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使用 ICP-OES 分析鈉電池正極材料中的主含量元素
閱讀：302 發(fā)布時(shí)間：2025-2-26前言隨著全球碳中和時(shí)代的到來，新能源領(lǐng)域近年來發(fā)展迅速。目前，鋰電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于動(dòng)力汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)中。而新一代鈉電池由于具有更低的成本和采用更容易獲取的原材料，正逐漸發(fā)展壯大。鈉電池正極材料主要分為三種技術(shù)路線，即層狀氧化物、普魯士藍(lán)類和聚陰離子正極材料，而每一種技術(shù)路線的正極材料又可細(xì)分為多種類型。目前比較有代表性的正極材料為層狀氧化物，主要包括 Co、Cu、Mn、Fe、Ni、Ti、V 和 Cr 等金屬氧化物[1]。采用常規(guī) ICP-OES電感耦合等離子體光譜儀 測(cè)定鈉電池正極材料中的主含量元素或?qū)?yīng)的摩爾百分比時(shí)，容易出現(xiàn)較大偏差，不利于控制產(chǎn)品質(zhì)量。本研究基于安捷倫 ICP-OES 所具有的超高穩(wěn)定性，開發(fā)出一種測(cè)定層狀氧化物中主含量元素及摩爾比的方法。該方法具有出色的線性范圍、精密度和穩(wěn)定性，可滿足日常測(cè)定要求。
實(shí)驗(yàn)部分試劑和樣品鹽酸為電子級(jí)，購于 VWR 試劑公司；所用實(shí)驗(yàn)用水為 MilliporeMilli-Q 超純水系統(tǒng)現(xiàn)制備的高純?nèi)ルx子水；10000 µg/mL Cu、Fe、Mn 和 Ni 單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液品由安捷倫提供（部件號(hào)分別為5190-8378、5190-8402、5190-8414 和 5190-8422）。樣品為人工合成的擬鈉電池層狀氧化物消解溶液，用于模擬鈉電池層狀氧化四元正極材料樣品，其組成約為：Cu 578.1 µg/mL、Fe 511.4 µg/mL、Mn 751.1 µg/mL 和 Ni 804.7 µg/mL。上機(jī)測(cè)試前，將該溶液用 1% HCl 介質(zhì)稀釋 100 倍。儀器和設(shè)備采用 Agilent 5800 ICP-OES 系統(tǒng)（部件號(hào) G8018AA），配備如下安捷倫模塊：垂直雙向觀測(cè)系統(tǒng)、5 通道蠕動(dòng)泵、雙通道玻璃進(jìn)樣系統(tǒng)、高精度氣體質(zhì)量流量計(jì)、高精度恒溫光室（溫度波動(dòng) ± 0.1 °C）、專有中階梯光柵分光系統(tǒng)和 VistaChip III CCD 檢測(cè)器。儀器操作條件見表 1。
標(biāo)準(zhǔn)品配制分別移取不同質(zhì)量/體積標(biāo)準(zhǔn) Cu、Fe、Mn 和 Ni 單標(biāo)溶液，以1% HCl 為介質(zhì)，配制得到 50 mL，濃度分別為 0、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0 µg/mL (ppm) 的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。
結(jié)果與討論校準(zhǔn)曲線和背景校正表 2 為 0.0–25.0 µg/mL 濃度范圍內(nèi) Cu、Fe、Mn 和 Ni 元素分析波長、背景校正方式、校準(zhǔn)曲線線性回歸方程和線性相關(guān)系數(shù)匯總表。從中可以看到，采用 5800 ICP-OES 系統(tǒng)默認(rèn)的自動(dòng)擬合背景校正方式，所獲得的四種目標(biāo)元素的校準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)均大于 0.9999，表明該方法在 0.0–25.0 µg/mL 的濃度范圍內(nèi)具有良好的線性。
精密度精密度可反映測(cè)定數(shù)據(jù)的短期穩(wěn)定性。樣品進(jìn)行了 10 次精密度測(cè)試，結(jié)果見表 3。從表中可以看到，在無內(nèi)標(biāo)校正的情況下，Cu、Fe、Mn 和 Ni 元素摩爾百分比 (mol%) 極差（即最大值 – 最小值）均 < 0.05%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 (RSD) 均 ≤ 0.06%，表明該方法能有效控制主含量元素摩爾百分比誤差，具有出色的精密度。
長期穩(wěn)定性針對(duì)于主含量元素測(cè)定長期穩(wěn)定性偏差大的難題，樣品進(jìn)行了4 h 穩(wěn)定性測(cè)試。為方便展示測(cè)定過程中數(shù)據(jù)波動(dòng)的情況，分別將Cu、Fe、Mn 和 Ni 元素的實(shí)測(cè)摩爾百分比減 20%、20%、30%、30%，結(jié)果如圖 1 和表 4 所示。從中可以看出，4 h 內(nèi) Cu、Fe、Mn 和 Ni 元素的摩爾百分比極差分別為 0.12%、0.07%、0.12%和 0.14%，表明測(cè)定結(jié)果波動(dòng)極小，該方法具有出色的長期穩(wěn)定性。
除摩爾百分比以外，4 h 內(nèi)各目標(biāo)元素的測(cè)定濃度 RSD 均小于0.5%，濃度極差值均小于 12.00 µg/mL，表明儀器在連續(xù)多個(gè)小時(shí)的測(cè)定情況下，具有優(yōu)異的表現(xiàn)。
結(jié)論本文介紹了一種采用安捷倫高性能 5800 ICP-OES 系統(tǒng)定量分析鈉電池正極材料中主含量元素（包括 Cu、Fe、Mn 和 Ni）的方法。憑借該 ICP-OES 系統(tǒng)的高精度光室溫度控制系統(tǒng)（波動(dòng) ± 0.1 °C）和高精度氣體流量控制系統(tǒng)，該分析方法在目標(biāo)元素測(cè)定濃度范圍內(nèi)具有良好的線性，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的精密度和長期穩(wěn)定