鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司
電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定鐵鎳錳酸鈉離子電池正極材料中的Ni,、Mn,、Fe,、Na,、Ti元素含量
檢測樣品:王水溶液
檢測項目:Ni Mn Fe Na Ti 元素含量
方案概述:目前,關(guān)于鈉離子電池正極材料的分析方法有重量法,、分光光度法和滴定法等,,這些方法幾乎都有分析程序長、操作較復雜,、只可單元素測定的缺點,。因此本文選用的鋼研納克Plasma3000型全譜電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀,具有可同時測定多種元素,、分析速度快,,檢出限低并且精密度良好,動態(tài)范圍寬等特點,。
Plasma 3000型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定鐵鎳錳酸鈉離子電池正極材料中的Ni,、Mn、Fe,、Na,、Ti元素含量
鈉離子電池(Sodium-ion battery),,是一種二次電池(充電電池),主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來工作,,與鋰離子電池工作原理相似。2022年度化學領域十-大新興技術(shù)之一,。在充放電過程中,,Na+在兩個電極之間往返嵌入和脫出:充電時,Na+從正極脫嵌,,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極,;放電時則相反。新款18650鈉離子電池,,借助了鈉離子轉(zhuǎn)移(而不是鋰離子)來存儲和釋放電能,。研究人員將這種特定的材料定位商業(yè)機密。鈉離子電池使用的電極材料主要是鈉鹽,,相較于鋰鹽而言儲量更豐富,,價格更低廉。由于鈉離子比鋰離子更大,,所以當對重量和能量密度要求不高時,,鈉離子電池是一種劃算的替代品。
與鋰離子電池相比,,鈉離子電池具有的優(yōu)勢有:
(1) 鈉鹽原材料儲量豐富,,價格低廉,采用鐵錳鎳基正極材料相比較鋰離子電池三元正極材料,,原料成本降低一半,;
(2) 由于鈉鹽特性,允許使用低濃度電解液(同樣濃度電解液,,鈉鹽電導率高于鋰電解液20%左右)降低成本,;
(3) 鈉離子不與鋁形成合金,負極可采用鋁箔作為集流體,,可以進一步降低成本8%左右,,降低重量10%左右;
(4) 由于鈉離子電池無過放電特性,,允許鈉離子電池放電到零伏,。鈉離子電池能量密度大于100Wh/kg,可與磷酸鐵鋰電池相媲美,,但是其成本優(yōu)勢明顯,,有望在大規(guī)模儲能中取代傳統(tǒng)鉛酸電池。
目前,,關(guān)于鈉離子電池正極材料的分析方法有重量法,、分光光度法和滴定法等,,這些方法幾乎都有分析程序長、操作較復雜,、只可單元素測定的缺點,。因此本文選用的鋼研納克Plasma 3000型全譜電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀,具有可同時測定多種元素,、分析速度快,,檢出限低并且精密度良好,動態(tài)范圍寬等特點,。
圖1:鈉離子電池原理圖
圖2:Plasma 3000電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀
儀器優(yōu)勢與特點
鋼研納克Plasma 3000電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀:
1. 觀測方向:徑向,、軸向;
2. 光學系統(tǒng):以中階梯光柵和棱鏡作為色散元件,,兩個元件色散方向交叉,,焦距400mm;
3. 譜線范圍:165nm~950nm,;
4. 光學分辨率:0.007nm(200nm處)隨波長增加而降低,;
5. 光室恒溫:38℃±0.1℃;
6. 測量速度很快,,全波長同時測量,;
7. 高速面陣CCD采集技術(shù),單次曝光獲取全部譜線數(shù)據(jù),,-45℃三級半導體制冷,;
8. 27.12MHz頻率提高信噪比,改善了檢出限,;
9. 自動匹配調(diào)節(jié),;
10. 全組裝式炬管,降低了維護成本,;
11. 計算機控制可變速12滾軸四通道蠕動泵,,具有快速清洗功能;
12. 實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定性良好:短期穩(wěn)定性 RSD ≤0.5% (1mg/L) ,;長期穩(wěn)定性:RSD ≤1.0%(4h,1mg/L),。
試劑、材料和設備
無特殊說明,,本標準中試驗所用水為GB/T 6682中規(guī)定的一級水,。
1. 鹽酸:優(yōu)級純ρ=1.19 g/mL;
2. 硝酸:優(yōu)級純ρ=1.42 g/mL,;
3. 王水溶液:1+3溶液(1單位體積硝酸與3單位體積鹽酸),,現(xiàn)配現(xiàn)用;
4. Ni,、Mn,、Fe,、Na各元素的標準溶液(濃度為1000μg/mL):為國家有證標準樣品,可保存1年,;
5. 聚四氟乙烯燒杯:250mL,;
6. 塑料容量瓶:100mL、250mL,,500mL,;
7. 單標線移液管:5mL、10mL,,25mL;
8. 刻度吸管:2mL,、5mL,、10mL;
9. 微量移液器:10μL-100μL,、100μL-1000μL,、1000-5000μL;
10. 氬氣:質(zhì)量分數(shù)≥99.99%,;
11. 電子天平:感量為0.0001g,。
樣品制備與前處理
參考GB/T 13732進行取樣或相關(guān)行業(yè)標準進行取樣和制樣。
稱取0.2000g樣品置于聚四氟乙烯燒杯中,,加入2mL硝酸,,6mL鹽酸,低溫加熱樣品,,冷卻后定容至50mL,,待測低含量元素Ti。
稱取0.05000g樣品置于聚四氟乙烯燒杯中,,加入2mL硝酸,,6mL鹽酸,低溫加熱樣品,,冷卻后定容至500mL,,待測高含量元素Na、Ni,、Mn,、Fe。
若樣品溶液濃度超過工作曲線范圍.則需要進行稀釋(參考儲備標準溶液的配置操作方法進行稀釋),,以確保待測樣品溶液濃度在標準曲線以內(nèi),。
儲備標準溶液的配制和系列標準溶液的配制
取 10.00mLNa、Ni,、Mn,、Fe標準溶液于50 mL容量瓶中,,加入2.00 mL硝酸,稀釋至刻度,,搖勻,,配制成Na、Ni,、Mn,、Fe濃度為200.00μg/mL的儲備標準溶液。再分別移取0~10mL儲備標準溶液定容到50mL,,制成梯度標準溶液,,見表1。
表1 Na,、Ni,、Mn、Fe元素標準曲線濃度
元素 | Na | Ni | Mn | Fe | |
移取體積 (mL) | 定容體積 (mL) | 標液濃度 (μg/mL) | 標液濃度 (μg/mL) | 標液濃度 (μg/mL) | 標液濃度 (μg/mL) |
0.00 | 50 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
0.50 | 50 | 2.00 | 2.00 | 2.00 | 2.00 |
1.00 | 50 | 4.00 | 4.00 | 4.00 | 4.00 |
2.50 | 50 | 10.00 | 10.00 | 10.00 | 10.00 |
5.00 | 50 | 20.00 | 20.00 | 20.00 | 20.00 |
7.50 | 50 | 30.00 | 30.00 | 30.00 | 30.00 |
10.00 | 50 | 40.00 | 40.00 | 40.00 | 40.00 |
取5.00 mL Ti標準溶液于100 mL容量瓶中,,加入2.00 mL硝酸,,稀釋至刻度,搖勻,,配制成濃度為50.00μg/mL的儲備標準溶液,。再分別移取0~10mL儲備標準溶液定容到50mL,制成Ti梯度標準溶液,,見表2,。
表2 Ti元素標準曲線濃度
元素 | Ti | ||
移取體積(mL) | 定容體積(mL) | 標液濃度(μg/mL) | |
0.00 | 50 | 0.00 | |
0.20 | 50 | 0.20 | |
0.50 | 50 | 0.50 | |
1.00 | 50 | 1.00 | |
2.00 | 50 | 2.00 | |
4.00 | 50 | 4.00 | |
6.00 | 50 | 6.00 |
儀器設備參數(shù)
測試前把儀器調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。
表3 儀器設備參數(shù)
儀器工作參數(shù) | 設定值 | 儀器工作參數(shù) | 設定值 |
射頻功率/W | 1100 | 輔助氣流速/L·min-1 | 0.5 |
冷卻氣流速/L·min-1 | 13.5 | 蠕動泵轉(zhuǎn)速/RPM | 20 |
載氣流速/L·min-1 | 0.94 | 曝光時間/s | 8 |
結(jié)果與討論
待測元素譜線選擇
在測定中,,遵循低含量元素用靈敏線,,高含量元素次靈敏線的原則,從基體干擾和背景校正兩方面考慮選出各元素的最佳測定譜線(見表4),??紤]光譜干擾和背景影響確定分析譜線,選擇靈敏度高且無共存元素干擾的譜線作為分析線,,對多數(shù)低含量分析元素采用扣除背景方式進行測定,。
表4 待測元素譜線選擇和元素條件
元素 | 最佳分析譜線/nm | 線性方程 | 相關(guān)系數(shù) |
Ti | 336.121 | I=35883.985 * x +388.757 | 0.9999811 |
Na | 589.592 | 10972.824 * x +2884.655 | 0.9998733 |
Ni | 231.604 | 901.773 * x +168.326 | 0.9997663 |
Mn | 293.931 | I=10244.575 * x +2333.007 | 0.9997335 |
Fe | 259.940 | I=6978.500 * x +1364.655 | 0.9997504 |
圖3:Ni元素譜圖及工作曲線
圖4:Fe元素及工作曲線
圖5:Mn元素及工作曲線
圖6:Ti元素及工作曲線
圖7:Na元素及工作曲線
從各元素譜圖和線性關(guān)系來看,符合方法學要求,,均滿足測試的需要,。
方法檢出限和加標回收率
在儀器最佳工作條件下對標準溶液系列的空白溶液連續(xù)測定11次,以3倍標準偏差計算方法中待測元素檢出限,。對樣品中不同元素進行不同濃度水平的加標試驗,,其加標回收率在97~103%之間,結(jié)果見表5。
表5 方法檢出限和加標回收率
分析元素 | 檢出限/% | 樣品測定值量/% | 加標值/% | 加標測定值/% | 回收率/% |
Ti | 0.0003 | 0.010 | 0.005 | 0.0149 | 98.0 |
Na | 0.0195 | 20.64 | 2.00 | 22.60 | 98.0 |
Ni | 0.0135 | 19.67 | 2.00 | 21.72 | 102.5 |
Mn | 0.0020 | 23.19 | 2.00 | 25.23 | 102.0 |
Fe | 0.0075 | 8.97 | 2.00 | 10.91 | 97.0 |
從回收率看此方法準確度可控,,能夠滿足鐵鎳錳酸鈉離子電池正極材料的分析要求,。
結(jié)論
采用鋼研納克Plasma 3000型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀建立鐵鎳錳酸鈉離子電池正極材料中的元素Ni、Mn,、Fe,、Na、Ti的測定方法,,該方法經(jīng)過加標回收率驗證,,其測試結(jié)果在允許差范圍內(nèi),可實現(xiàn)快速準確測定鐵鎳錳酸鈉離子電池正極材料中的元素Ni,、Mn,、Fe、Na,、Ti的含量,。
相關(guān)產(chǎn)品清單
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