相比傳統(tǒng)電池，鋰離子電池具有能量密度高、使用壽命長(zhǎng)和不具記憶效應(yīng)等特性而備受關(guān)注。正極材料作為鋰電池的重要組成部分，其性能優(yōu)劣直接影響著鋰電池的綜合性能。傳統(tǒng)正極材料包括鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、鐵酸鋰，其中鈷酸鋰成本高、鎳酸鋰穩(wěn)定性差、錳酸鋰容量低、鐵酸鋰放電電壓低且振實(shí)密度低。為了解決上述問題，研究者們又開發(fā)出鎳鈷錳三元材料。在三元材料中，Ni有利于提高材料的可逆嵌鋰容量；Co 能使 Li+脫嵌更容易，提高材料的導(dǎo)電性能；Mn 不僅可以降低材料的成本，而且可以為材料提供穩(wěn)定的骨架，提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為了優(yōu)化三元材料的性能，需要嚴(yán)格調(diào)控材料中各金屬元素含量。
對(duì)于鎳鈷錳材料中元素含量測(cè)定的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)有5項(xiàng)，其中以電感耦合等離子發(fā)射光譜法（ICP-OES）為主，少部分采用化學(xué)法測(cè)定相應(yīng)金屬含量。相對(duì)于化學(xué)法，ICP-OES法具有操作簡(jiǎn)單、線性范圍廣、檢出限低、多元素含量同時(shí)測(cè)定等眾多優(yōu)勢(shì)。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)定的均為純度較高的物質(zhì)，而實(shí)際工藝生產(chǎn)過程中可能遇到鎳鈷錳三元材料與其他物質(zhì)的混合物，而且本文探討的樣品含有大量炭黑，常規(guī)的電熱板消解法很難將碳完全消解掉，而且浸提的效果也較差，而超級(jí)微波由于在反應(yīng)腔中通入氬氣，強(qiáng)行提高了酸的沸點(diǎn)，從而使得樣品的消解效果更好。因此，傳統(tǒng)鹽酸消解方法可能在消解實(shí)際工藝中間產(chǎn)物時(shí)無(wú)法起效，故而將樣品用硝酸-鹽酸混酸浸泡后用超級(jí)微波消解儀進(jìn)行消解，而后過濾測(cè)試消解液中各元素含量。
本應(yīng)用中心參考上述標(biāo)準(zhǔn)方法采用硝酸-鹽酸的混酸消解體系，利用超級(jí)微波化學(xué)工作站對(duì)樣品進(jìn)行消解，過濾得到濾出液，隨后利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法對(duì)鎳鈷錳消解液中的中鎳、鈷、錳、鋁、銅、鋰6種元素含量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定。
關(guān)鍵詞：超級(jí)微波、鋰電、三元材料、ICP-OES、雜質(zhì)元素
實(shí)驗(yàn)部分
儀器
表1 儀器選型及其配置
表2 電感耦合等離子發(fā)射光譜儀檢測(cè)參數(shù)
試劑及標(biāo)準(zhǔn)品
試劑：優(yōu)級(jí)純硝酸；
純水：18.2 MΩ·cm去離子水（25℃）；
標(biāo)準(zhǔn)溶液：Al、Li、Mn、Cu、Li、Ni-單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，1000 μg/mL，國(guó)家有色金屬研究院。
樣品前處理
樣品取0.1 g于消解管內(nèi)，加入適量鹽酸、硝酸。置于超級(jí)微波化學(xué)工作站中按照表3消解程序進(jìn)行樣品前處理。待消解完畢冷卻后將消解液倒入50毫升容量瓶中，并用超純水潤(rùn)洗消解管3~5次，潤(rùn)洗液一并轉(zhuǎn)移并定容至50 mL容量瓶，并用0.22μm的水相濾頭過濾再稀釋后上機(jī)測(cè)試。同法同步制取空白樣品和平行樣品。
表3 超級(jí)微波升溫消解程序
樣品狀態(tài)
表4 實(shí)際樣品消解前后狀態(tài)
測(cè)試結(jié)果
各元素線性系數(shù)均大于0.9998。重復(fù)11次空白實(shí)驗(yàn)，將各測(cè)定結(jié)果換算為樣品中的濃度，計(jì)算11次平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍并乘以稀釋倍數(shù)得到相應(yīng)的方法檢出限。制備7份平行樣進(jìn)行方法精密度測(cè)試，各元素內(nèi)精度RSD均小于0.3%。實(shí)際樣品中各元素加標(biāo)回收率為94.8% ~ 103%。
表5 測(cè)試結(jié)果
實(shí)際樣品測(cè)試
實(shí)際樣品中各元素含量測(cè)試結(jié)果如表5，鎳鈷錳三種元素的含量均在參考范圍以內(nèi)，表明該方法可有效應(yīng)用于鎳鈷錳三元材料中主要元素如鎳、鈷、錳、鋁、銅、鋰含量測(cè)試。
表5 實(shí)際樣品中待測(cè)元素含量測(cè)試結(jié)果（單位：%）
結(jié)語(yǔ)
樣品中各待測(cè)元素標(biāo)準(zhǔn)曲線線性系數(shù)均為1.00000，實(shí)際樣品中待測(cè)元素的內(nèi)精度測(cè)試RSD均小于0.3%，且實(shí)際樣品中各待測(cè)元素加標(biāo)回收率在94.8% ~ 103%范圍內(nèi)，元素檢出限范圍在0.03 ~ 0.61 mg/kg，表明樣品測(cè)試內(nèi)精度和準(zhǔn)確度結(jié)果良好，該方法可有效應(yīng)用于鎳鈷錳三元材料中鋁、鈷、銅、鋰、錳、鎳6種元素含量的測(cè)定。
設(shè)備與耗材方案
一、EXPEC 6500型ICP-OES 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)樣系統(tǒng)配置詳情
二、EXPEC 790S型超級(jí)微波化學(xué)工作站配置詳情
三、試劑及標(biāo)準(zhǔn)品
