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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：278 發布時間：2025-2-26前言隨著全球碳中和時代的到來，新能源領域近年來發展迅速。目前，鋰電池已經廣泛應用于動力汽車和儲能系統中。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，正逐漸發展壯大。鈉電池正極材料主要分為三種技術路線，即層狀氧化物、普魯士藍類和聚陰離子正極材料，而每一種技術路線的正極材料又可細分為多種類型。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 ICP-OES電感耦合等離子體光譜儀 測定鈉電池正極材料中的主含量元素或對應的摩爾百分比時，容易出現較大偏差，不利于控制產品質量。本研究基于安捷倫 ICP-OES 所具有的超高穩定性，開發出一種測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、精密度和穩定性，可滿足日常測定要求。
實驗部分試劑和樣品鹽酸為電子級，購于 VWR 試劑公司；所用實驗用水為 MilliporeMilli-Q 超純水系統現制備的高純去離子水；10000 µg/mL Cu、Fe、Mn 和 Ni 單元素標準溶液品由安捷倫提供（部件號分別為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。上機測試前，將該溶液用 1% HCl 介質稀釋 100 倍。儀器和設備采用 Agilent 5800 ICP-OES 系統（部件號 G8018AA），配備如下安捷倫模塊：垂直雙向觀測系統、5 通道蠕動泵、雙通道玻璃進樣系統、高精度氣體質量流量計、高精度恒溫光室（溫度波動 ± 0.1 °C）、專有中階梯光柵分光系統和 VistaChip III CCD 檢測器。儀器操作條件見表 1。
標準品配制分別移取不同質量/體積標準 Cu、Fe、Mn 和 Ni 單標溶液，以1% HCl 為介質，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) 的混合標準溶液。
結果與討論校準曲線和背景校正表 2 為 0.0–25.0 µg/mL 濃度范圍內 Cu、Fe、Mn 和 Ni 元素分析波長、背景校正方式、校準曲線線性回歸方程和線性相關系數匯總表。從中可以看到，采用 5800 ICP-OES 系統默認的自動擬合背景校正方式，所獲得的四種目標元素的校準曲線相關系數均大于 0.9999，表明該方法在 0.0–25.0 µg/mL 的濃度范圍內具有良好的線性。
精密度精密度可反映測定數據的短期穩定性。樣品進行了 10 次精密度測試，結果見表 3。從表中可以看到，在無內標校正的情況下，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%，相對標準偏差 (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。
長期穩定性針對于主含量元素測定長期穩定性偏差大的難題，樣品進行了4 h 穩定性測試。為方便展示測定過程中數據波動的情況，分別將Cu、Fe、Mn 和 Ni 元素的實測摩爾百分比減 20%、20%、30%、30%，結果如圖 1 和表 4 所示。從中可以看出，4 h 內 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%，表明測定結果波動極小，該方法具有出色的長期穩定性。
除摩爾百分比以外，4 h 內各目標元素的測定濃度 RSD 均小于0.5%，濃度極差值均小于 12.00 µg/mL，表明儀器在連續多個小時的測定情況下，具有優異的表現。
結論本文介紹了一種采用安捷倫高性能 5800 ICP-OES 系統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 系統的高精度光室溫度控制系統（波動 ± 0.1 °C）和高精度氣體流量控制系統，該分析方法在目標元素測定濃度范圍內具有良好的線性，并且表現出優異的精密度和長期穩定