Plasma 3000型全譜電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜測定鋰電池負(fù)極材料石墨中磁性物質(zhì)的含量

近年來,，隨著鋰離子電池在動力電池與儲能領(lǐng)域方面的廣泛應(yīng)用,，高能量密度,、高電位與高安全性能已成為未來主要發(fā)展趨勢,。其中,，安全性能是鋰離子電池的關(guān)鍵性能指標(biāo),，由于鋰離子電池的安全性能問題而引起電磁著火,、爆炸造成人身傷害與財(cái)務(wù)損失的報(bào)道屢見不鮮。鋰離子電池材料的生產(chǎn)過程中不可避免的會引入一些磁性物質(zhì),，這些磁性物質(zhì)以極微小顆粒狀態(tài)存在。這類磁性物質(zhì)顆粒會嚴(yán)重影響電池的安全性能與可靠性,。

磁性物質(zhì)顆粒在鋰離子電池充放電過程中，電解質(zhì)中的有機(jī)物質(zhì)會以磁性顆粒為基體團(tuán)聚生長形成棱角或尖刺，同時(shí),，這種磁性顆粒會先在正極氧化，再到負(fù)極還原,，磁性顆粒在運(yùn)動過程中有可能會刺穿電池隔膜,，造成電池內(nèi)部短路后急劇自放電，引起電池發(fā)熱、燃燒、甚至爆炸,。因此,，有必要對正負(fù)極的中磁性進(jìn)行檢測和控制,。

圖1：人造石墨

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(diǎn)

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(xué)系統(tǒng)：以中階梯光柵和棱鏡作為色散元件,，兩個(gè)元件色散方向交叉,，焦距400mm,；

3. 譜線范圍：165nm~950nm,；

4. 光學(xué)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(shí)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(dǎo)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(hù)成本；

11. 計(jì)算機(jī)控制可變速12滾軸四通道蠕動泵,，具有快速清洗功能,；

12. 實(shí)驗(yàn)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(shè)備

無特殊說明,，本標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)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 =1.50 g/mL,；

3. 乙醇：分析純ρ =0.80 g/mL,；

4. 鐵、鈷,、鉻、鎳,、鋅元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液（濃度為1000μg/mL）：為國家有證標(biāo)準(zhǔn)樣品,，可保存1年；

5. 玻璃燒杯：250mL,；

6. 塑料容量瓶：25mL,、50mL；

7. 微量移液器：10uL-100uL,、100uL-1000uL,、1000-5000uL；

8. 氬氣：質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.99%,；

9. 電子天平：感量為0.0001 g,；

10. 磁棒：磁場強(qiáng)度為6000GS，直徑17nm,，長度52nm,，聚四氟乙烯材料，耐強(qiáng)酸堿。

樣品制備與前處理

按照GB/T 33827-2017或相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取樣和制樣,。

稱取50.00g樣品于樣品罐中,，加入75毫升無水乙醇，蓋緊充分搖勻后置于搖床上搖晃30min,；結(jié)束后取出磁棒裝進(jìn)燒杯中,，用純水清洗后加入50毫升無水乙醇，超聲一分鐘后再用純水清洗磁棒和燒杯3次,；清洗完畢后向裝有磁棒的燒杯加入1.5毫升硝酸和4.5毫升鹽酸,，加水將磁棒浸沒，置于電熱板上加熱并保持微沸30min,，加熱過程中需搖晃不少于3次,，盡量使酸液覆蓋磁棒的表面，加熱完畢后取下冷卻至室溫,，定容至25毫升容量瓶中,，搖勻待測。

圖3： 樣品處理過程

圖4 ：磁棒取出過程示意圖

儲備標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制和系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

各取2.00mL鐵,、鈷,、鉻、鎳,、鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液于50mL容量瓶中,，加入2毫升硝酸，定容備用,。配制成濃度為40.00μg／mL的混合儲備標(biāo)準(zhǔn)溶液,。再分別準(zhǔn)確量取混合儲備標(biāo)準(zhǔn)溶液液0.00mL、0.125mL,、0.25mL,、0.625mL、1.25mL,、2.5mL,、6.25mL置于7個(gè)50mL容量瓶中，各加入2.00mL硝酸,，定容,，配制成不同鐵、鈷,、鉻,、鎳、鋅元素濃度為0.00ug/mL,、0.10ug/mL,、0.20ug/mL,、0.50ug/mL、1.00ug/mL,、2.00ug/mL,、5.00ug/mL的標(biāo)樣空白及系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，待測溶液中離子含量應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍之內(nèi),。

儀器設(shè)備參數(shù)

檢測前把儀器調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài),。

表1 儀器設(shè)備參數(shù)表

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2)。由于已進(jìn)行基體匹配,，只考慮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(jìn)行測定,。

表2 待測元素譜線選擇和元素條件

圖5：Fe元素譜圖和工作曲線

圖6：Co元素譜圖和工作曲線

圖7：Cr元素譜圖和工作曲線

圖8：Ni元素譜圖和工作曲線

圖9：Zn元素譜圖和工作曲線

從各元素譜圖和線性關(guān)系來看,，符合方法學(xué)要求，均滿足測試的需要,。

方法檢出限和精密度

在儀器最佳工作條件下對標(biāo)準(zhǔn)溶液系列的空白溶液連續(xù)測定11次,，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算方法中待測元素檢出限。對待測樣品中不同元素進(jìn)行不同濃度水平的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn),。結(jié)果顯示,，在不同濃度水平下的樣品加標(biāo)回收率范圍為98%~100%，見表3,。

表3 檢出限和精密度檢測數(shù)據(jù)

注明：標(biāo)*數(shù)據(jù)低于檢出限

結(jié)論

鋼研納克生產(chǎn)的Plasma 3000型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀在測定鋰離子電池負(fù)極材料石墨中的磁性物質(zhì)時(shí)能夠提供良好的整機(jī)穩(wěn)定性,，確保元素分析的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，有助于鋰電行業(yè)實(shí)現(xiàn)高效快速的元素檢測,。