L'N-metilpirrolidone (noto anche come N-metil-2-pirrolidone o NMP) è un solvente organico utilizzato per produrre fanghi nella produzione di batterie ed è una materia prima fondamentale per l'industria delle batterie agli ioni di litio (LIB). Funge da solvente efficace per i leganti degli elettrodi, come il fluoruro di polivinilidene, essenziali per il mantenimento della stabilità degli elettrodi [1,2]. L'NMP viene completamente rimosso durante il processo di produzione e può essere riciclato in modo efficiente [3]. La domanda globale di NMP è elevata e rappresenta una percentuale sostanziale dei costi di produzione delle batterie agli ioni di litio [4].
L'analisi delle impurità dell'NMP è fondamentale per valutare la qualità dell'NMP, sia di nuova fabbricazione che riciclato. La cromatografia ionica (IC) con eliminazione della matrice è una tecnica robusta e affidabile per quantificare le impurità nell'NMP nell'ordine dei µg/L. Utilizzando questo metodo, i produttori di batterie possono garantire la corretta composizione e il comportamento elettrochimico dell'elettrolita e valutare la stabilità e la sicurezza delle batterie agli ioni di litio.
La tecnica di preconcentrazione intelligente con eliminazione della matrice (MiPCT-ME) di Metrohm quantifica gli anioni nell'N-metilpirrolidone fino all'intervallo µg/L senza trattamento del campione o fasi di diluizione
Un volume di 500 µL di NMP è stato iniettato direttamente nella colonna di preconcentrazione (PCC) del CI senza alcun trattamento, utilizzando un Dosino 800 (unità di dosaggio 807 da 5 mL). La PCC, installata al posto di un loop di campionamento, cattura gli ioni target e consente la rimozione dalla matrice. Ciò consente l'analisi di tracce di anioni anche in matrici complesse.
L'applicazione è stata eseguita utilizzando un 930 Compact IC Flex con MiPCT-ME e un volume di iniezione fisso di 500 µL (volume di preconcentrazione). Un volume di 1,5 mL di acqua ultrapura (UPW) è stato utilizzato per il risciacquo del PCC al fine di rimuovere la matrice. Per ulteriori dettagli sperimentali, vedere la Tabella 1.
La configurazione del sistema IC è mostrata schematicamente nella Figura 1. La calibrazione variava da 5 a 100 µg/L, preparati come standard misti contenenti fluoruro, cloruro, nitrito, bromuro, nitrato, fosfato e solfato. Per garantire la comparabilità, gli standard sono stati iniettati anche tramite il PCC.
| Parameter | Setting |
|---|---|
| Detection | Conductivity |
| Column | Metrosep A Supp 7 - 250/4.0 |
| Preconcentration column | Metrosep A PCC 2 HC/4.0 |
| Injection volume | 500 µL |
| Temperature | 45 °C |
| Eluent | 3.2 mmol/L Na2CO3 + 1.0 mmol/L NaHCO3 |
| Suppression | Sequential suppression |
| Regenerant | 100 mmol/L H2SO4 |
| Flow | 0.7 mL/min |
Gli anioni sono stati separati ed eluiti dalla colonna Metrosep A Supp 7 in meno di 34 minuti in condizioni isocratiche. Le concentrazioni variavano da 11 a 76 µg/L.
Il campione di NMP non diluito è stato misurato sia senza aggiunta di ioni standard che con 30 µg/L, raggiungendo un recupero del 90-120% anche per gli ioni a bassissima concentrazione (Tabella 2).
La Figura 2 mostra la separazione degli anioni nell'NMP. La separazione basale è stata ottenuta per gli anioni indicati. Il cromatogramma mostra due picchi di eluizione precoci che non sono stati identificati. Molto probabilmente questi picchi sono dovuti ad acetato e formiato, mostrando l'enorme potenziale per ulteriori sviluppi e consentendo quindi la quantificazione di altri anioni rilevanti.
| Analyte | NMP unspiked (µg/L) |
Spike (µg/L) | NMP spiked (µg/L) |
Recovery (%) |
|---|---|---|---|---|
| Fluoride | 48.94 | 30 | 80.23 | 104.3 |
| Chloride | 74.5 | 30 | 102.83 | 94.3 |
| Nitrite | 76.31 | 30 | 103.35 | 90.1 |
| Bromide | <1 | 30 | 27.89 | 93.0 |
| Nitrate | 28.99 | 30 | 58.87 | 99.6 |
| Phosphate | 11.21 | 30 | 47.04 | 119.4 |
| Sulfate | 15.55 | 30 | 43.65 | 93.7 |
Le concentrazioni degli anioni misurati nell'NMP variano da 11 a 76 µg/L. Concentrazioni di analita così basse, in combinazione con una matrice interferente, possono rappresentare una sfida per la cromatografia. Metrohm MiPCT-ME è in grado di misurare tracce di anioni in un solvente ampiamente utilizzato nel processo di produzione delle batterie al litio. Questa tecnica analitica può dare un contributo significativo a garantire la qualità, la durata e la sicurezza delle batterie al litio.
Il metodo può essere facilmente trasferito ad altri solventi rilevanti come metanolo, etanolo, acetone e 2-propanolo.
- Yue, M.; Azam, S.; Zhang, N.; et al. Residual NMP and Its Impacts on Performance of Lithium-Ion Cells. J. Electrochem. Soc. 2024, 171 (5), 050515. DOI:10.1149/1945-7111/ad4396
- The role of NMP in the production process of lithium batteries - Shenyang East Chemical Science-Tech Co., Ltd.（ES CHEM Co.,Ltd）. https://www.eschemy.com/news/the-role-of-nmp-in-the-production-process-of-lithium-batteries (accessed 2024-08-16).
- Darcel, C. What is NMP Solvent?. https://www.maratek.com/blog/what-is-nmp-solvent (accessed 2024-08-16).
- The Advanced Rechargeable & Lithium Batteries Association. Recommendation about N-Methyl-Pyrrolidone (NMP; CAS No. 872-50-4) Proposal for Inclusion in Annex XIV for Authorization, 2017.
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