對電池材料進(jìn)行元素的定量檢測,、固態(tài)電池深度剖面檢測、了解元素的分布……這些分析對新電池的質(zhì)量控制,、評估潛在污染和新電池結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義。

典型的基于溶液的元素分析技術(shù),，如ICP-OES和ICP-MS,，不能揭示元素分布的信息。另一種流行的元素分析技術(shù)XRF,，不能覆蓋鋰離子電池電極中的重要元素,，如Li、B,、C,、O,、F和N。其他表面和深度分析技術(shù),，如二次離子質(zhì)譜（SIMS）,、輝光放電質(zhì)譜（GD-MS）、俄歇電子能譜儀（AES）和X射線光電子能譜（XPS）,，是復(fù)雜的需要真空的儀器,，檢測速度慢且價格昂貴。

下面為大家介紹一種新型分析鋰離子電池組件的有效工具——LIBS結(jié)合LA-ICP-MS的復(fù)合系統(tǒng),，具體應(yīng)用如下：

電池材料——定量分析

方法條件：正極材料粉末被壓成30mm的壓片,。使用266 nm納秒激光器，激光光斑大小為200μm,，選取9個采樣點(3×3網(wǎng)格)分析每個樣品,。LIBS光譜的采集范圍為185 ～ 1050 nm，為了便于觀察,，僅顯示以下光譜區(qū)域,。

圖1. LIBS光譜顯示Ni, Mn, Co, Ca, Li的檢測

使用LA-ICP-MS分別對A、B,、C樣品中Al,、Ca、Cr,、Fe,、Zn、Ga,、Sr,、Zr、Nb,、Sb元素進(jìn)行分析,。

表1.使用整個LIBS光譜建立的Li、Ni,、Co和Mn多元校準(zhǔn)模型的準(zhǔn)確性和精密度

固態(tài)電池——深度剖析

方法條件：使用266 nm納秒激光器,，激光光斑大小為250μm，重復(fù)頻率10 Hz,，能量4.5 mJ,，氦氣流量1.0 L/min凈化樣品室，400次激光脈沖(從每次激光脈沖收集光譜),。

圖2. (左)一般固態(tài)鋰離子電池結(jié)構(gòu),；

(右)樣品2深度剖面Li、Co和Si的LIBS譜圖

圖3. (左)樣品1深度剖面Li、Co,、Cu和Si的LIBS譜圖

(右) 深度剖面O和H的LIBS譜圖

面積為100 mm²的采樣區(qū)域,，選取400個采樣點(20×20網(wǎng)格)，采樣點間距0.5mm,，每個位置400次激光脈沖剝蝕,，繪制元素等高線。剝蝕前的光學(xué)圖像和50,、100,、150、200,、250,、300次激光脈沖剝蝕下Li的元素分布圖如下所示。

表2. 固體鋰離子電池的深度檢測

*使用Zygo顯微鏡(白光干涉) 深度測量,。

正極/負(fù)極——化學(xué)元素分布圖

通過LIBS儀器檢測氟(F 685.6 nm),、碳(C 247.9 nm)和銅(Cu 324.7 nm)的分布。下面顯示的是混合了52分鐘的石墨,、AB,、PVDF樣品元素分布圖(88.78%石墨，3.07% AB, 8.20% PVDF),。

圖5.混合時間對鋰電池負(fù)極樣品中粘結(jié)劑分布的影響

總結(jié)：

美國應(yīng)用光譜公司（Applied Spectra Inc.,，ASI）*的J200 LA-LIBS復(fù)合系統(tǒng)將LIBS與LA-ICP-MS結(jié)合使用，該系統(tǒng)在鋰電池行業(yè)中的應(yīng)用具有如下特點：

• 提供了同時進(jìn)行LA-ICP-MS和LIBS測量的能力,；
• 幾乎能夠同時檢測整個元素周期表中的所有元素（LIBS可用于H- Pu的分析,，其中包括在傳統(tǒng)ICP-MS系統(tǒng)難以分析的H、N,、O和鹵素等非金屬元素,，LA-ICP-MS提供微量元素和同位素比信息，對LIBS分析進(jìn)行補充）,；
• 超寬的濃度檢測范圍（亞ppb ～ %）,；
• LA-ICP-MS提供檢測低濃度污染物和添加劑的能力；
• 提供了一個快速深度剖析工具,，還可以檢測傳統(tǒng)技術(shù)難以檢測的元素,，如F、H,、N和O,；
• 采用多元校正模型對Li、Co,、Ni和Mn獲得了較好的準(zhǔn)確度(-1.3 - 7.9%)和精密度(0.3 - 2.2%)；
• 元素分布圖能提供成品電池產(chǎn)品的質(zhì)量信息；
• 固態(tài)鋰離子電池的深度分辨率為200 ～ 450nm（每次脈沖激光剝蝕深度）,；
• 允許快速的收集和處理數(shù)據(jù)(秒-分鐘),。
• 數(shù)據(jù)分析軟件能夠同時使用LIBS和LA-ICP-MS數(shù)據(jù)快速繪制元素分布圖；
• 數(shù)據(jù)分析軟件包可以方便快捷地繪制基于全LIBS光譜的多變量校準(zhǔn)曲線,。