由于可充电锂离子 (Li-ion) 电池 (LIBs) 在便携式电子设备和电动汽车 (EVs) 中广泛使用，其需求正迅速增长。此外，与可再生发电相关的电池储能的需求也在不断增长。就成本、容量、充电速度和使用寿命而言，LIBs 目前可提供最佳的综合性能。图 1 展示了 LIB 的四个关键组件：阳极、阴极、电解液和隔膜。
在 LIB 充电过程中，锂离子从阴极释放，通过电解液迁移，并储存于阳极中。放电过程中则反过来，锂离子从阳极迁移到阴极。
LIB 组分材料
LIB 的性能、使用寿命和安全性受阳极、阴极和电解液的电化学性质和组成的影响。因此，监测这些组件及其制造原材料中的元素污染物对于生产质量控制 (QC) 和支持新电池材料的开发至关重要。
- 电解液：LIB 电解液中使用六氟磷酸锂 (LiPF6)、四氟硼酸锂 (LiBF4) 和高氯酸锂 (LiClO4) 等各种锂盐。此外，也使用双氟磺酰亚胺锂 (LiFSl) 等盐类化合物以提高性能。
- 阴极：阴极活性材料 (CAM) 通常为锂结合氧化钴 (LCO)、镍钴铝氧化物 (NCA) 或镍钴锰氧化物（NCM 或 NMC）等过渡金属氧化物。阴极替代材料（非含钴的氧化物）包括磷酸铁锂 (LFP) 和锂锰氧化物 (LMO)。
- 阳极：自 LIB 开发初期以来，石墨几乎是所有 LIB 唯一的阳极材料，其中锂离子存储于锂化石墨化合物 LiC6 中。
LIB 材料杂质分析的标准方法
LIB 原材料供应商和电池制造商需要准确的分析方法，来测定 LIB 原材料和组件中的一系列元素，例如 Fe、Ca、Mg、Cu、Zn、Si、Al 和 Na。中国标准方法 YS/T 928.4、GB/T 24533-2019、GB/T 26300-202 和 GB/T 26008-2020 目前将 ICP-OES 指定为测定污染物元素的推荐技术。而中国 RoHS 标准方法 GB/T 39560.5 指定 ICP-MS 为电子电气设备中 Cd、Hg、Pb 等有害重金属分析的推荐技术之一。对于某些应用，例如检测含量较低的污染物以评估新型先进电池材料，ICP-OES 无法达到足够低的检出限。由于 ICP-MS 灵敏度高且谱图简单，这项技术越来越多地用于以上用途。
本文概述了安捷伦 ICP-MS 和 ICP-MS/MS 仪器在 LIB 制造中的应用，重点介绍了监测痕量元素对于鉴定影响产品性能和安全性的污染物的重要性。
电解液：使用 ICP-MS 分析痕量污染物
使用 Agilent 7900 ICP-MS 测定用于电解液的锂盐中的 68 种元素（包括 LiPF6、LiBF4、LiClO4 和 LiFSI），证明了其多元素分析能力。安捷伦 ICP-MS 系统配备的 ORS4 碰撞/反应池经过优化，可使用带有动能歧视 (KED) 的氦气 (He) 模式有效去除多原子离子干扰。为去除复杂多变的样品基质带来的多种多原子离子重叠干扰，大多数元素采用一组一致的 He-KED 模式条件进行检测。对于 Si、Ca 和 Fe 等困难元素的高强度背景重叠，可选的氢 (H2) 池气体管线可提供更有效的干扰控制（见图 2）1。
阴极：筛选阴极材料中的杂质
稳定的等离子体条件（CeO/Ce 比值 < 1%）、UHMI 和 He-KED 模式相结合，可有效控制谱图重叠干扰，使安捷伦 ICP-MS 系统能够全面表征阴极材料中的痕量级污染物2。这项技术还可使用 Agilent IntelliQuant 软件实现样品筛查。将快速扫描采集功能整合进定量分析方法后，每个样品仅需额外增加两秒采集时间，即可获得全质谱数据。快速扫描数据能够识别定量分析方法中未包含的其他未知污染物，具体可参见图 3 所示的 NCM 阴极材料分析结果。快速扫描数据由 IntelliQuant 处理，无需使用特定元素标准品即可获得半定量浓度结果。
阳极：测定石墨材料中的低浓度污染物
安捷伦 ICP-MS 仪器分析复杂 LIB 相关样品的稳健性如何？在本研究中，采用 Agilent 7850 ICP-MS 在一组条件下，测量了两种石墨基阳极材料王水消解液中的 45 种元素3。样品消解物中含有高浓度的酸，总溶解固体 (TDS) 含量约为 2.5%。
为测试方法的稳健性，对包括消解样品（两种石墨样品各 6 份消解样）、方法空白、QC 检验样品和加标回收率溶液在内的分析序列重复分析 10 小时。将 Tb、Lu 和 Bi 用作内标 (ISTDs)。
如图 4 所示，在整个运行过程中，ISTD 回收率保持稳定，结果处于 ±20% 限值范围内（如红色虚线所示）。一致、稳定的 ISTD 回收率表明，采用 UHMI 气溶胶稀释的 7850 ICP-MS 的稳定的等离子体能够有效分解基质，从而在长时间运行中保持优异的稳定性。另外，未观察到漂移，证实分析过程中未出现大量基质沉积在接口上的现象。结果表明，7850 ICP-MS 在对石墨阳极材料进行简单的常规元素分析时，具有稳健性和高基质耐受性。
LIB 原材料的纯度：利用串联四极杆 ICP-MS 获得更低的 DLs
单四极杆 ICP-MS 系统提供的低检出限，足以满足当前 LIB 生产行业的要求。对于高级电池制造以及新型材料和工艺的研究，Agilent 8900 串联四极杆 ICP-MS (ICP-MS/MS) 可提供更低的检出限。ICP-MS/MS 尤其适用于受基质相关质谱重叠影响的分析物，使用单一多重调谐方法即可分析多种元素。这一功能通过分析碳酸锂中的 64 种元素并计算材料纯度百分比得以验证 — 制造商和供应商使用这一指标来对产品进行分级4。
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