相比传统电池，锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长和不具记忆效应等特性而备受关注。正极材料作为锂电池的重要组成部分，其性能优劣直接影响着锂电池的综合性能。传统正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、铁酸锂，其中钴酸锂成本高、镍酸锂稳定性差、锰酸锂容量低、铁酸锂放电电压低且振实密度低。为了解决上述问题，研究者们又开发出镍钴锰三元材料。在三元材料中，Ni有利于提高材料的可逆嵌锂容量；Co 能使 Li+脱嵌更容易，提高材料的导电性能；Mn 不仅可以降低材料的成本，而且可以为材料提供稳定的骨架，提高材料的结构稳定性。为了优化三元材料的性能，需要严格调控材料中各金属元素含量。

对于镍钴锰材料中元素含量测定的现行标准有5项，其中以电感耦合等离子发射光谱法（ICP-OES）为主，少部分采用化学法测定相应金属含量。相对于化学法，ICP-OES法具有操作简单、线性范围广、检出限低、多元素含量同时测定等众多优势。相关标准中测定的均为纯度较高的物质，而实际工艺生产过程中可能遇到镍钴锰三元材料与其他物质的混合物，而且本文探讨的样品含有大量炭黑，常规的电热板消解法很难将碳全消解掉，而且浸提的效果也较差，而超级微波由于在反应腔中通入氩气，强行提高了酸的沸点，从而使得样品的消解效果更好。因此，传统盐酸消解方法可能在消解实际工艺中间产物时无法起效，故而将样品用硝酸-盐酸混酸浸泡后用超级微波消解仪进行消解，而后过滤测试消解液中各元素含量。本应用中心参考上述标准方法采用硝酸-盐酸的混酸消解体系，利用超级微波化学工作站对样品进行消解，过滤得到滤出液，随后利用电感耦合等离子体发射光谱法对镍钴锰消解液中的中镍、钴、锰、铝、铜、锂6种元素含量进行准确测定。

关键词：超级微波、锂电、三元材料、ICP-OES、杂质元素

实验部分

仪器

表1 仪器选型及其配置

表2 电感耦合等离子发射光谱仪检测参数

试剂及标准品

      试剂：优级纯硝酸； 

      纯水：18.2 MΩ·cm去离子水（25℃）；

      标准溶液：Al、Li、Mn、Cu、Li、Ni-单元素标准溶液，1000 μg/mL，国家有色金属研究院。

样品前处理

      样品取0.1 g于消解管内，加入适量盐酸、硝酸。置于超级微波化学工作站中按照表3消解程序进行样品前处理。待消解完毕冷却后将消解液倒入50毫升容量瓶中，并用超纯水润洗消解管3~5次，润洗液一并转移并定容至50 mL容量瓶，并用0.22μm的水相滤头过滤再稀释后上机测试。同法同步制取空白样品和平行样品。

表3 超级微波升温消解程序

样品状态

表4 实际样品消解前后状态

测试结果

      各元素线性系数均大于0.9998。重复11次空白实验，将各测定结果换算为样品中的浓度，计算11次平行测定的标准偏差的3倍并乘以稀释倍数得到相应的方法检出限。制备7份平行样进行方法精密度测试，各元素内精度RSD均小于0.3%。实际样品中各元素加标回收率为94.8% ~ 103%。

表5 测试结果

实际样品测试

      实际样品中各元素含量测试结果如表5，镍钴锰三种元素的含量均在参考范围以内，表明该方法可有效应用于镍钴锰三元材料中主要元素如镍、钴、锰、铝、铜、锂含量测试。

表5 实际样品中待测元素含量测试结果（单位：%）

结语

      样品中各待测元素标准曲线线性系数均为1.00000，实际样品中待测元素的内精度测试RSD均小于0.3%，且实际样品中各待测元素加标回收率在94.8% ~ 103%范围内，元素检出限范围在0.03 ~ 0.61 mg/kg，表明样品测试内精度和准确度结果良好，该方法可有效应用于镍钴锰三元材料中铝、钴、铜、锂、锰、镍6种元素含量的测定。

• 附录

设备与耗材方案

一、EXPEC 6500型ICP-OES 标准进样系统配置详情

二、EXPEC 790S型超级微波化学工作站配置详情

三、试剂及标准品

• 高灵敏型电感耦合等离子体发射光谱仪

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• 超级微波消解系统

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