使用 ICP-OES 分析钠电池正极材料中的主含量元素

前言随着全球碳中和时代的到来，新能源领域近年来发展迅速。目前，锂电池已经广泛应用于动力汽车和储能系统中。而新一代钠电池由于具有更低的成本和采用更容易获取的原材料，正逐渐发展壮大。钠电池正极材料主要分为三种技术路线，即层状氧化物、普鲁士蓝类和聚阴离子正极材料，而每一种技术路线的正极材料又可细分为多种类型。目前比较有代表性的正极材料为层状氧化物，主要包括 Co、Cu、Mn、Fe、Ni、Ti、V 和 Cr 等金属氧化物[1]。采用常规 ICP-OES电感耦合等离子体光谱仪 测定钠电池正极材料中的主含量元素或对应的摩尔百分比时，容易出现较大偏差，不利于控制产品质量。本研究基于安捷伦 ICP-OES 所具有的超高稳定性，开发出一种测定层状氧化物中主含量元素及摩尔比的方法。该方法具有出色的线性范围、精密度和稳定性，可满足日常测定要求。

实验部分试剂和样品盐酸为电子级，购于 VWR 试剂公司；所用实验用水为 MilliporeMilli-Q 超纯水系统现制备的高纯去离子水；10000 µg/mL Cu、Fe、Mn 和 Ni 单元素标准溶液品由安捷伦提供（部件号分别为5190-8378、5190-8402、5190-8414 和 5190-8422）。样品为人工合成的拟钠电池层状氧化物消解溶液，用于模拟钠电池层状氧化四元正极材料样品，其组成约为：Cu 578.1 µg/mL、Fe 511.4 µg/mL、Mn 751.1 µg/mL 和 Ni 804.7 µg/mL。上机测试前，将该溶液用 1% HCl 介质稀释 100 倍。仪器和设备采用 Agilent 5800 ICP-OES 系统（部件号 G8018AA），配备如下安捷伦模块：垂直双向观测系统、5 通道蠕动泵、双通道玻璃进样系统、高精度气体质量流量计、高精度恒温光室（温度波动 ± 0.1 °C）、专有中阶梯光栅分光系统和 VistaChip III CCD 检测器。仪器操作条件见表 1。

标准品配制分别移取不同质量/体积标准 Cu、Fe、Mn 和 Ni 单标溶液，以1% HCl 为介质，配制得到 50 mL，浓度分别为 0、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0 µg/mL (ppm) 的混合标准溶液。

结果与讨论校准曲线和背景校正表 2 为 0.0–25.0 µg/mL 浓度范围内 Cu、Fe、Mn 和 Ni 元素分析波长、背景校正方式、校准曲线线性回归方程和线性相关系数汇总表。从中可以看到，采用 5800 ICP-OES 系统默认的自动拟合背景校正方式，所获得的四种目标元素的校准曲线相关系数均大于 0.9999，表明该方法在 0.0–25.0 µg/mL 的浓度范围内具有良好的线性。

精密度精密度可反映测定数据的短期稳定性。样品进行了 10 次精密度测试，结果见表 3。从表中可以看到，在无内标校正的情况下，Cu、Fe、Mn 和 Ni 元素摩尔百分比 (mol%) 极差（即最大值 – 最小值）均 < 0.05%，相对标准偏差 (RSD) 均 ≤ 0.06%，表明该方法能有效控制主含量元素摩尔百分比误差，具有出色的精密度。

长期稳定性针对于主含量元素测定长期稳定性偏差大的难题，样品进行了4 h 稳定性测试。为方便展示测定过程中数据波动的情况，分别将Cu、Fe、Mn 和 Ni 元素的实测摩尔百分比减 20%、20%、30%、30%，结果如图 1 和表 4 所示。从中可以看出，4 h 内 Cu、Fe、Mn 和 Ni 元素的摩尔百分比极差分别为 0.12%、0.07%、0.12%和 0.14%，表明测定结果波动极小，该方法具有出色的长期稳定性。

除摩尔百分比以外，4 h 内各目标元素的测定浓度 RSD 均小于0.5%，浓度极差值均小于 12.00 µg/mL，表明仪器在连续多个小时的测定情况下，具有优异的表现。

结论本文介绍了一种采用安捷伦高性能 5800 ICP-OES 系统定量分析钠电池正极材料中主含量元素（包括 Cu、Fe、Mn 和 Ni）的方法。凭借该 ICP-OES 系统的高精度光室温度控制系统（波动 ± 0.1 °C）和高精度气体流量控制系统，该分析方法在目标元素测定浓度范围内具有良好的线性，并且表现出优异的精密度和长期稳定