XRF在鋰電正極材料元素分析中的應(yīng)用

近年來，隨著新能源汽車和動(dòng)力電池的需求爆發(fā)，鋰電正極材料在近年來正經(jīng)歷著快速的產(chǎn) 能擴(kuò)張和品類變遷。對(duì)于馬爾文帕納科這樣的富有經(jīng)驗(yàn)的分析儀器廠商而言，材料的變化也 意味著材料分析方法和質(zhì)量控制方法的需求變化。本文以三元材料為例分享馬爾文帕納科對(duì) 于鋰電正極材料的元素分析方法的進(jìn)展，希望與業(yè)者共同進(jìn)步。

為了獲得穩(wěn)定可靠的成品電池，需要批次間一致性好差異小的正極材料。工業(yè)上常見的 NCM 共沉淀工藝中通過在料液混合、粉體燒結(jié)前和燒結(jié)后步驟中添加控制點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量控 制，因而也是元素測(cè)試的主要對(duì)象。目前 ICP 分析方法是工藝過程中常見的質(zhì)量監(jiān)控，但是 其存在響應(yīng)周期太長(zhǎng)的問題，對(duì)于工藝的指導(dǎo)性不足。且由于樣品中主量元素與微量元素濃 度梯度過大，ICP 方法需要進(jìn)行梯度稀釋。對(duì)于粉體樣品來說，前處理過程中還存在消解所 帶來的問題，不僅耗費(fèi)時(shí)間人力，而且容易引入誤差，且一旦配方發(fā)生變化，消解體系的重 新建立也是亟需時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)的過程。而馬爾文帕納科推出的 X 射線熒光光譜分析解決方案為 您提供了應(yīng)對(duì)這些問題的利器。

由于 NCM 三元材料中的主量元素具有熒光譜線相互重疊且信號(hào)*的特點(diǎn)，對(duì)于 X 射線熒 光的探測(cè)器有高分辨率和高信號(hào)處理能力的要求。因此，一般方法的可行性探討都是圍繞波 長(zhǎng)色散型熒光光譜儀（WDXRF）來展開的，但是這種方法相較于現(xiàn)有方法會(huì)顯著增加成本 投入，而能量色散型熒光光譜儀（EDXRF）具有購(gòu)置和使用成本低、操作簡(jiǎn)便且緊湊易于 布置等特點(diǎn)，因此也被業(yè)界寄予厚望。2018 年馬爾文帕納科發(fā)布的 Epsilon4 臺(tái)式能量色散 型 X 射線熒光光譜儀，其具有高的信號(hào)分辨率兼?zhèn)淙V解析的軟件算法，以及遠(yuǎn)高于同類產(chǎn) 品的飽和計(jì)數(shù)率，為鋰電正極材料的分析提供了完善的硬件基礎(chǔ)設(shè)施。

Epsilon4 的三元正極材料譜圖擬合結(jié)果的軟件截圖如下圖所示（黃色部分為軟件擬合結(jié) 果）。

圖 1 三元正極材料 XRF 譜圖擬合結(jié)果

Epsilon4 在進(jìn)行料液分析時(shí)，僅需使用滴管將一定量的料液轉(zhuǎn)移到熒光分析用液體樣品杯 中，然后放置在譜儀內(nèi)樣品位上，點(diǎn)選程序進(jìn)行測(cè)試即可。整個(gè)過程中不需要稀釋和稱量步 驟，5-10 分鐘即可獲得樣品分析結(jié)果。譜儀的每日校準(zhǔn)也是*自動(dòng)進(jìn)行，不需要人為介 入。在結(jié)果上各主量元素與 ICP 的比對(duì)差值在 1g/L 以內(nèi)（大部分情況<0.5g/L），且結(jié)果穩(wěn) 定性顯著好于 ICP 的重復(fù)測(cè)試。

三元材料前驅(qū)體的三個(gè)主量元素的線性見下圖。

圖 2 三元材料前驅(qū)體的三個(gè)主量元素的線性圖

對(duì)于粉體的分析，馬爾文帕納科也推出了專門的解決方案。全自動(dòng)的 Claisse 熔融技術(shù)結(jié)合 Epsilon4 的強(qiáng)大分析能力讓整個(gè)測(cè)試流程僅需 30min。整個(gè)過程中不需要消解和稀釋步驟， 樣品處理自動(dòng)化程度極高，不需要人為介入。同時(shí)，為了應(yīng)對(duì)電池正極材料的不同規(guī)格和標(biāo) 準(zhǔn)物質(zhì)欠缺的現(xiàn)狀，馬爾文帕納科位于英國(guó)諾丁漢的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室（已通過 ISO 17034 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)生產(chǎn)資質(zhì)認(rèn)證）聯(lián)手推出了專門于鋰電正極材料的通用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其可以廣泛地適 用于三元材料、磷酸鐵鋰和鈷酸鋰的熒光光譜分析方法。

該解決方案的 Mn 分析結(jié)果比對(duì)如下圖所示。