Les impuretés habituellement examinées dans les solvants d’électrolyte comprennent l’eau, les impuretés organiques, les composants acides, les impuretés inorganiques, les particules et les non-volatils. Elles peuvent provenir des matières de fabrication, des emballages, des équipements ou de l’utilisation. Pour qualifier une espèce d’impureté, il faut d’abord distinguer un produit constitué d’un seul solvant de l’électrolyte final : un composant à contrôler dans la matière première peut être un cosolvant volontairement ajouté à la formulation.
L’eau peut revenir après la fabrication
L’eau peut arriver avec les matières premières ou provenir de l’air, de récipients ou de lignes non séchés. Elle peut se dissoudre sans former de gouttes visibles. Dans les électrolytes contenant des composants sensibles à l’eau, tels que l’hexafluorophosphate de lithium (LiPF6), des traces peuvent participer à la décomposition et à la formation de sous-produits acides.
L’eau est donc généralement mesurée séparément. Limpidité et forte pureté principale ne prouvent pas une teneur adaptée à l’usage.
Impuretés organiques : voie de fabrication et contacts matière
La nature des impuretés organiques dépend de la voie de fabrication. Les transestérifications impliquant des alcools peuvent laisser des alcools non réagis, des carbonates apparentés et des diols. La purification des carbonates cycliques peut aussi nécessiter un contrôle des diols. Le tableau présente des impuretés potentiellement pertinentes pour différents procédés. Les paramètres et teneurs réels s’évaluent à partir des spécifications et des analyses ; il ne décrit ni les voies effectivement utilisées par Lixing ni les substances détectées dans ses lots.
| Solvant | Composants potentiellement pertinents | Source possible | Effet ou point analytique |
|---|---|---|---|
| Carbonate de diméthyle (DMC) | Méthanol, éthylène glycol ou propylène glycol | Résidus de matières et de coproduits de transestérification de carbonates cycliques avec le méthanol | Quantifier séparément alcools et diols ; l’aire du pic principal ne les remplace pas |
| Carbonate de diéthyle (DEC) | Éthanol, carbonate cyclique résiduel et diols | Transestérification avec l’éthanol et séparation ultérieure | Distinguer réactifs résiduels et DEC ; vérifier la résolution de la méthode |
| Carbonate d’éthyle et de méthyle (EMC) | Méthanol, éthanol, DMC ou DEC | Réactions d’équilibre entre méthanol/éthanol et carbonates, puis séparation | Évaluer séparément résidus d’alcool et décalage de composition dû aux carbonates apparentés |
| Carbonate d’éthylène (EC) | Éthylène glycol, diéthylène glycol | Résidus de diols issus de la préparation et purification des carbonates cycliques | Examiner la couverture analytique des diols et leurs teneurs résiduelles |
| Carbonate de propylène (PC) | Propylène glycol | Résidus de diols issus de la préparation et purification des carbonates cycliques | Identifier et quantifier le propylène glycol séparément du PC principal |
DMC peut être un cosolvant volontaire du produit final mais un composant apparenté à contrôler dans la matière EMC. Doser cette matière comme EMC sans tenir compte de DMC décale les proportions réelles. C’est un problème de composition ; des réactions indésirables dues à l’eau ou aux alcools sont une autre influence chimique. Les deux ne doivent pas être confondues.
Espèces acides : acidité ne signifie pas teneur d’un acide précis
Les espèces acides peuvent être liées à des résidus, une dégradation ou une hydrolyse et affecter corrosion, interface et stockage. L’acidité reflète les espèces selon une méthode donnée ; elle ne se traduit pas sans condition en teneur d’un acide particulier.
Il faut notamment distinguer solvant sans sel et électrolyte préparé. Le risque de fluorure d’hydrogène dans un système LiPF6 ne permet pas d’affirmer sa présence dans chaque matière carbonate pure.
Impuretés minérales, particules et non-volatils
Éléments métalliques et résidus ioniques peuvent venir des matières, des auxiliaires ou des équipements. Leurs effets dépendent d’identité, teneur et forme chimique. Une teneur élémentaire totale ne dit pas sous quel composé l’élément existe.
Les particules peuvent venir de l’extérieur, du contenant ou de l’usure. Les non-volatils sont les résidus laissés dans les conditions définies de l’essai. Ce n’est pas la même chose : des matières dissoutes invisibles peuvent rester après évaporation. Elles peuvent affecter propreté de surface, filtration et utilisation.
Pourquoi combiner plusieurs méthodes
La chromatographie en phase gazeuse (GC) sépare et mesure de nombreux composants organiques. La méthode Karl Fischer est courante pour l’eau ; éléments, ions et particules nécessitent des analyses appropriées. L’association de ces résultats renseigne sur les différentes classes d’impuretés.
Les résultats se lisent avec les informations sur l’échantillon et le domaine de la méthode. Non détecté signifie généralement sous la capacité de détection de cette méthode. L’effet d’un composant détecté dépend aussi de sa teneur et de la sensibilité du système visé.
Une méthode GC peut par exemple mesurer le méthanol après validation de sa séparation des pics voisins et de l’étalonnage. Les pics inconnus demandent une identification complémentaire ; la chromatographie couplée à la spectrométrie de masse (GC/MS) peut fournir des indices structuraux. Pour les diols, les métaux et les autres paramètres, le domaine de chaque méthode reste à confirmer. Détecter DMC et EMC ne suffit pas à établir que toutes les impuretés sont couvertes.
Références
Sources du tableau : les composants possibles du DMC, du DEC et de l’EMC se réfèrent aux systèmes de réaction et de séparation alcools-carbonates décrits dans le brevet US20110313185A1. Pour l’EC et le PC, la source est la description des impuretés diols du brevet US5922888A, notamment l’éthylène glycol et le diéthylène glycol pour l’EC.
Agilent : analyse GC/MSD des carbonates et additifs d’électrolytes (5991-9356EN)
Metrohm : mesure de l’eau et méthodes d’analyse des matériaux de batteries
Brevet public US20110313185A1 : réactifs, produits et séparation des voies de transestérification