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技術(shù)文章

使用 ICP-OES 分析鈉電池正極材料中的主含量元素

閱讀:183          發(fā)布時間:2025-2-26

前言隨著全球碳中和時代的到來,新能源領(lǐng)域近年來發(fā)展迅速。目前,鋰電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于動力汽車和儲能系統(tǒng)中。而新一代鈉電池由于具有更低的成本和采用更容易獲取的原材料,正逐漸發(fā)展壯大。鈉電池正極材料主要分為三種技術(shù)路線,即層狀氧化物、普魯士藍(lán)類和聚陰離子正極材料,而每一種技術(shù)路線的正極材料又可細(xì)分為多種類型。目前比較有代表性的正極材料為層狀氧化物,主要包括 Co、Cu、Mn、Fe、Ni、Ti、V 和 Cr 等金屬氧化物[1]。采用常規(guī) ICP-OES電感耦合等離子體光譜儀 測定鈉電池正極材料中的主含量元素或?qū)?yīng)的摩爾百分比時,容易出現(xiàn)較大偏差,不利于控制產(chǎn)品質(zhì)量。本研究基于安捷倫 ICP-OES 所具有的超高穩(wěn)定性,開發(fā)出一種測定層狀氧化物中主含量元素及摩爾比的方法。該方法具有出色的線性范圍、精密度和穩(wěn)定性,可滿足日常測定要求。


實(shí)驗(yàn)部分試劑和樣品鹽酸為電子級,購于 VWR 試劑公司;所用實(shí)驗(yàn)用水為 MilliporeMilli-Q 超純水系統(tǒng)現(xiàn)制備的高純?nèi)ルx子水;10000 µg/mL Cu、Fe、Mn 和 Ni 單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液品由安捷倫提供(部件號分別為5190-8378、5190-8402、5190-8414 和 5190-8422)。樣品為人工合成的擬鈉電池層狀氧化物消解溶液,用于模擬鈉電池層狀氧化四元正極材料樣品,其組成約為:Cu 578.1 µg/mL、Fe 511.4 µg/mL、Mn 751.1 µg/mL 和 Ni 804.7 µg/mL。上機(jī)測試前,將該溶液用 1% HCl 介質(zhì)稀釋 100 倍。儀器和設(shè)備采用 Agilent 5800 ICP-OES 系統(tǒng)(部件號 G8018AA),配備如下安捷倫模塊:垂直雙向觀測系統(tǒng)、5 通道蠕動泵、雙通道玻璃進(jìn)樣系統(tǒng)、高精度氣體質(zhì)量流量計、高精度恒溫光室(溫度波動 ± 0.1 °C)、專有中階梯光柵分光系統(tǒng)和 VistaChip III CCD 檢測器。儀器操作條件見表 1。

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標(biāo)準(zhǔn)品配制分別移取不同質(zhì)量/體積標(biāo)準(zhǔn) Cu、Fe、Mn 和 Ni 單標(biāo)溶液,以1% HCl 為介質(zhì),配制得到 50 mL,濃度分別為 0、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0 µg/mL (ppm) 的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。


結(jié)果與討論校準(zhǔn)曲線和背景校正表 2 為 0.0–25.0 µg/mL 濃度范圍內(nèi) Cu、Fe、Mn 和 Ni 元素分析波長、背景校正方式、校準(zhǔn)曲線線性回歸方程和線性相關(guān)系數(shù)匯總表。從中可以看到,采用 5800 ICP-OES 系統(tǒng)默認(rèn)的自動擬合背景校正方式,所獲得的四種目標(biāo)元素的校準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)均大于 0.9999,表明該方法在 0.0–25.0 µg/mL 的濃度范圍內(nèi)具有良好的線性。

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精密度精密度可反映測定數(shù)據(jù)的短期穩(wěn)定性。樣品進(jìn)行了 10 次精密度測試,結(jié)果見表 3。從表中可以看到,在無內(nèi)標(biāo)校正的情況下,Cu、Fe、Mn 和 Ni 元素摩爾百分比 (mol%) 極差(即最大值 – 最小值)均 < 0.05%,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差 (RSD) 均 ≤ 0.06%,表明該方法能有效控制主含量元素摩爾百分比誤差,具有出色的精密度。

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長期穩(wěn)定性針對于主含量元素測定長期穩(wěn)定性偏差大的難題,樣品進(jìn)行了4 h 穩(wěn)定性測試。為方便展示測定過程中數(shù)據(jù)波動的情況,分別將Cu、Fe、Mn 和 Ni 元素的實(shí)測摩爾百分比減 20%、20%、30%、30%,結(jié)果如圖 1 和表 4 所示。從中可以看出,4 h 內(nèi) Cu、Fe、Mn 和 Ni 元素的摩爾百分比極差分別為 0.12%、0.07%、0.12%和 0.14%,表明測定結(jié)果波動極小,該方法具有出色的長期穩(wěn)定性。

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除摩爾百分比以外,4 h 內(nèi)各目標(biāo)元素的測定濃度 RSD 均小于0.5%,濃度極差值均小于 12.00 µg/mL,表明儀器在連續(xù)多個小時的測定情況下,具有優(yōu)異的表現(xiàn)。

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結(jié)論本文介紹了一種采用安捷倫高性能 5800 ICP-OES 系統(tǒng)定量分析鈉電池正極材料中主含量元素(包括 Cu、Fe、Mn 和 Ni)的方法。憑借該 ICP-OES 系統(tǒng)的高精度光室溫度控制系統(tǒng)(波動 ± 0.1 °C)和高精度氣體流量控制系統(tǒng),該分析方法在目標(biāo)元素測定濃度范圍內(nèi)具有良好的線性,并且表現(xiàn)出優(yōu)異的精密度和長期穩(wěn)定

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