Elemental Impurity Analysis of Lithium Ion Battery Anodes using Agilent ICP-MS

Význam tématu

Grafitové anody v lithium-iontových bateriích ovlivňují výkon, životnost a bezpečnost článků. Přítomnost stopových nečistot v grafitu může snižovat kapacitu, zpomalovat nabíjení a způsobovat nežádoucí vedlejší reakce. Precizní analýza prvkových nečistot je proto zásadní pro vývoj vysoce výkonných baterií a pro kontrolu kvality výrobních procesů.

Cíle a přehled studie

Cílem práce bylo vyvinout a ověřit postup pro simultánní stanovení až 45 prvků v grafitových anodových materiálech použitím Agilent 7850 ICP-MS. Studie porovnává citlivost, přesnost a robustnost tohoto postupu s běžně používanou technikou ICP-OES a ukazuje možnosti detekce prvků pod hranicí detekce tradičních metod.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky dvou typů grafitového materiálu (označené A a B) byly rozpuštěny v aqua regia pomocí mikrovlnné digesce v PTFE nádobách. Po doplnění a odstředění se roztoky analyzovaly na ICP-MS Agilent 7850 vybaveném systémem UHMI pro autodiluci aerosolů a TOF-čipovou kolizně-reakční buňkou ORS4 v režimu He/KED. Kalibrace proběhla s vícejadernými standardy v rozsahu ng/l až mg/l, interní standardy (Sc, Tb, Lu, Bi) byly přidávány online.

Použitá instrumentace

• Agilent 7850 ICP-MS s UHMI aerosolovým ředěním a ORS4 kolizně-reakční buňkou
• MicroMist nebulizér a Peltierem chlazená dvoupřechodová sprchová komora
• Milestone Ethos microwave digestion system pro aqua regia digesci
• Agilent SPS 4 autosampler a software MassHunter pro řízení měření

Hlavní výsledky a diskuse

- Detekční limity v roztoku dosahovaly nízkých ppt úrovní, v grafitu pod desítky µg/kg.
- Kalibrace vykazovaly lineární odezvu s koeficienty R > 0,999 pro většinu prvků.
- Během 10hodinového běhu přes 200 měření zůstaly recovery interních standardů stabilní v rámci ±20 % a drift hluboké matice byl <5 % pro všechny prvky a <1 % pro většinu.
- Reprodukceschopnost sedmi paralelních digesí byla vysoká (RSD <5 %), spike recoveries spadají do 90–105 % s RSD <5 %.
- Koncentrace klíčových kovů v grafitu A: Mn ~1,54 %, Fe ~0,30 %, Co ~0,16 %; v grafitu B: Co ~1,59 %, Mn ~0,23 %, Fe ~0,11 %. Mnohé toxické kovy (Cd, Hg, Pb, CrVI) byly pod detekčním limitem.

Přínosy a praktické využití metody

Postup umožňuje výrobním i výzkumným laboratořím spolehlivě sledovat více než čtyřicet prvků v grafitových anodách s nízkými detekčními limity a vysokou přesností. To usnadňuje optimalizaci čistoty materiálů, zajištění shody se standardy a vývoj baterií s vyšší energetickou hustotou a delší životností.

Budoucí trendy a možnosti využití

Možnosti dalšího rozvoje zahrnují optimalizaci kolizně-reakčních režimů (např. H2 nebo O2 pro eliminaci polyatomických interferencí), rozšíření aplikace na katodové materiály a elektrolyty, plnou automatizaci přípravy vzorků a integraci s laboratorními informačními systémy pro on-line monitoring kvality ve výrobě.

Závěr

Agilent 7850 ICP-MS prokázal vynikající citlivost, robustnost a rozsah stanovení při analýze 45 prvků v grafitových anodových materiálech. Metoda nabízí významně nižší detekční limity než ICP-OES a vysokou reprodukovatelnost i při dlouhodobém provozu, což potvrzuje její vhodnost pro rutinní kontrolu kvality a výzkum lithium-iontových baterií.

Reference

1. Asenbauer J. a kol. The success story of graphite as a lithium-ion anode material – fundamentals, remaining challenges, and recent developments including silicon (oxide) composites, Sustainable Energy Fuels, 2020, 4, 5387–5416
2. Zhang H., Yang Y., Ren D. et al. Graphite as anode materials: Fundamental mechanism, recent progress and advances, Energy Storage Materials, 2021, 36, 147–170
3. Ni Y., Feng W. Determination of Elemental Impurities in Graphite-based Anodes using the Agilent 5110 ICP-OES, Agilent Technologies, 2019
4. GB/T 24533-2019 Graphite negative electrode materials for lithium ion battery