石墨类负极材料中多种杂质元素电感耦合等离子体发射光谱仪分析方法

本文介绍了一种使用(ICP-OES)分析石墨类负极材料中多种杂质元素的方法，并对该方法进行了系统验证。该方法的加标回收率在90%–110%之间，且2.5h稳定性实验结果的相对标准偏差(RSD)小于1.5%，证明该方法具有良好的准确度和稳定性，适用于对多品牌、多批次石墨类负极材料中的杂质元素进行分析。
负极材料作为锂离子电池的四大材料之一，能够可逆地进行脱/嵌锂离子。目前主流的负极材料仍然是石墨类负极材料。随着电池能量密度的提升，石墨类负极材料的容量利用率逐渐接近理论值，同时压实密度越来越高，这就要求石墨类负极材料的稳定性也要随之提高。石墨类负极材料中的杂质含量对其稳定性有着重要影响，因此如何有效测定并除去石墨类负极材料中的微量杂质元素变得尤为重要。铁(Fe)元素的含量是石墨类负极材料等级划分的重要指标之一：Fe含量越低，则级别越高。因此Fe是目前石墨类负极材料中必测的元素之一。另外，为优化电池的循环性能（提升充放电次数），石墨类负极材料生产工艺中往往会进行包覆和掺杂流程，而在这些流程中有可能引入其它元素。准确测定这些元素的含量成为提升产品品质的前提。 
本文针对上述问题，开发出一种快速、准确地测定石墨类负极材料中Fe、Al、As、Ba、Be、Cd、Co、Cr、Cu、K、Mg、Mn、Na、Ni、Pb、Sr、V和Zn等18种元素的ICP-OES方法。 

实验部分试剂、标准品和样品高纯硝酸和高纯盐酸购于苏州晶瑞公司；10mg/L多元素标准溶 液2A购于安捷伦科技公司（部件号8500-6940）；实验用水为Millipore Milli-Q超纯水系统现制备的高纯去离子水；样品为市售产品。

仪器和设备采用电感耦合等离子体发射光谱仪 (ICP-6800)，该仪器在水平观测模式下测量低浓度杂质元素时具有较高的灵敏度；该仪器具有高通量、高灵敏度和宽动态范围等特点。微波消解仪；赶酸仪；万分之一电子天平；超纯水系统。
标准溶液和样品溶液的配制取1mL多元素标准溶液2A，用2% (V/V)硝酸溶液定容至10mL，配制成1mg/L的标准系列1溶液；分别取50、100、250、500和1000μL标准系列1溶液，用2% (V/V)硝酸溶液定容至5mL，配制成0.01、0.02、0.05、0.1和0.2mg/L系列标准溶液。石墨类负极材料样品消解步骤：准确称取石墨粉0.5g（到0.0001g），加入5mL王水和5mL去离子水，放入微波消解仪进行程序升温。消解完成后，冷却至室温，开盖后置于赶酸仪上赶至近干。然后转移到50mL塑料容量瓶中，并用高纯水定容至刻度。静止后，取上清液上机测量。每个样品设置2个平行试验组、2个加标组，同时设置2个样品空白组。
结果与讨论标准曲线在石墨类负极材料中的杂质元素分析中，采用标准曲线法进行定量分析。通过标准曲线结果发现，所考察的18种元素的线性相关系数均大于0.9995，这些元素的线性回归方程和相关系数列于表1中，其中Fe元素的标准曲线示例见图1。

方法检测限、样品含量和加标回收率在分析过程中连续测定11次样品空白溶液，由此计算得出方法检测限(MDL)。本文所考察的18种杂质元素的方法检测限如表2所示。

长期稳定性采用石墨类负极样品B的加标溶液（加标浓度均为0.025mg/L）来进行长期稳定性实验。样品加标溶液连续测试2.5h，所测得的杂质元素结果的相对标准偏差(RSD)如表4所示。从中可以看出，所考察的18种杂质元素的测定结果RSD均小于1.5%，表明该方法在进行石墨类负极材料中杂质元素的分析时具有较好稳定性和可靠性。

目前国内锂电池行业主要以Fe含量判断石墨类负极材料的纯度级别，但其它金属元素的含量也影响负极材料的品质。本文建立了石墨类负极材料中18种杂质元素（含Fe在内）同时检测的方法，有效扩展了该材料纯度评价的全面性，并通过检测限、加标回收率和稳定性实验验证了该方法的可靠性，为今后更高纯度负极材料的定级提供了有力的方法支持。

ICP-6800电感耦合等离子体发射光谱仪（标准机）

产品简介

ICP-6800型电感耦合等离子体发射光谱仪是我公司经多年技术积累而开发的电感耦合等离子体发射光谱仪，用于测定各种物质（可溶解于盐酸、硝酸、氢氟酸等）中的微量、痕量金属元素或非金属元素的含量，自动化程度高、操作简便、稳定可靠。目前仪器广泛应用于稀土、地质、冶金、化工、环保、临床医药、石油制品、半导体、食品、生物样品、刑事科学、农业研究等各个领域。

工作环境

内容                适应范围

贮存运输温度           15℃-25℃

贮存运输相对湿度        ≤70％

大气压               86-106 kPa

电源适应能力           220±10v 50-60MHz

工作湿度               ≤70％

工作温度               15℃-30℃

技术指标

固态电源技术指标

电路类型：电感反馈式自激振荡电路，同轴电缆输出，匹配调谐，功率反馈闭环自动控制

工作频率：27.12MHz±0.05%

频率稳定性：＜0.1%

输出功率：800W—1200W

输出功率稳定性：＜0.3%

电磁场泄漏辐射强度：距机箱30cm处电场强度E：＜2V/m

进样系统技术指标

输出工作线圈内径25mm

矩管，三同心型，外径20mm的石英矩管

同轴型喷雾器外径6mm

双筒形雾室外径34mm

氩气流量计规格和载气压力表规格

1.等离子气流量计（100-1000）L/h (1.6-16L/min)

2.辅助气流量计（10-100）L/h (0.16-1.66L/min)

3.载气流量计（10-100）L/h (0.16-1.66L/min)

4.载气稳压阀（0-0.4MPa）

5.冷却循环水：水温20-25℃ 流量>5L/min 水压>0.1MPa

单色器技术指标

光路：Czerny-Turner

焦距：1000mm

光栅规格：离子刻蚀全息光栅，刻线密度3600线/mm(可选用刻线密度2400线/mm)

线色散率倒数：0.26nm/mm

分辨率：≤0.007nm(3600刻线）. ≤0.015nm(2400刻线）

扫描波长范围：3600线/mm扫描波长范围：190—500nm; 2400线/mm扫描波长范围：190—800nm

步进电机驱动最小步距:0.0006 nm

出射狭缝：12μm入射狭缝：10μm

光电转换器技术指标

光电倍增管规格：R293或R298

光电倍增管负高压：0-1000V稳定性＜0.05% 

整机技术指标

扫描波长范围：195nm～500nm（3600L/mm光栅）195nm～800nm（2400L/mm 光栅）

重复性：（即短期稳定度）相对标准偏差RSD≤1.5％

稳定性：相对标准偏差RSD≤2％

上海美析仪器有限公司(以下简称美析)，是一家具有自主知识产权的高新技术企业，美析的创业理念“科技——因你改变”，并以此为企业宗旨，不断探究、果敢创新。特别是在分析测试仪器领域，不断开发出先进的产品，使美析成为优质仪器资源的供应者。

美析主营光谱类仪器：可见分光光度计、紫外可见分光光度计、原子吸收光谱仪、原子荧光光度计、ICP-AES、ICP-MS，生命科学仪器：超微量分光光度计、全自动核酸提取仪，目前，我们的产品已广泛应用于有机化学、无机化学、生物化学、医药、环保、冶金、石油、农业等领域。同时美析利用在产品机械结构、光学设计、电气应用和软件开发方面积累的丰富经验，结合市场的最新实际需求，近期将陆续推出一批全新的分析类仪器。

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伴随着美析跻身全球品牌仪器行列步伐的加快，美析对自身的要求不断提高，同时我们也希望能得到社会各界的关爱和支持，让我们携手共同展望。科技，必将因你我而改变。