鋰離子電池陰極材料的質量，尤其是主要元素比例和雜質濃度，對其充放電性能和安全性有重大影響。¹

通常，電感耦合等離子發射光譜（ICP-OES）一直是電池行業測定主要元素比例和雜質濃度的首選方法。然而，隨著新電池技術的發展，雜質控制日益嚴格，金屬雜質的檢出限也在不斷降低。目前，一些元素的檢出限已降至ICP-OES實際檢出限以下，尤其是Cr、Cu、Fe、Zn和Pb等金屬。大多數制造商將這五種元素的檢出限設置為<1 ppm，在樣品消解后的最終溶液中可低至10 ppb。雖然這對ICP-OES具有挑戰性，但電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）能夠帶來出色的替代效果，且與ICP-OES相比具有更高的靈敏度和更低的檢出限。

陰極材料包含高濃度的主要元素，這些元素可以在等離子體中與來自基體的元素以及等離子體和大氣氣體結合，從而產生多原子干擾。此外，在與目標分析物相鄰的質量具有高濃度的情況下，四極桿長度的重要性變得尤為顯著，因為四極桿長度與儀器的豐度靈敏度之間存在直接相關性。

每當樣品被稀釋時，一旦結果反算到原始樣品濃度，最終溶液測量中的任何偏差或背景信號都會被該稀釋系數放大。為了最大限度地降低這種影響，建議在非潔凈室環境中進行樣品制備時，稀釋范圍為100倍至200倍。應用此稀釋系數后，所得樣品溶液具有相對較高濃度的酸和總溶解固體（TDS），這可能導致目標元素的分析具有挑戰性。高基體和高TDS帶來的挑戰可以通過使用在線氣體稀釋來緩解。

本應用簡報報告了如何使用珀金埃爾默NexION 1100 ICP-MS測定鋰離子電池陰極材料中的Cr、Cu、Fe、Zn和Pb雜質含量，即鋰鎳鈷錳氧化物（LNCM）以及鋰鈷氧化物（LCO）和鋰錳氧化物（LMO）兩種前體材料。

準確稱取陰極材料及其前體樣品（約0.4 g）放入50 mL離心管中，加入4 mL王水溶液。輕輕攪拌每支試管以混合樣品和酸溶液，然后放入珀金埃爾默SPB樣品消解塊中，輕輕蓋上管帽。樣品在120°C下消解兩小時。消解結束后冷卻，用超純水稀釋至50 mL，然后進行分析。本文采用標準加入法（MSA）來校正基體效應，并使用樣品加標來驗證分析準確度。

該分析是在配備全基體進樣系統（AMS）在線氣體稀釋功能的NexION 1100 ICP-MS上進行的²。儀器配置和操作條件如表2所示。本應用簡報中描述的方法并不局限于NexION 1100 ICP-MS，而是可轉移的，可以使用珀金埃爾默任何NexION型號執行。

表2. 儀器配置和操作條件

NexION型號配備有通用池技術（UCT），可在碰撞（KED）和/或反應（DRC）模式下有效消除/去除干擾。在本文中，氦氣在碰撞模式下用于所有分析物，以消除多原子干擾。

此外，所有NexION型號均配備四極桿離子偏轉器（QID），可將正離子偏轉90度進入通用池，并將負離子和中性離子轉移到廢物中，從而有效地減少空間電荷效應，降低背景，減少高基體樣品的干擾，進而提高準確度。

鋰離子電池陰極材料分析的光譜干擾可分為兩類。第一組是多原子干擾，通常由基體中的元素形成。例如，王水中的氯與水中的氧和氫結合形成³⁵Cl¹⁶O¹H⁺，其質量與分析物⁵²Cr⁺相同。采用KED碰撞模式可以輕松解決這些類型的干擾。如果需要比此處所述的低得多的分析物檢測，通用池也可以在反應模式下運行，以消除干擾并實現最終的分析物靈敏度。

另一組干擾是由相鄰質量上高濃度基體元素的大峰引起的。

例如，對于陰極材料LNCM中Fe的分析，⁵⁴Fe和⁵⁷Fe分別會受到⁵⁵Mn和⁵⁸Ni的干擾。然而，使用NexION 1000 ICP-MS時，⁵⁶Fe被完全分離，可用于定量分析。

表3給出了不含鋰的四種鎳鈷錳（NCM）樣品中⁵⁴Fe、⁵⁶Fe和⁵⁷Fe以及⁶³Cu和⁶⁵Cu的檢測結果，這些樣品表示為NCM-X（1、2、3、4）。樣品NCM-1一式三份消解，以評估可重復性。由于光譜干擾是累積的，使用⁵⁴Fe、⁵⁷Fe和⁶³Cu獲得的較高濃度表明光譜干擾對分析物的影響。然而，結果最高的同位素不一定具有最大的干擾，因此需要對數據進行進一步調查。通過仔細的數據分析，包括改變監測質量以及將空白數據與含有基體的結果進行比較，那么就Fe而言，與ICP-OES結果進行比較發現，⁵⁶Fe和⁶⁵Cu受干擾的影響最小，因此在本文中選擇這些同位素進行最終樣品分析。

表3. 使用NCM樣品中不同同位素進行Fe和Cu分析的檢測結果

注釋：本表所示濃度為分析溶液的濃度（點擊查看大圖）

表4給出了鋰鎳鈷錳氧化物（LNCM）電池材料以及鋰鈷氧化物（LCO）和鋰錳氧化物（LMO）兩種前體材料中⁶⁶Zn和⁶⁸Zn的檢測結果。由于⁶⁶Zn受到⁶⁰Ni⁶Li和⁵⁹Co⁷Li的多原子干擾，在含有Ni和/或Co的LNCM和LCO中，通過測量⁶⁶Zn獲得的濃度高于通過測量⁶⁸Zn獲得的濃度。在不含Ni或Co的LMO中，差異不明顯。因此，選擇⁶⁸Zn進行最終樣品分析。

表4. 各種鋰離子電池陰極材料中鋅的檢測結果

注釋：本表所示濃度為分析溶液的濃度（點擊查看大圖）

如前所述，采用標準加入法（MSA）來校正基體效應。圖1顯示了采用MSA獲得的校準曲線。所有同位素的相關系數（R）均大于0.9998。經過空白減法和稀釋系數校正后，每個樣品兩次消解的平均濃度見表5。

圖1. 所有測量同位素的標準加入法校準曲線（點擊查看大圖）

表5. LNCM樣品的測量濃度

樣品LNCM-2的消解也用于標準品加標回收率測試，以驗證該方法的分析準確度。結果見表6。所有測量元素的加標回收率均達到100-101%。

表6. 基體加標回收率結果（LNCM）

注釋：添加的標準品濃度為：Cu、Pb和Cr為5 μg/L；Zn和Fe為50 μg/L（點擊查看大圖）

參考文獻

1.Olimpia A. Nasser and Martina Petranikova, “Review of Achieved Purities after Li-ion Batteries Hydrometallurgical Treatment and Impurities Effects on the Cathode Performance”, Batteries, 2021, 7(3),60.

2.“All Matrix Solution System for NexION ICP-MS Platforms”, PerkinElmer Technical Note, 2023.