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Exploring Age-Induced Lithium Isotope Fractionation in Lithium-Ion Batteries using Microwave-Induced Cold Nitrogen Plasma Mass Spectrometry

  • This study explores Microwave-Inductively Coupled Atmospheric-pressure Plasma Mass Spectrometry (MICAP-MS) as a cost-effective alternative to Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (MC-ICP-MS) for analyzing lithium isotopic composition in lithium-ion batteries (LIBs). We investigate the performance of MICAP-MS in measuring Li isotope ratios in new and aged commercial lithium cobalt oxide (LCO) batteries. Our results show that MICAP-MS, operating under cold plasma conditions at 800 W with an 8 mm torch position, achieves results metrologically compatible with MC-ICP-MS, with a precision ranging from 0.6‰ to 3.4‰ for δ7Li values. MICAP-MS benefits from a dielectric resonator for uniform plasma, better ion velocity control, and higher energy efficiency. Optimal settings were identified with dwell times of 10 ms for 6Li and 1 ms for 7Li. The study of LIBs revealed that 6Li migrates towards the anode over multiple charge–discharge cycles, causing 7Li to accumulate inThis study explores Microwave-Inductively Coupled Atmospheric-pressure Plasma Mass Spectrometry (MICAP-MS) as a cost-effective alternative to Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (MC-ICP-MS) for analyzing lithium isotopic composition in lithium-ion batteries (LIBs). We investigate the performance of MICAP-MS in measuring Li isotope ratios in new and aged commercial lithium cobalt oxide (LCO) batteries. Our results show that MICAP-MS, operating under cold plasma conditions at 800 W with an 8 mm torch position, achieves results metrologically compatible with MC-ICP-MS, with a precision ranging from 0.6‰ to 3.4‰ for δ7Li values. MICAP-MS benefits from a dielectric resonator for uniform plasma, better ion velocity control, and higher energy efficiency. Optimal settings were identified with dwell times of 10 ms for 6Li and 1 ms for 7Li. The study of LIBs revealed that 6Li migrates towards the anode over multiple charge–discharge cycles, causing 7Li to accumulate in the cathode, a fractionation effect that becomes more pronounced with prolonged cycling. MICAP-MS provides a cost-effective, precise alternative to MC-ICP-MS, with lower operational costs and enhanced portability, advancing the study of isotopic fractionation and aging in lithium-ion batteries.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Dalia Morcillo, Alexander Winckelmann, Marcus OelzeORCiD, Robert LeonhardtORCiD, Anita SchmidtORCiD, Silke Richter, Sebastian Recknagel, Jochen Vogl, Ulrich PanneORCiD, Carlos Enrique Abad AndradeORCiD
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Journal of Analytical Atomic Spectrometry
Jahr der Erstveröffentlichung:2025
Organisationseinheit der BAM:1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.1 Anorganische Spurenanalytik
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.6 Anorganische Referenzmaterialien und Gasanalytik
3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher
3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher / 3.1 Sicherheit von Gefahrgutverpackungen und Batterien
P Präsident
P Präsident / P.0 Präsident und andere
S Qualitätsinfrastruktur
S Qualitätsinfrastruktur / S.1 Qualität im Prüfwesen
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:Royal Society of Chemistry (RSC)
Erste Seite:1
Letzte Seite:11
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Analytische Chemie
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Angewandte Physik
Freie Schlagwörter:Battery aging; Isotope fractionation; LCO; Lithium; Lithium isotopes; MICAP-MS; Nitrogen plasma; lithium cobalt oxide
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Chemie und Prozesstechnik
Chemie und Prozesstechnik / Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
Energie
Energie / Elektrische Energiespeicher und -umwandlung
DOI:10.1039/d4ja00324a
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-643777
ISSN:0267-9477
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:16.10.2025
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:27.10.2025
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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