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SWORD 500 ICP-OES光譜儀測定鋰電池正極漿料實例
來源:中科諦聽
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作者:市場部
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發布時間 :2024-11-13
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磷酸鐵鋰因其安全性和長循環壽命廣泛用于鋰電池正極材料。然而，材料中雜質金屬（如銅、鋅、鈣等）在電池充放電過程中會引發副反應，影響電池性能。因此，對磷酸鐵鋰中微量雜質元素的準確檢測顯得尤為重要。本實驗采用電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES），結合實驗電熱板酸消解法對樣品進行前處理，通過實驗確定了樣品消解及測定條件，確保樣品中各元素的有效檢測。該方法為高效準確分析鋰電池材料中的金屬雜質提供了新思路，并支持材料純度的質量監控。
本實驗通過電熱板消解法結合ICP-OES光譜技術，對鋰電池正極材料磷酸鐵鋰中的雜質元素進行分析。使用HT-300實驗電熱板進行樣品酸消解，隨后采用DITEE SWORD 500 ICP-OES光譜儀對鈣、鎂、鋅、銅、鈉等元素含量進行測定。該方法滿足樣品基體復雜、雜質含量低的分析需求，為高效、精準檢測鋰電池材料中金屬雜質提供了可靠的解決方案。
實驗方法
一、前處理方法——電熱板消解法
樣品類型：鋰電池正極漿料（磷酸鐵鋰）
重量：0.25g、0.5g
1.方法概要：
1.1 樣品加入鹽酸后充分振蕩，讓樣品都浸泡于酸中。
1.2 將消解液加熱至微沸，持續5min。
1.3 取下冷卻后，過濾沖洗，用純水定容。
2. 實驗儀器和試劑：
2.1 電感耦合等離子體原子發射光譜儀（DITEE SWORD 500）
2.2 實驗電熱板(格丹納 HT-300)
2.3 錐形瓶（100mL）
2.4 分析天平和稱量紙
2.5 校準過的移液槍（5mL）
2.6 校準過的容量瓶（100 mL、250mL）
2.7 鹽酸（37%）
2.8 去離子純水
DITEE ICP-OES原子發射光譜儀
DITEE ICP-OES光譜儀是一款高靈敏度、多元素分析儀，采用先進的羅蘭光學系統和科研級CMOS檢測器，實現180-870nm的全譜采集，適合復雜基體樣品的多元素分析。
電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES）
產品優勢：
高靈敏度：適合痕量和低含量元素檢測。
全譜采集：快速、同步檢測多元素，效率高。
穩定性強：恒溫控制和高精度光學系統，適應多種實驗環境。
HT-300實驗電熱板
HT-300實驗電熱板采用玻璃陶瓷加熱面，具有良好的耐酸堿腐蝕和均勻加熱性能，是樣品酸消解的理想選擇。
電熱板優勢：
均勻加熱：確保樣品充分消解，減少誤差。
高安全性：內置熱警示功能，防止誤操作引發高溫危險。
節省時間：大加熱面積支持多樣品同步處理，效率高。
3. 步驟：
3.1 于分析天平稱取樣品0.25g和0.5，分別加入100mL錐形瓶中。
3.2 往樣品中加入20.0mLHCl，充分振蕩，并以同樣條件做一份試劑空白。
3.3 將樣品蓋上表面皿，放置于HTL-300EX微晶電熱板上。
3.4 設置溫度為140度，樣品微沸后保持5min（若劇烈沸騰則降低溫度）。
3.5 關閉HTL-300EX微晶電熱板，讓樣品冷卻至室溫（大約30分鐘）。
3.6 用定性濾紙過濾樣品，并用純水沖洗濾渣5次。
3.7 將消解液倒入容量瓶中（稱樣量為0.25g的倒入250mL容量瓶；稱樣量為0.5g的倒入100mL容量瓶），用純水定容至刻度線待測。
4. 參考方法：
YS/T 1028.5-2015磷酸鐵鋰化學分析方法 第五部分：鈣、鎂、鋅、銅、鉛、鉻、鈉、鋁、鎳、鈷、錳量的測定 電感耦合等離子體原子發射光譜法。
二、上機操作與數據處理
1.儀器技術指標如下表：
項目 | 指標 |
儀器 | 中科諦聽ICP-OES光譜儀 2號機 |
安裝類型 | 臺式機 |
羅蘭光室 | 全一級譜線檢測 |
羅蘭圓焦距 | 500mm |
波長范圍 | 180-870nm |
恒溫 | 35℃±0.5℃ |
光柵刻線 | 2700L/mm |
光學分辨率 | 0.006nm |
狹縫寬度 | 15μm |
檢測器類型 | 科研級CMOS |
檢測器數量 | 24塊 |
檢測器像素 | 2048像素 |
矩管觀測方式 | 徑向 |
觀察高度 | 矩管口上端25px |
積分時間 | 100ms |
動態范圍 | ＞109 |
2.曲線配制：
根據樣品性質移取5份不同體積的100mg/L待測元素的混合標準溶液于6個100mL容量瓶中，用5%鹽酸定容至刻度線，同時以相同條件做曲線空白。
3. 儀器操作：
3.1 打開儀器電源開關和氬氣閥，將進樣管插入純水中。
3.2 在開機觸摸屏上點擊閥門圖標，按以下表格設置吹掃氣流量：
參數 | 數值 |
吹掃冷卻氣流量 | 16.00L/min |
吹掃輔助氣流量 | 1.00L/min |
吹掃載氣流量 | 1.00L/min |
3.3 返回到主頁面，點擊觸摸屏上流量計圖標，設置載氣流量為1L/min并點擊開啟。吹掃大約1min。
3.4 返回到主頁面，將輔助氣、冷卻氣和質量流量計分別關閉。
3.5 返回到主頁面，點擊自動點火，待等離子體點燃，點火成功。
3.6 按以下表格設置工作條件
參數 | 數值 |
工作冷卻氣流量 | 12.00L/min |
工作輔助氣流量 | 1.00L/min |
工作載氣流量 | 0.75L/min |
RF功率 | 1200W |
泵速 | 150(5mL/min) |
3.7讓儀器預熱約10min，打開操作軟件，點擊設置，確定后建立通訊。
3.8 點擊右上角曲線維護，根據測試需求選擇待測元素和曲線濃度點，在上方命名完成后，點擊打開。
3.9 將樣品管插入曲線點溶液中，等大約15s溶液進入霧化器后點擊開始，從小到大依次測試曲線點溶液，完成曲線繪制。
3.10點擊打開任務，選擇新增，命名并選擇剛剛完成的曲線。
3.11 選擇添加樣品，命名后將樣品管插入樣品溶液中，等大約15s溶液進入霧化器，等大約15s溶液進入霧化器后點擊開始。讀數完成后繼續添加樣品，依次完成空白和樣品溶液的讀數。
3.12測試完成后，將樣品管插入純水中，沖洗儀器約3-5min，點擊自動點火，關閉等離子體。
3.13 將樣品管取出，點擊觸摸屏上蠕動泵圖標，開啟蠕動泵，將霧化器中溶液排空，關閉蠕動泵，儀器電源，氣閥。
三、數據處理
1、數據計算：
從儀器上讀取空白和樣品的數據，根據以下公式計算出樣品的質量分數：
式中：
Wx —待測元素在試樣中的質量分數(%)。
c —試樣消解液儀器原始讀數(mg/L)。
c0 —空白消解液儀器原始讀數(mg/L)。
V —消解液定容體積(mL)。
m —試樣稱樣質量(g)。
2、數據統計及解讀
2.1 標準偏差與加標回收率：
元素 | 結果1 (%) | 結果2 (%) | 結果3 (%) | 平均值 (%) | 標準偏差SD值(%) | 加標回收率 (%) |
Cu | 0.0020L | 0.0020L | 0.0020L | 0.0020L | 0.0000 | 105 |
Zn | 0.0052 | 0.0054 | 0.0054 | 0.0053 | 0.0001 | 101 |
Ca | 0.0946 | 0.0946 | 0.0927 | 0.0940 | 0.0011 | 95.6 |
Na | 0.0554 | 0.0593 | 0.0583 | 0.0577 | 0.0020 | 94.2 |
標準偏差與加標回收率統計
2.2 比對結果：
元素 | 諦聽ICP測得含量(%) | 北測譜育ICP測得含量(%) |
Cu | 0.0020 | 0.0020 |
Zn | 0.0053 | 0.0053 |
Ca | 0.0940 | 0.0994 |
Na | 0.0577 | 0.0455 |
中科諦聽ICP-OES光譜儀與其它ICP比對結果統計
四、分析條件的選擇
1、樣品特點：
磷酸鐵鋰是一種重要的鋰離子電池正極材料，但是銅、鋅等雜質金屬離子的存在會導致電池在充放電過程中發生副反應。樣品鹽分高，雜質含量低，基體干擾嚴重。
2、工作參數選擇的原因：
按工作條件：冷卻氣流量12L/min；輔助氣流量1L/min；載氣流量0.75L/min；RF功率1200W；泵速150的條件按照標準《GB/T 36244-2018 電感耦合等離子體原子發射光譜儀》的要求對元素鋅、鎳、錳、鉻、銅、鋇的檢出限、重復性和穩定性進行測試，結果均滿足標準中的限值要求。
3、霧化導入的選擇
耗材圖片 | 耗材名稱 | 備注 |
| 矩管 | 長度190mm 直徑20mm |
| 矩管帽 | 直徑24mm，高度25mm |
| 霧化器 | 直徑6mm長度67mm |
| 霧化室 | 直徑52mm 高度 82mm |
五、干擾校正
1、本次樣品光譜干擾
1.1、元素譜線選擇：消解液中含有大量的鋰、鐵和磷元素，但是三個元素的譜線對待測元素的主要譜線無干擾，因鈣的譜線Ca(393.366nm)強度大易飽和，鈣元素的測定選用譜線Ca(317.933nm)來進行。譜線選擇如下表：
元素 | 譜線(nm) | 積分像素 | 是否有干擾 |
Cu | 324.754 | 5 | 否 |
Zn | 213.856 | 5 | 否 |
Ca | 317.933 | 5 | 否 |
Na | 589.592 | 5 | 否 |
1.2 四種元素的測試曲線圖：
2、本次樣品非光譜干擾。
在結果的計算中減去空白值，可用于排除基體干擾，此外使用徑向觀測的ICP-OES光譜儀比使用軸向觀測的設備的穩健性高。減小基體效應，可以簡化分析并提高準確度。
六、引用
此前處理方法參考標準YS/T 1028.5-2015磷酸鐵鋰化學分析方法 第五部分：鈣、鎂、鋅、銅、鉛、鉻、鈉、鋁、鎳、鈷、錳量的測定 電感耦合等離子體原子發射光譜法。