【熱點應用】ED-XRF分析鋰離子電池正極材料

馬爾文帕納科 2022-03-17 11:51:12 216  瀏覽

• 鋰離子電池正極材料的容量和能量密度對電池的性能起著關鍵作用。而在正極材料的三元層狀結構中，元素配比對材料的性能具有至關重要的影響，因此對正極材料中各種元素的準確定量是電池研發(fā)生產關鍵技術之一。 

  使用何種分析手段去定量正極材料中的元素？要考慮諸多因素，除了檢測速度、準確度、儀器穩(wěn)定性等常見評價指標外，實驗室安全和環(huán)保成本，樣品前處理是否簡單？檢驗設備的易用性以及最小化人為誤差也是研發(fā)和生產質量控制中的不可忽視的問題。 

  目前，常用的鋰電池正極材料元素定量手段包括ICP-OES、ICP-MS、AAS以及XRF。 

  因正極材料樣品均質化的要求，ICP以及AAS需要液體進樣，所以樣品需要加入硝酸進行酸煮或微波消解成為液體。而這種前處理方法一方面存在消解不完全的情況，另一方面，廢酸的處理也增加了實驗室安全以及環(huán)保成本。此外，ICP方法只能分析痕量元素，所以樣品需要較大的稀釋倍數(shù)才能進樣，這樣也就帶來了較大的稀釋誤差。 

  這些檢測問題該如何解決呢？我們來看看X射線熒光光譜法（XRF）檢測鋰離子電池正極材料的幾點優(yōu)勢：

  相對而言，XRF與ICP相比可以直接進樣，不需要復雜的前處理步驟，檢測速度快。且樣品制備簡單：對于固體即可使用松散粉末直接進行測試，也可簡單壓片或進行玻璃熔珠測試；對于液體樣品，更可以使用液體杯直接原樣測試。 

  另一方面，XRF內部無復雜管路，光路簡單，不會產生污染以及堵塞風險，檢測濃度可以從ppm級至100%，對于正極材料而言，無論樣品中的主量元素還是微量元素都能夠進行準確定量，滿足生產控制檢測需求。

   

  EDXRF在鋰電行業(yè)正極材料中的應用

  正如上文所述，在實際生產過程中，正極材料因為摻雜或者碳包覆，其他檢測方法受制于常規(guī)酸很難消解樣品，無法實現(xiàn)準確且穩(wěn)定地測量。因此，X射線熒光光譜技術（XRF）越來越多地被鋰電行業(yè)所接受并逐步應用。 

  近些年，快速發(fā)展的能量色散X射線熒光光譜（EDXRF）技術作為XRF技術的前沿分支，以其體積緊湊、使用方便等優(yōu)勢得到了許多行業(yè)檢測用戶的認可。但在鋰電行業(yè)還未得到廣泛應用，究其主要原因，是由于普通能譜儀的檢測性能在缺乏標準品的情況下，無法滿足某些元素準確定量的檢測需求。 

  馬爾文帕納科作為X射線分析儀器的主要供應商，具有超過70年的行業(yè)經驗。在XRF產品的設計以及制造方面有豐富的經驗和獨特的技術。其推出的高性能臺式能譜儀 Epsilon4，裝配了動態(tài)高通量X射線管、大面積高分辨SSD探測器和超高計數(shù)電路及全功能算法軟件。其光路采用緊湊設計，可以獲取最高的信號靈敏度和更快的響應速度，充分滿足正極材料主量以及微量元素的測試需求。 

  
  

  應用實例一：前驅體溶液實驗分析

  主要針對Ni(0-120g/L)、Co(0-120g/L)、Mn(0-120g/L)三種主量元素，Epsilon4 臺式能譜儀擬合曲線相關系數(shù)均在0.9999以上。其工作曲線如下：

  與ICP穩(wěn)定性對比實驗，Epsilon4 臺式能譜儀對前驅體容量進行多次測量，穩(wěn)定性以及精密度均優(yōu)于ICP。

  
  

  應用實例二：NCM三元材料實驗分析

  該實驗是通過Epsilon4臺式能譜儀針對NCM三元材料Ni（15-70%）、Co(5-30%)、Mn(5-30%)三種主量元素，采用壓片和玻璃熔珠兩種不同的制樣方法進行重復性測試，Epsilon4 臺式能譜儀擬合曲線相關系數(shù)均在0.9999以上。

  實驗中，分別對三元材料的主量元素平行測試了10次，可以看到不論玻璃熔珠還是壓片的數(shù)據(jù)，其重復性RMS均小于0.01。

  綜上所述，馬爾文帕納科Epsilon4 臺式能譜儀分析速度快、準確度高。與ICP對比具有更優(yōu)異的精密度以及穩(wěn)定性。針對正極材料不同的配方還配有具體的定制方案，是鋰電行業(yè)正極材料元素分析檢測值得信賴的工具。

  馬爾文帕納科波長色散X射線熒光光譜儀因其強大的分析能力，除了滿足常規(guī)元素日常分析工作外，同樣可應用于鋰例子電池正極材料中的元素定量分析，且針對LiFePO4、NCM主量以及添加元素檢測均有具體的應用解決方案，我們將在下一篇推文“WD-XRF用于鋰離子電池正極材料分析”中具體介紹，敬請期待。