石墨類負(fù)極材料中多種雜質(zhì)元素電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀分析方法
本文介紹了一種使用(ICP-OES)分析石墨類負(fù)極材料中多種雜質(zhì)元素的方法,并對該方法進(jìn)行了系統(tǒng)驗證。該方法的加標(biāo)回收率在90%–110%之間,且2.5h穩(wěn)定性實驗結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于1.5%,證明該方法具有良好的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性,適用于對多品牌、多批次石墨類負(fù)極材料中的雜質(zhì)元素進(jìn)行分析。
負(fù)極材料作為鋰離子電池的四大材料之一,能夠可逆地進(jìn)行脫/嵌鋰離子。目前主流的負(fù)極材料仍然是石墨類負(fù)極材料。隨著電池能量密度的提升,石墨類負(fù)極材料的容量利用率逐漸接近理論值,同時壓實密度越來越高,這就要求石墨類負(fù)極材料的穩(wěn)定性也要隨之提高。石墨類負(fù)極材料中的雜質(zhì)含量對其穩(wěn)定性有著重要影響,因此如何有效測定并除去石墨類負(fù)極材料中的微量雜質(zhì)元素變得尤為重要。鐵(Fe)元素的含量是石墨類負(fù)極材料等級劃分的重要指標(biāo)之一:Fe含量越低,則級別越高。因此Fe是目前石墨類負(fù)極材料中必測的元素之一。另外,為優(yōu)化電池的循環(huán)性能(提升充放電次數(shù)),石墨類負(fù)極材料生產(chǎn)工藝中往往會進(jìn)行包覆和摻雜流程, 而在這些流程中有可能引入其它元素。準(zhǔn)確測定這些元素的含量成為提升產(chǎn)品品質(zhì)的前提。
本文針對上述問題,開發(fā)出一種快速、準(zhǔn)確地測定石墨類負(fù)極材料中Fe、Al、As、Ba、Be、Cd、Co、Cr、Cu、K、Mg、Mn、Na、Ni、Pb、Sr、V和Zn等18種元素的ICP-OES方法。
實驗部分試劑、標(biāo)準(zhǔn)品和樣品高純硝酸和高純鹽酸購于蘇州晶瑞公司;10mg/L多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液2A購于安捷倫科技公司(部件號8500-6940);實驗用水為Millipore Milli-Q超純水系統(tǒng)現(xiàn)制備的高純?nèi)ルx子水;樣品為市售產(chǎn)品。
儀器和設(shè)備采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀 (ICP-6800),該儀器在水平觀測模式下測量低濃度雜質(zhì)元素時具有較高的靈敏度;該儀器具有高通量、高靈敏度和寬動態(tài)范圍等特點。微波消解儀;趕酸儀;萬分之一電子天平;超純水系統(tǒng)。
標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品溶液的配制取1mL多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液2A,用2% (V/V)硝酸溶液定容至10mL,配制成1mg/L的標(biāo)準(zhǔn)系列1溶液;分別取50、100、250、500和1000μL標(biāo)準(zhǔn)系列1溶液,用2% (V/V)硝酸溶液定容至5mL,配制成0.01、0.02、0.05、0.1和0.2mg/L系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。石墨類負(fù)極材料樣品消解步驟:準(zhǔn)確稱取石墨粉0.5g(到0.0001g),加入5mL王水和5mL去離子水,放入微波消解儀進(jìn)行程序升溫。消解完成后,冷卻至室溫,開蓋后置于趕酸儀上趕至近干。然后轉(zhuǎn)移到50mL塑料容量瓶中,并用高純水定容至刻度。靜止后,取上清液上機(jī)測量。每個樣品設(shè)置2個平行試驗組、2個加標(biāo)組,同時設(shè)置2個樣品空白組。
結(jié)果與討論標(biāo)準(zhǔn)曲線在石墨類負(fù)極材料中的雜質(zhì)元素分析中,采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法進(jìn)行定量分析。通過標(biāo)準(zhǔn)曲線結(jié)果發(fā)現(xiàn),所考察的18種元素的線性相關(guān)系數(shù)均大于0.9995,這些元素的線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)列于表1中,其中Fe元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線示例見圖1。
方法檢測限、樣品含量和加標(biāo)回收率在分析過程中連續(xù)測定11次樣品空白溶液,由此計算得出方法檢測限(MDL)。本文所考察的18種雜質(zhì)元素的方法檢測限如表2所示。
長期穩(wěn)定性采用石墨類負(fù)極樣品B的加標(biāo)溶液(加標(biāo)濃度均為0.025mg/L)來進(jìn)行長期穩(wěn)定性實驗。樣品加標(biāo)溶液連續(xù)測試2.5h,所測得的雜質(zhì)元素結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)如表4所示。從中可以看出,所考察的18種雜質(zhì)元素的測定結(jié)果RSD均小于1.5%,表明該方法在進(jìn)行石墨類負(fù)極材料中雜質(zhì)元素的分析時具有較好穩(wěn)定性和可靠性。
結(jié)論:目前國內(nèi)鋰電池行業(yè)主要以Fe含量判斷石墨類負(fù)極材料的純度級別,但其它金屬元素的含量也影響負(fù)極材料的品質(zhì)。本文建立了石墨類負(fù)極材料中18種雜質(zhì)元素(含Fe在內(nèi))同時檢測的方法,有效擴(kuò)展了該材料純度評價的全面性,并通過檢測限、加標(biāo)回收率和穩(wěn)定性實驗驗證了該方法的可靠性,為今后更高純度負(fù)極材料的定級提供了有力的方法支持。
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