관련 제품명 : GC용 VUV 검출기 

[서론]

가스 크로마토그래피(Gas Chromatography, 이하 GC)는 복잡한 유기 화학 혼합물의 구성을 분리 및 정량 하는데 우선적으로 활용되는 분석 테크닉입니다. 여기에 질량 선택성 검출기(mass selective detector)를 사용하게 되면, GC의 활용도는 혼합물의 정성까지도 가능하게 됩니다. 또한 다양한 컬럼(Column)의 제공, 시료 도입 기술의 발전으로 GC를 이용한 휘발성, 반휘발성 화합물의 분석적도 문제가 되지 않습니다.

한편, 흡수 분광법(Absorption spectroscopy)는 액체크로마토그래피(Liquid Chromatography, 이하 LC)에서 폭 넓게 사용 되어져 왔지만. GC 응용 분야에서는 그리 채택되지 못했습니다. 그 이유는 대부분의 가스상 물질이 전통적인 전자기파(electromagnetic)를 흡수하지 않기 때문이었다.

하지만, 최근 과학적 진보를 통해 기존에 활용되지 않았던 매우 짧은 파장(120 nm~240 nm)을 가스 상태의 화합물 분석에 사용할 수 있게 되었으며, 이러한 연구로 가스 상태의 화합물은 진공자외선 영역(Vacuum ultraviolet, 이하 VUV)에서 강하고 특징적인 흡수 스펙트럼을 나타내는 것을 확인하였습니다.

본 사례 연구는 진공자외선(VUV) 영역의 파장의 GC 검출기를 활용한 분석법으로 리튬이온 배터리의 폭발 시 발생하는 휘발성 가스(volatile gas)들을 분석할 수 있는 최신 기술입니다.

근래의 GC 검출기들은 본 사례 연구와 같은 분석에는 접합하지 않았습니다. 왜냐하면 미량 가스의 검출은 위한 다양한 성분을 검출하지 못하거나 선택성이 부족했기 때문이다. 심지어 질량스펙트럼 검출기도 본 응용(리튬 배터리에 발생하는 질량이 작은 화합물들)에 상당한 제한점을 가지고 있다.

반대로 VUV 분광학적 GC 검출기는 이러한 가스 분석에 중요한 혜택을 보여줍니다. 바로 VUV 분광법의 독특하고 특징적인 스펙트럼(spectrum)은 미지 물질의 확인(identification)이나 분류 확인 이 쉽게 가능하며 뿐만 아니라 동시 발생하는 화합물(이성질체 포함)의 중첩 분리 및 분석도 가능하게 합니다.

본 사례 연구는 미국 VUV Analytics사의 세계 최초 VUV 검출기인 VAG-100 모델을 이용하여 리튬 배터리 응용의 다양성과 신뢰성 높은 분석 결과를 보여 줍니다.

[실험]

리튬-코발트-산화물(CO), 리튬-니켈-망간-코발트-산화물(NMCO)에서 발생하는 과열로 인해 가스상 부산물이 발생하며, 이들 부산물을 포집하여 GC로 분석하였다.

사용한 분석 시스템 및 조건은 아래와 같다.

- 검출기 : VUV Analytics사 VGA 100 모델

- Gas Chromatography : S사 model GC-2010

- 컬럼 : 30 m x 0.32 mm x 20 um – HP PLOT/Q

[분석 결과 및 결론]

GC-VUV(VUV 검출기를 사용한 GC 분석법)를 이용하여 리튬 이온 및 리튬-금속 배터리의 종류에서 발생한 가스상 물질을 각각 분석하였다. 각각의 배터리에서 발생한 가스의 양은 상당히 많은 양이었으며, 폭발성이 있는 물질(메탄, 에틸렌, 프로펜)과 독성이 있는 가스(아세트알데하이드, 1,3-부타디엔, 클로로메탄)를 포함하고 있었다.

각각의 성분들의 확인은 VUV 스펙트럼 library 매칭을 통해 확인 하였다.

PLOT 컬럼에서 분리된 크로마토르램은 상당히 좋은 해상도를 보여 주었다. 그러나 산소와 이산화탄소는 약 3.3분에 동시에 발행하였다. 이 두 종은 리튬이온 배터리의 발열 폭발과 관련된 중요한 변수이다. 그러나 불행히도 PLOT/Q 컬럼에서 쉽게 분리되지 않는다. VGA 100의 소프트웨어를 활용하여 성공적인 중첩 분리를 한 결과는 다음 그림과 같다.

그림 B를 보시면, VUV 스펙트럼 library를 통해 확인한 O2 및 CO의 VUV 스펙트럼 뿐만 아니라 최대 크로마토그램 피크(‘original’로 표기)에서 관찰된 VUV 흡수 스펙트럼도 보여 줍니다. 이것은 산소와 일산화탄소의 발생 상황도 설명이 가능하다. 산소의 스펙트럼은 130~175 nm 범위에서 하나의 큰 피크를 보인 반면 일산화탄소는 같은 파장 범위에서 진동형의 흡수 스펙트럼을 보여 준다. 이러한 스펙트럼 반응상의 차이는 충분하게 중첩 분리 될 수 있다.

[결론]

새롭고 상업적으로 활용 가능한 VUV 검출기는 본 연구 사례 처럼, 발열 사건 동안에 발생하는 휘발성 가스의 분리 및 분석에 응용 가능하다. VUV 스펙트럼 매칭은 많은 위험 성분의 분명한 확인(identification)을 가능하게 합니다.