Bei Elektrolytlösungsmitteln werden häufig Wasser, organische Verunreinigungen, saure Komponenten, anorganische Verunreinigungen, Partikel und nichtflüchtige Stoffe betrachtet. Sie können aus Ausgangsstoffen, Verpackungen, Anlagen oder der Verwendung stammen. Ob eine Komponente als Verunreinigung gilt, hängt zunächst davon ab, ob sie in einem einzelnen Lösungsmittelprodukt oder im fertigen Elektrolyten vorliegt: Ein im Rohstoff zu kontrollierender Begleitstoff kann im Elektrolyten auch ein bewusst zugesetztes Cosolvens sein.
Wasser kann auch nach der Herstellung erneut eingetragen werden
Wasser kann mit Rohstoffen eingetragen werden oder aus Luft, ungetrockneten Behältern und Leitungen stammen. Es kann sich im Lösungsmittel lösen, ohne sichtbare Tropfen zu bilden. In Elektrolyten mit wasserempfindlichen Komponenten wie Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) können Wasserspuren an Zersetzung und Bildung saurer Nebenprodukte beteiligt sein.
Wasser wird deshalb meist gesondert bestimmt. Weder ein klares Aussehen noch eine hohe Hauptstoffreinheit belegt, dass der Wassergehalt die Anforderungen der Anwendung erfüllt.
Organische Verunreinigungen hängen von Herstellungsroute und Stoffkontakt ab
Die Art organischer Verunreinigungen hängt von der Herstellungsroute ab. Bei Umesterungen mit Alkoholen können nicht umgesetzte Alkohole, verwandte Carbonate und Diole zurückbleiben. Auch bei der Reinigung cyclischer Carbonate kann die Diolkontrolle relevant sein. Die Tabelle nennt mögliche Verunreinigungen verschiedener Verfahren. Konkrete Parameter und Gehalte sind anhand von Produktspezifikation und Prüfergebnissen zu beurteilen; sie beschreibt weder die tatsächlichen Produktionsrouten von Lixing noch Nachweise in einzelnen Chargen.
| Lösungsmittelprodukt | Möglicherweise relevante Komponenten | Mögliche Quelle | Auswirkung oder analytischer Schwerpunkt |
|---|---|---|---|
| Dimethylcarbonat (DMC) | Methanol, Ethylenglykol oder Propylenglykol | Reste von Ausgangsstoffen und Koppelprodukten der Umesterung cyclischer Carbonate mit Methanol | Alkohole und Diole getrennt quantifizieren; die Hauptpeakfläche ersetzt dies nicht |
| Diethylcarbonat (DEC) | Ethanol, verbleibende cyclische Carbonate und Diole | Umesterung mit Ethanol und anschließende Trennung | Restreaktanden von DEC unterscheiden und Trennleistung der Methode prüfen |
| Ethylmethylcarbonat (EMC) | Methanol, Ethanol, DMC oder DEC | Gleichgewichtsreaktionen mit Methanol/Ethanol und Carbonaten sowie deren Trennung | Alkoholreste getrennt von Zusammensetzungsverschiebungen durch verwandte Carbonate bewerten |
| Ethylencarbonat (EC) | Ethylenglykol, Diethylenglykol | Diolreste aus Herstellung und Reinigung cyclischer Carbonate | Analytische Abdeckung und Restgehalte von Diolen beachten |
| Propylencarbonat (PC) | Propylenglykol | Diolreste aus Herstellung und Reinigung cyclischer Carbonate | Propylenglykol getrennt von der PC-Hauptkomponente identifizieren und quantifizieren |
DMC kann beispielsweise im fertigen Elektrolyten ein bewusst zugesetztes Cosolvens sein, im EMC-Rohstoff jedoch eine gesondert zu kontrollierende verwandte Komponente. Wird EMC dosiert, ohne seinen DMC-Anteil zu berücksichtigen, weicht das tatsächliche Mischungsverhältnis vom berechneten Wert ab. Dies ist eine Zusammensetzungsverschiebung. Ob Wasser oder Alkohole unerwünschte Reaktionen auslösen, ist eine andere chemische Wirkung; beide Fragestellungen dürfen nicht vermischt werden.
Saure Stoffe: Säuregehalt ist nicht der Gehalt einer bestimmten Säure
Saure Stoffe können mit Rohstoffresten, Abbau oder Hydrolyse zusammenhängen und Korrosion, Grenzflächen und Lagerstabilität beeinflussen. Die Säuregehaltsprüfung erfasst saure Komponenten nach einer bestimmten Methode. Ein Säurewert darf nicht ohne weitere Voraussetzungen als Gehalt einer bestimmten Säure interpretiert werden.
Besonders wichtig ist die Unterscheidung zwischen einem salzfreien Lösungsmittel und einem bereits formulierten Elektrolyten. Risiken im Zusammenhang mit Fluorwasserstoff in LiPF6-haltigen Systemen rechtfertigen nicht die Aussage, dass jeder reine Carbonatrohstoff Fluorwasserstoff enthält.
Anorganische Verunreinigungen, Partikel und nichtflüchtige Stoffe
Metallische Elemente und ionische Rückstände können aus Rohstoffen, Prozesshilfsstoffen oder Anlagenkontakt stammen. Ihre Wirkung hängt von Art, Gehalt und chemischer Form ab. Ein gemessener Gesamtelementgehalt sagt noch nicht, in welcher Verbindung das Element vorliegt.
Partikel können aus der Umgebung, aus Behältern oder durch Anlagenverschleiß entstehen. Nichtflüchtige Stoffe sind dagegen die unter festgelegten Prüfbedingungen verbleibenden Rückstände. Beides ist nicht identisch: Auch mit bloßem Auge unsichtbare gelöste Stoffe können nach dem Verdampfen des Lösungsmittels zurückbleiben. Sie können Oberflächenreinheit, Filtration und nachfolgende Verwendung beeinflussen.
Warum mehrere Analysenmethoden kombiniert werden müssen
Die Gaschromatographie (GC) trennt und misst zahlreiche organische Komponenten. Für Wasser wird häufig die Karl-Fischer-Methode eingesetzt; Elemente, Ionen und Partikel benötigen entsprechende Analysen. Zusammengenommen geben diese Ergebnisse Auskunft über unterschiedliche Verunreinigungsklassen.
Prüfergebnisse sind gemeinsam mit Probeninformationen und dem Anwendungsbereich der Methode zu lesen. Nicht nachgewiesen bedeutet üblicherweise einen Gehalt unterhalb der Nachweisfähigkeit dieser Methode. Ob ein nachgewiesener Bestandteil die Verwendung beeinflusst, hängt auch von seinem Gehalt und der Empfindlichkeit des Zielsystems ab.
Eine GC-Methode kann beispielsweise Methanol bestimmen, wenn die Trennung von benachbarten Peaks und die Kalibrierung gesichert sind. Unbekannte Peaks erfordern weitere Identifizierung; Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC/MS) kann strukturelle Hinweise liefern. Für Diole, Metalle und andere Parameter ist der Anwendungsbereich der jeweiligen Methode weiterhin zu bestätigen. Der Nachweis von DMC und EMC allein belegt keine Erfassung sämtlicher Verunreinigungen.
Quellen
Tabellenquellen: Die möglichen Komponenten von DMC, DEC und EMC beziehen sich auf die Alkohol-Carbonat-Reaktions- und Trennsysteme in Patent US20110313185A1. EC und PC beziehen sich auf die Diolverunreinigungen in Patent US5922888A, darunter Ethylenglykol und Diethylenglykol bei EC.
Metrohm: Wasserbestimmung und Analysenmethoden für Batteriematerialien
Veröffentlichtes Patent US20110313185A1: Reaktanden, Produkte und Trennfragen bei Umesterungsrouten
Veröffentlichtes Patent US5922888A: Diolverunreinigungen und Reinigungsuntersuchungen bei EC und PC