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。對于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 于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 共沉淀工藝中通過在料液混合、粉體燒結前和燒結后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對象。目前 ICP 分析方法是工藝過程中常見的質量監控，但是 其存在響應周期太長的問題，對于工藝的指導性不足。且由于樣品中主量元素與微量元素濃 度梯度過大，ICP 方法需要進行梯度稀釋。對于粉體樣品來說，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*的特點，對于 X 射線熒 光的探測器有高分辨率和高信號處理能力的要求。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，但是這種方法相較于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、操作簡便且緊湊易于 布置等特點，因此也被業界寄予厚望。2018 年馬爾文帕納科發布的 Epsilon4 臺式能量色散 型 X 射線熒光光譜儀，其具有高的信號分辨率兼備全譜解析的軟件算法，以及遠高于同類產 品的飽和計數率，為鋰電正極材料的分析提供了完善的硬件基礎設施。

Epsilon4 的三元正極材料譜圖擬合結果的軟件截圖如下圖所示（黃色部分為軟件擬合結 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，然后放置在譜儀內樣品位上，點選程序進行測試即可。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 定性顯著好于 ICP 的重復測試。

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，馬爾文帕納科位于英國諾丁漢的標準物質實驗室（已通過 ISO 17034 標準物質生產資質認證）聯手推出了專門于鋰電正極材料的通用標準物質，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 分析結果比對如下圖所示。