XRF在锂电正极材料元素分析中的应用

近年来，随着新能源汽车和动力电池的需求爆发，锂电正极材料在近年来正经历着快速的产 能扩张和品类变迁。对于马尔文帕纳科这样的富有经验的分析仪器厂商而言，材料的变化也 意味着材料分析方法和质量控制方法的需求变化。本文以三元材料为例分享马尔文帕纳科对 于锂电正极材料的元素分析方法的进展，希望与业者共同进步。

为了获得稳定可靠的成品电池，需要批次间一致性好差异小的正极材料。工业上常见的 NCM 共沉淀工艺中通过在料液混合、粉体烧结前和烧结后步骤中添加控制点进行质量控 制，因而也是元素测试的主要对象。目前 ICP 分析方法是工艺过程中常见的质量监控，但是 其存在响应周期太长的问题，对于工艺的指导性不足。且由于样品中主量元素与微量元素浓 度梯度过大，ICP 方法需要进行梯度稀释。对于粉体样品来说，前处理过程中还存在消解所 带来的问题，不仅耗费时间人力，而且容易引入误差，且一旦配方发生变化，消解体系的重 新建立也是亟需时间和经验的过程。而马尔文帕纳科推出的 X 射线荧光光谱分析解决方案为 您提供了应对这些问题的利器。

由于 NCM 三元材料中的主量元素具有荧光谱线相互重叠且信号*的特点，对于 X 射线荧 光的探测器有高分辨率和高信号处理能力的要求。因此，一般方法的可行性探讨都是围绕波 长色散型荧光光谱仪（WDXRF）来展开的，但是这种方法相较于现有方法会显著增加成本 投入，而能量色散型荧光光谱仪（EDXRF）具有购置和使用成本低、操作简便且紧凑易于 布置等特点，因此也被业界寄予厚望。2018 年马尔文帕纳科发布的 Epsilon4 台式能量色散 型 X 射线荧光光谱仪，其具有高的信号分辨率兼备全谱解析的软件算法，以及远高于同类产 品的饱和计数率，为锂电正极材料的分析提供了完善的硬件基础设施。

Epsilon4 的三元正极材料谱图拟合结果的软件截图如下图所示（黄色部分为软件拟合结 果）。

图 1 三元正极材料 XRF 谱图拟合结果

Epsilon4 在进行料液分析时，仅需使用滴管将一定量的料液转移到荧光分析用液体样品杯 中，然后放置在谱仪内样品位上，点选程序进行测试即可。整个过程中不需要稀释和称量步 骤，5-10 分钟即可获得样品分析结果。谱仪的每日校准也是*自动进行，不需要人为介 入。在结果上各主量元素与 ICP 的比对差值在 1g/L 以内（大部分情况<0.5g/L），且结果稳 定性显著好于 ICP 的重复测试。

三元材料前驱体的三个主量元素的线性见下图。

图 2 三元材料前驱体的三个主量元素的线性图

对于粉体的分析，马尔文帕纳科也推出了专门的解决方案。全自动的 Claisse 熔融技术结合 Epsilon4 的强大分析能力让整个测试流程仅需 30min。整个过程中不需要消解和稀释步骤， 样品处理自动化程度极高，不需要人为介入。同时，为了应对电池正极材料的不同规格和标 准物质欠缺的现状，马尔文帕纳科位于英国诺丁汉的标准物质实验室（已通过 ISO 17034 标准物质生产资质认证）联手推出了专门于锂电正极材料的通用标准物质，其可以广泛地适 用于三元材料、磷酸铁锂和钴酸锂的荧光光谱分析方法。

该解决方案的 Mn 分析结果比对如下图所示。