基于液相色谱-质谱联用技术的废旧锂电池黑粉中残留电解质的定量分析方法研究及其回收意义

本文开发了一种结合液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）和离子色谱-电导检测（IC-CD）的创新工作流程，用于定量分析锂离子电池（LIB）回收黑粉中的电解质残留物（如线性/环状碳酸酯、导电盐及降解产物）。研究表明，非质子溶剂乙腈（ACN）的振荡提取法单次提取率超90%，且避免了溶剂分解和热降解问题，为黑粉回收工艺的安全评估和资源化（如PF6?回收）提供了关键技术支撑。

　　

引言

建立可持续的电池价值链需闭环回收策略，而锂离子电池（LIB）黑粉中残留的电解质（如含氟化合物、镍钴等）可能污染环境并危害健康。尽管黑粉元素分析技术成熟，但电解质残留的定量仍是挑战。本研究旨在开发标准化方法，评估黑粉中电解质成分及其降解产物的含量，为回收工艺优化提供依据。

实验方法

化学品与提取：采用工业级LIB黑粉，以乙腈（ACN）、甲醇（MeOH）和水（H₂O）为溶剂，对比振荡提取（SE）、超声辅助提取（UAE）和索氏提取（Soxhlet）效率。SE在室温下以300 rpm振荡15分钟，UAE超声1小时，Soxhlet提取2-24小时。

分析技术：

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  LC-MS/MS：采用C18反相柱，梯度洗脱分离碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）等7种化合物，三重四极杆质谱以正离子模式检测，定量限低至0.04-1.93 ppm。

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  IC-CD：等度分离PF₆^?和F^?，评估导电盐降解。

结果与讨论

有机组分分析：

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  溶剂影响：ACN提取效率最高（5.5 wt%），且避免EC水解生成乙二醇（EtGly）；而H₂O和MeOH因质子性导致EC降解（EtGly和DMC生成）。

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  方法比较：SE耗时最短（15分钟），提取率优于UAE和Soxhlet；UAE因空化效应更易提取挥发性EMC。

离子组分分析：

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  PF₆^?提取率达2.46 wt%，但H₂O中易水解为HF（F^?浓度0.51 wt%），需警惕工业规模HF释放风险。

结论与展望

ACN-SE联合LC-MS/MS是黑粉电解质定量的最优方案，兼具高效性与准确性。未来可扩展至添加剂（如氟代磷酸酯）分析，或开发热脱附-GC-MS技术简化流程。该研究为LIB回收的工艺安全与资源化（如PF₆^?回收）提供了关键技术支撑，同时警示水解副产物的环境与健康风险。