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ICP-OES/ICP-MS 正极材料分析中的应用

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2024/7/3 16:15:04
锂电池是一种以锂离子为电荷载体的可充电电池,广泛应用于便携式电子设备、电动汽车(EVs)、能源存储系统以及其他多种应用中。锂电池由正极材料、负极材料、电解液、隔膜、电池外壳等部件组成。锂电池的正极质量影响着电池的充放电性能,其中正极的主量元素配比以及杂质元素的浓度尤为重要。当正极材料中存在铁(Fe )、铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、锌(Zn)、铅(Pb)等金属杂质时,电池化成阶段的电压达到这些金属元素的氧化还原电位后,这些金属就会先在正极氧化再到负极还原,当负极处的金属单质累积到一定程度,其沉积金属坚硬的棱角就会刺穿隔膜,造成电池自放电。自放电对锂离子电池会造成致命的影响,因而从源头上防止金属异物的引入就显得格外重要。

现阶段的众多锂电池企业,均采用ICP-OES作为主量元素配比以及杂质元素浓度的测定工具。使用ICP-OES测试主量与杂质元素时,可能会遇到的一些问题如:

1.主量元素浓度高,仪器动态范围是否够宽?

2.测定主含量元素的同时,能否测定微量杂质元素?

3.测定主含量元素仪器是否稳定?

4.测定杂质仪器是否有足够的灵敏度? 

等等

 

得益于珀金埃尔默公司Avio系列ICP-OES上的设计,配备平板等离子体技术、双向观测模式、丰富的元素谱线库、光谱干扰校正技术(MSF,多谱拟合技术)能够有效解决上述问题。
 

伴随着产业的发展以及工艺的提升,对杂质的管控越发严格,杂质浓度限值一直在往下调。ICP-OES由于其仪器原理的限制,在测定低浓度杂质元素时遇到瓶颈。Cr、Cu、Fe、Zn、Pb这些元素尤其明显。据调研,部分厂家该5个元素浓度控制在1ppm以下(部分厂家Fe含量在10 ppm以内),在常规100倍固液稀释比前处理后,样品溶液中该元素浓度在10 ppb以下,因此使用ICP-OES进行检测遇到了极大的挑战,尤其在谱线干扰严重的情况下。而ICP-MS由于其灵敏度更高,检测下限更低,是一个非常好的检测手段。
 

使用ICP-MS测试正极材料中杂质元素的挑战包括:

1. 杂质元素会受到主量元素质谱干扰;

2. 对不同类型的质谱干扰,需要不同的干扰校正模式。


通过对多个厂家的锂电正极材料做测试,运用空白实验、平行样、加标回收等质控手段进行测试,验证了珀金埃尔默NexION系列ICP-MS,标配AMS进样系统,配合大锥孔三锥设计,四极杆离子偏转器,可以获得优异的基体耐受性、仪器稳定性,以及更低的记忆效应。

 

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