對電池材料進行元素的定量檢測、固態(tài)電池深度剖面檢測、了解元素的分布……這些分析對新電池的質量控制、評估潛在污染和新電池結構設計具有重要意義。

典型的基于溶液的元素分析技術，如ICP-OES和ICP-MS，不能揭示元素分布的信息。另一種流行的元素分析技術XRF，不能覆蓋鋰離子電池電極中的重要元素，如Li、B、C、O、F和N。其他表面和深度分析技術，如二次離子質譜（SIMS）、輝光放電質譜（GD-MS）、俄歇電子能譜儀（AES）和X射線光電子能譜（XPS），是復雜的需要真空的儀器，檢測速度慢且價格昂貴。

下面為大家介紹一種新型分析鋰離子電池組件的有效工具——LIBS結合LA-ICP-MS的復合系統(tǒng)，具體應用如下：

電池材料——定量分析

方法條件：正極材料粉末被壓成30mm的壓片。使用266 nm納秒激光器，激光光斑大小為200μm，選取9個采樣點(3×3網格)分析每個樣品。LIBS光譜的采集范圍為185 ～ 1050 nm，為了便于觀察，僅顯示以下光譜區(qū)域。

圖1. LIBS光譜顯示Ni, Mn, Co, Ca, Li的檢測

使用LA-ICP-MS分別對A、B、C樣品中Al、Ca、Cr、Fe、Zn、Ga、Sr、Zr、Nb、Sb元素進行分析。

表1.使用整個LIBS光譜建立的Li、Ni、Co和Mn多元校準模型的準確性和精密度

固態(tài)電池——深度剖析

方法條件：使用266 nm納秒激光器，激光光斑大小為250μm，重復頻率10 Hz，能量4.5 mJ，氦氣流量1.0 L/min凈化樣品室，400次激光脈沖(從每次激光脈沖收集光譜)。

圖2. (左)一般固態(tài)鋰離子電池結構；

(右)樣品2深度剖面Li、Co和Si的LIBS譜圖

圖3. (左)樣品1深度剖面Li、Co、Cu和Si的LIBS譜圖

(右) 深度剖面O和H的LIBS譜圖

面積為100 mm²的采樣區(qū)域，選取400個采樣點(20×20網格)，采樣點間距0.5mm，每個位置400次激光脈沖剝蝕，繪制元素等高線。剝蝕前的光學圖像和50、100、150、200、250、300次激光脈沖剝蝕下Li的元素分布圖如下所示。

表2. 固體鋰離子電池的深度檢測

*使用Zygo顯微鏡(白光干涉) 深度測量。

正極/負極——化學元素分布圖

通過LIBS儀器檢測氟(F 685.6 nm)、碳(C 247.9 nm)和銅(Cu 324.7 nm)的分布。下面顯示的是混合了52分鐘的石墨、AB、PVDF樣品元素分布圖(88.78%石墨，3.07% AB, 8.20% PVDF)。

圖5.混合時間對鋰電池負極樣品中粘結劑分布的影響

總結：

美國應用光譜公司（Applied Spectra Inc.，ASI）*的J200 LA-LIBS復合系統(tǒng)將LIBS與LA-ICP-MS結合使用，該系統(tǒng)在鋰電池行業(yè)中的應用具有如下特點：

• 提供了同時進行LA-ICP-MS和LIBS測量的能力；
• 幾乎能夠同時檢測整個元素周期表中的所有元素（LIBS可用于H- Pu的分析，其中包括在傳統(tǒng)ICP-MS系統(tǒng)難以分析的H、N、O和鹵素等非金屬元素，LA-ICP-MS提供微量元素和同位素比信息，對LIBS分析進行補充）；
• 超寬的濃度檢測范圍（亞ppb ～ %）；
• LA-ICP-MS提供檢測低濃度污染物和添加劑的能力；
• 提供了一個快速深度剖析工具，還可以檢測傳統(tǒng)技術難以檢測的元素，如F、H、N和O；
• 采用多元校正模型對Li、Co、Ni和Mn獲得了較好的準確度(-1.3 - 7.9%)和精密度(0.3 - 2.2%)；
• 元素分布圖能提供成品電池產品的質量信息；
• 固態(tài)鋰離子電池的深度分辨率為200 ～ 450nm（每次脈沖激光剝蝕深度）；
• 允許快速的收集和處理數據(秒-分鐘)。
• 數據分析軟件能夠同時使用LIBS和LA-ICP-MS數據快速繪制元素分布圖；
• 數據分析軟件包可以方便快捷地繪制基于全LIBS光譜的多變量校準曲線。