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【熱點應用】ED-XRF分析鋰離子電池正極材料

發布時間:2022-03-17      點擊次數:227

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、儀器穩定性等常見評價指標外,實驗室安全和環保成本,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勢:

 

相對而言,XRFICP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酸很難消解樣品,無法實現準確且穩定地測量。因此,X射線熒光光譜技術(XRF)越來越多地被鋰電行業所接受并逐步應用。

 

近些年,快速發展的能量色散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、使用方便等優勢得到了許多行業檢測用戶的認可。但在鋰電行業還未得到廣泛應用,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,裝配了動態高通量X射線管、大面積高分辨SSD探測器和超高計數電路及全功能算法軟件。其光路采用緊湊設計,可以獲取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。

 

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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均在0.9999以上。其工作曲線如下:

 

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ICP穩定性對比實驗,Epsilon4 臺式能譜儀對前驅體容量進行多次測量,穩定性以及精密度均優于ICP。

 

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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Ni15-70%)、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均在0.9999以上。

 

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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據,其重復性RMS均小于0.01。

 

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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對比具有更優異的精密度以及穩定性。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。

 

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