XRF在鋰電正極材料元素分析中的應用

近年來☁↟▩↟，隨著新能源汽車和動力電池的需求爆發☁↟▩↟，鋰電正極材料在近年來正經歷著快速的產 能擴張和品類變遷│╃。對於馬爾文帕納科這樣的富有經驗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 於鋰電正極材料的元素分析方法的進展☁↟▩↟，希望與業者共同進步│╃。

為了獲得穩定可靠的成品電池☁↟▩↟，需要批次間一致性好差異小的正極材料│╃。工業上常見的 NCM 共沉澱工藝中通過在料液混合▩│↟、粉體燒結前和燒結後步驟中添加控制點進行質量控 制☁↟▩↟，因而也是元素測試的主要物件│╃。目前 ICP 分析方法是工藝過程中常見的質量監控☁↟▩↟，但是 其存在響應週期太長的問題☁↟▩↟，對於工藝的指導性不足│╃。且由於樣品中主量元素與微量元素濃 度梯度過大☁↟▩↟，ICP 方法需要進行梯度稀釋│╃。對於粉體樣品來說☁↟▩↟，前處理過程中還存在消解所 帶來的問題☁↟▩↟，不僅耗費時間人力☁↟▩↟，而且容易引入誤差☁↟▩↟，且一旦配方發生變化☁↟▩↟，消解體系的重 新建立也是亟需時間和經驗的過程│╃。而馬爾文帕納科推出的 X 射線熒光光譜分析解決方案為 您提供了應對這些問題的利器│╃。

由於 NCM 三元材料中的主量元素具有熒光譜線相互重疊且訊號*的特點☁↟▩↟，對於 X 射線熒 光的探測器有高解析度和高訊號處理能力的要求│╃。因此☁↟▩↟，一般方法的可行性探討都是圍繞波 長色散型熒光光譜儀（WDXRF）來展開的☁↟▩↟，但是這種方法相較於現有方法會顯著增加成本 投入☁↟▩↟，而能量色散型熒光光譜儀（EDXRF）具有購置和使用成本低▩│↟、操作簡便且緊湊易於 佈置等特點☁↟▩↟，因此也被業界寄予厚望│╃。2018 年馬爾文帕納科釋出的 Epsilon4 臺式能量色散 型 X 射線熒光光譜儀☁↟▩↟，其具有高的訊號解析度兼備全譜解析的軟體算法☁↟▩↟，以及遠高於同類產 品的飽和計數率☁↟▩↟，為鋰電正極材料的分析提供了完善的硬體基礎設施│╃。

Epsilon4 的三元正極材料譜圖擬合結果的軟體截圖如下圖所示（黃色部分為軟體擬合結 果）│╃。

圖 1 三元正極材料 XRF 譜圖擬合結果

Epsilon4 在進行料液分析時☁↟▩↟，僅需使用滴管將一定量的料液轉移到熒光分析用液體樣品杯 中☁↟▩↟，然後放置在譜儀內樣品位上☁↟▩↟，點選程式進行測試即可│╃。整個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果│╃。譜儀的每日校準也是*自動進行☁↟▩↟，不需要人為介 入│╃。在結果上各主量元素與 ICP 的比對差值在 1g/L 以內（大部分情況<0.5g/L）☁↟▩↟，且結果穩 定性顯著好於 ICP 的重複測試│╃。

三元材料前驅體的三個主量元素的線性見下圖│╃。

圖 2 三元材料前驅體的三個主量元素的線性圖

對於粉體的分析☁↟▩↟，馬爾文帕納科也推出了專門的解決方案│╃。全自動的 Claisse 熔融技術結合 Epsilon4 的強大分析能力讓整個測試流程僅需 30min│╃。整個過程中不需要消解和稀釋步驟☁↟▩↟， 樣品處理自動化程度極高☁↟▩↟，不需要人為介入│╃。同時☁↟▩↟，為了應對電池正極材料的不同規格和標 準物質欠缺的現狀☁↟▩↟，馬爾文帕納科位於英國諾丁漢的標準物質實驗室（已透過 ISO 17034 標準物質生產資質認證）聯手推出了專門於鋰電正極材料的通用標準物質☁↟▩↟，其可以廣泛地適 用於三元材料▩│↟、磷酸鐵鋰和鈷酸鋰的熒光光譜分析方法│╃。

該解決方案的 Mn 分析結果比對如下圖所示│╃。