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使用安捷倫ICP-OES對石墨類負極材料中的18種雜質元素進行快速測定
閱讀：1771 發(fā)布時間：2019-9-19摘要：本文介紹了一種使用 Agilent 5110 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀 (ICP-OES) 分析石墨類 負極材料中多種雜質元素的方法，并對該方法進行了系統(tǒng)驗證,。該方法的加標回收率在 90%–110% 之間,，且 2.5 h 穩(wěn)定性實驗結果的相對標準偏差 (RSD) 小于 1.5%,，證明該方 法具有良好的準確度和穩(wěn)定性,，適用于對多品牌、多批次石墨類負極材料中的雜質元素進 行分析。
前言：負極材料作為鋰離子電池的四大材料之一，能夠可逆地進行脫/ 嵌鋰離子,。目前主流的負極材料仍然是石墨類負極材料,。隨著電 池能量密度的提升,，石墨類負極材料的容量利用率逐漸接近理論 值,，同時壓實密度越來越高，這就要求石墨類負極材料的穩(wěn)定性 也要隨之提高,。石墨類負極材料中的雜質含量對其穩(wěn)定性有著重 要影響,，因此如何有效測定并除去石墨類負極材料中的微量雜質 元素變得尤為重要。 鐵 (Fe) 元素的含量是石墨類負極材料等級劃分的重要指標之一： Fe 含量越低,，則級別越高,。因此 Fe 是目前石墨類負極材料中必 測的元素之一,。另外，為優(yōu)化電池的循環(huán)性能（提升充放電次 數(shù)）,，石墨類負極材料生產工藝中往往會進行包覆和摻雜流程， 而在這些流程中有可能引入其它元素。準確測定這些元素的含量 成為提升產品品質的前提,。 本文針對上述問題,，開發(fā)出一種快速,、準確地測定石墨類負極材 料中 Fe、Al,、As,、Ba,、Be,、Cd、Co,、Cr,、Cu,、K、Mg,、Mn,、 Na、Ni,、Pb,、Sr、V 和 Zn 等 18 種元素的 ICP-OES 方法,。
實驗部分 試劑,、標準品和樣品 高純硝酸和高純鹽酸購于蘇州晶瑞公司；10 mg/L 多元素標準溶 液 2A 購于安捷倫科技公司（部件號 8500-6940）,；實驗用水為 Millipore Milli-Q 超純水系統(tǒng)現(xiàn)制備的高純去離子水,；樣品為市售 產品。
儀器和設備 采用 Agilent 5110 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀 (ICP-OES)，該儀 器在水平觀測模式下測量低濃度雜質元素時具有較高的靈敏度,； 配備 Vista Chip II 檢測器,，處理速度達 1 MHz，整個波長范圍一 次測量一次讀出,，在 1 min 內即可完成所有元素譜線的測量,；該 儀器具有高通量、高靈敏度和寬動態(tài)范圍等特點,。 Milestone ETHOS ONE 微波消解儀,；Labtech VB24 趕酸儀； Mettler-Toledo MS204S 萬分之一電子天平,；Millipore Milli-Q 超純 水系統(tǒng),。
標準溶液和樣品溶液的配制 取 1 mL 多元素標準溶液 2A，用 2% (V/V) 硝酸溶液定容至 10 mL,， 配制成 1 mg/L 的標準系列 1 溶液,；分別取 50、100,、250,、 500 和 1000 μL 標準系列 1 溶液，用 2% (V/V) 硝酸溶液定容至 5 mL,，配制成 0.01,、0.02、0.05,、0.1 和 0.2 mg/L 系列標準 溶液,。 石墨類負極材料樣品消解步驟[1]：準確稱取石墨粉 0.5 g（到 0.0001 g），加入 5 mL 王水和 5 mL 去離子水,，放入微波消解儀 進行程序升溫。消解完成后,，冷卻至室溫,，開蓋后置于趕酸儀上 趕至近干,。然后轉移到 50 mL 塑料容量瓶中,，并用高純水定容至 刻度,。靜止后,，取上清液上機測量,。每個樣品設置 2 個平行試驗 組,、2 個加標組,，同時設置 2 個樣品空白組,。
儀器條件 觀測方式 水平觀測 炬管 標配一體化炬管 霧化器 SeaSpray 高鹽霧化器 霧化室 雙通道玻璃旋流霧化室 讀取時間 (s) 10 重復次數(shù) 3 樣品提升延遲 (s) 12 穩(wěn)定時間 (s) 10 快泵 (rpm) 60 泵速 (rpm) 12 RF 功率 (kW) 1.2 等離子體流速 (L/min) 12 輔助氣流速 (L/min) 1.0 霧化氣流速 (L/min) 0.65
結果與討論 標準曲線 在石墨類負極材料中的雜質元素分析中,，采用標準曲線法進行定 量分析,。通過標準曲線結果發(fā)現(xiàn)，所考察的 18 種元素的線性相 關系數(shù)均大于 0.9995,，這些元素的線性回歸方程和相關系數(shù)列于 表 1 中,，其中 Fe 元素的標準曲線示例見圖 1,。
方法檢測限,、樣品含量和加標回收率 在分析過程中連續(xù)測定 11 次樣品空白溶液,，由此計算得出方法 檢測限 (MDL),。本文所考察的 18 種雜質元素的方法檢測限如表 2 所示,。
長期穩(wěn)定性 采用石墨類負極樣品 B 的加標溶液（加標濃度均為 0.025 mg/L） 來進行長期穩(wěn)定性實驗,。樣品加標溶液連續(xù)測試 2.5 h,，所測得 的雜質元素結果的相對標準偏差 (RSD) 如表 4 所示,。從中可以看 出,，所考察的 18 種雜質元素的測定結果 RSD 均小于 1.5%,，表明 該方法在進行石墨類負極材料中雜質元素的分析時具有較好穩(wěn)定 性和可靠性,。
結論 目前國內鋰電池行業(yè)主要以 Fe 含量判斷石墨類負極材料的純度 級別，但其它金屬元素的含量也影響負極材料的品質,。本文建立 了石墨類負極材料中 18 種雜質元素（含 Fe 在內）同時檢測的方 法,，有效擴展了該材料純度評價的全面性,，并通過檢測限、加標 回收率和穩(wěn)定性實驗驗證了該方法的可靠性,，為今后更高純度負 極材料的定級提供了有力的方法支持,。