zahlen sind hypothetisch und erläutern lediglich die Datenfelder. Sie sind weder Lixing-Spezifikationen noch ein tatsächlicher Chargenbericht.
| Parameter | Einheit | Spezifikationsgrenze | Messwert | Methode |
|---|---|---|---|---|
| Wasser | mg/kg | ≤20 | 12 | Geeignete Karl-Fischer-Methode |
In der Tabelle ist 20 die zulässige Obergrenze und 12 das Probenergebnis. mg/kg bezeichnet Milligramm Wasser je Kilogramm Probe; die Methodenspalte erläutert die Messgrundlage. Diese Zeile beschreibt ausschließlich Wasser und darf nicht von der GC-Flächenreinheit abgezogen werden, um die Gesamtzusammensetzung zu vervollständigen.
Quellen
IUPAC-Terminologie: Nachweisgrenze (Limit of detection)
Metrohm: Karl-Fischer-Wasserbestimmung und Analyse von Batteriematerialien