【熱點(diǎn)應(yīng)用】ED-XRF分析鋰離子電池正極材料

鋰離子電池正極材料的容量和能量密度對(duì)電池的性能起著關(guān)鍵作用。而在正極材料的三元層狀結(jié)構(gòu)中，元素配比對(duì)材料的性能具有至關(guān)重要的影響，因此對(duì)正極材料中各種元素的準(zhǔn)確定量是電池研發(fā)生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)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(cè)速度、準(zhǔn)確度、儀器穩(wěn)定性等常見評(píng)價(jià)指標(biāo)外，實(shí)驗(yàn)室安全和環(huán)保成本，樣品前處理是否簡(jiǎn)單？檢驗(yàn)設(shè)備的易用性以及最小化人為誤差也是研發(fā)和生產(chǎn)質(zhì)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(zhì)化的要求，ICP以及AAS需要液體進(jìn)樣，所以樣品需要加入硝酸進(jìn)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*的情況，另一方面，廢酸的處理也增加了實(shí)驗(yàn)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(jìn)樣，這樣也就帶來(lái)了較大的稀釋誤差。

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

相對(duì)而言，XRF與ICP相比可以直接進(jìn)樣，不需要復(fù)雜的前處理步驟，檢測(cè)速度快。且樣品制備簡(jiǎn)單：對(duì)于固體即可使用松散粉末直接進(jìn)行測(cè)試，也可簡(jiǎn)單壓片或進(jìn)行玻璃熔珠測(cè)試；對(duì)于液體樣品，更可以使用液體杯直接原樣測(cè)試。

另一方面，XRF內(nèi)部無(wú)復(fù)雜管路，光路簡(jiǎn)單，不會(huì)產(chǎn)生污染以及堵塞風(fēng)險(xiǎn)，檢測(cè)濃度可以從ppm級(jí)至100%，對(duì)于正極材料而言，無(wú)論樣品中的主量元素還是微量元素都能夠進(jìn)行準(zhǔn)確定量，滿足生產(chǎn)控制檢測(cè)需求。

EDXRF在鋰電行業(yè)正極材料中的應(yīng)用

正如上文所述，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，正極材料因?yàn)閾诫s或者碳包覆，其他檢測(cè)方法受制于常規(guī)酸很難消解樣品，無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確且穩(wěn)定地測(cè)量。因此，X射線熒光光譜技術(shù)（XRF）越來(lái)越多地被鋰電行業(yè)所接受并逐步應(yīng)用。

近些年，快速發(fā)展的能量色散X射線熒光光譜（EDXRF）技術(shù)作為XRF技術(shù)的前沿分支，以其體積緊湊、使用方便等優(yōu)勢(shì)得到了許多行業(yè)檢測(cè)用戶的認(rèn)可。但在鋰電行業(yè)還未得到廣泛應(yīng)用，究其主要原因，是由于普通能譜儀的檢測(cè)性能在缺乏標(biāo)準(zhǔn)品的情況下，無(wú)法滿足某些元素準(zhǔn)確定量的檢測(cè)需求。

馬爾文帕納科作為X射線分析儀器的主要供應(yīng)商，具有超過70年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。在XRF產(chǎn)品的設(shè)計(jì)以及制造方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)和*的技術(shù)。其推出的高性能臺(tái)式能譜儀 Epsilon4，裝配了動(dòng)態(tài)高通量X射線管、大面積高分辨SSD探測(cè)器和超高計(jì)數(shù)電路及全功能算法軟件。其光路采用緊湊設(shè)計(jì)，可以獲取高的信號(hào)靈敏度和更快的響應(yīng)速度，充分滿足正極材料主量以及微量元素的測(cè)試需求。

應(yīng)用實(shí)例一：前驅(qū)體溶液實(shí)驗(yàn)分析

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

與ICP穩(wěn)定性對(duì)比實(shí)驗(yàn)，Epsilon4 臺(tái)式能譜儀對(duì)前驅(qū)體容量進(jìn)行多次測(cè)量，穩(wěn)定性以及精密度均優(yōu)于ICP。

應(yīng)用實(shí)例二：NCM三元材料實(shí)驗(yàn)分析

該實(shí)驗(yàn)是通過Epsilon4臺(tái)式能譜儀針對(duì)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(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，Epsilon4 臺(tái)式能譜儀擬合曲線相關(guān)系數(shù)均在0.9999以上。

實(shí)驗(yàn)中，分別對(duì)三元材料的主量元素平行測(cè)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(fù)性RMS均小于0.01。

綜上所述，馬爾文帕納科Epsilon4 臺(tái)式能譜儀分析速度快、準(zhǔn)確度高。與ICP對(duì)比具有更優(yōu)異的精密度以及穩(wěn)定性。針對(duì)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(cè)值得信賴的工具。

馬爾文帕納科波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜儀因其強(qiáng)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(yīng)用于鋰?yán)与姵卣龢O材料中的元素定量分析，且針對(duì)LiFePO4、NCM主量以及添加元素檢測(cè)均有具體的應(yīng)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(qǐng)期待。