Analysis of Elemental Impurities in Lithium Iron Phosphate Cathode Materials for LIBs by ICP-OES

Význam tématu

Rychlý rozvoj trhu s lithium-iontovými bateriemi zvyšuje požadavky na kvalitu a bezpečnost katodových materiálů. Cobalt-free materiály, zejména lithium železný fosfát (LFP), nabízejí vyšší bezpečnost, dlouhou životnost a stabilitu. Analýza stopových nečistot je nezbytná pro kontrolu kvality, spolehlivost a výkon baterií, vznikající nejen při výrobě nových článků, ale i při recyklaci.

Cíle a přehled studie

Hlavním cílem bylo vyvinout přesnou, robustní a rychlou ICP-OES metodu na Agilent 5800 VDV pro současné stanovení 31 prvků (major i trace) v LFP katalyzátorech. Studie zahrnovala optimalizaci přípravy vzorků, výběr interferenčně volných vlnových délek, stanovení detekčních limitů a ověření dlouhodobé stability měření.

Použitá metodika

• Příprava vzorku: 0,1 g prášku LFP se promáčí 0,5 ml deionizované vody, přidá 6 ml HCl+2 ml HNO₃ (5 % aqua regia), mikrovlnná digesce při 200 °C po dobu 20 min, doplnění do 50 ml DI vody.
• Screening: IntelliQuant Screening zajišťuje semikvantitativní určení prvků a doporučení interferenčně volných vlnových délek.
• Kalibrace: Matrix-matched standardy pro stopové prvky (0–0,5 mg/l), fosfor (0–500 mg/l), železo (0–1000 mg/l) a lithium (0–100 mg/l); vnitřní standard Y+Rb.
• Analýza: ICP-OES v axiálním režimu pro stopové prvky a radiálním režimu pro matrix prvky, inteligentní oplach Intelligent Rinse optimalizující čas pro efektivní mytí mezi vzorky.
• Pozadí a korekce: Fitted Background Correction a Fast Automated Curve-fitting Technique (FACT) pro odstranění spektrálních interferencí (např. P na Cr).

Použitá instrumentace

• ICP-OES Agilent 5800 Vertical Dual View se SSRF 27 MHz a Cooled Cone Interface
• SeaSpray skleněný rozprašovač, dvojitá cyklonová komora, Easy-fit torch se 1,8 mm křemíkovou injektorkou
• Autosampler Agilent SPS 4 s Intelligent Rinse maskami
• Mars 6 Microwave Digestion System (CEM Corporation)

Hlavní výsledky a diskuse

Metoda dosáhla linearity kalibrací s koeficienty R>0,9999 pro všechny prvky. Metodní detekční limity ve vzorku byly u většiny prvků nižší než 1 mg/kg. Spike recovery testy pro LFP vzorky vykázaly 90–110 % obnovy. Dlouhodobé měření spiked QC vzorku po dobu 9 h bez rekalibrace mělo RSD <2,2 %, což dokládá stabilitu a robustnost metody v prostředí vysoké koncentrace Li, Fe a P.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda umožňuje jednotnou přípravu a analýzu major a trace prvků v jednom běhu, minimalizuje riziko kontaminací a šetří čas i náklady. Lze ji implementovat v průmyslovém QA/QC, R&D laboratořích i v recyklačních zařízeních baterií pro rychlou kontrolu kvality katodových materiálů.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se další rozvoj automatizovaných přípravných systémů, rozšíření detekce o vzácné zeminové prvky a integrace do on-line monitoringu výrobních procesů. S rostoucím důrazem na udržitelnost poroste zájem o aplikace v recyklaci baterií a ve výzkumu nových bezkobaltových materiálů.

Závěr

Vyvinutá ICP-OES metoda na Agilent 5800 VDV pro analýzu LFP materiálů nabízí vysokou přesnost, citlivost a dlouhodobou stabilitu. Umožňuje rutinní kontrolu stopových nečistot v katodových materiálech lithium-iontových baterií, podporuje kvalitu a bezpečnost konečných produktů.

Reference

• Lithium-Ion Battery Market Size & Share Forecast Report 2023–2032, GMI Insights.
• Deng J., Bae C., Denlinger A., Miller T. Electric vehicles batteries: requirements and challenges. Joule, 4, 2020, 511–515.
• Wali S.B. et al. Grid-connected lithium-ion battery energy storage system: A bibliometric analysis for emerging future directions. Journal of Cleaner Production, 334, 2022, 130272.
• Wang Y. et al. High-Voltage Single-Crystal Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries. Energy & Fuels, 35, 2021, 1918–1932.
• EVlithium. LiFePO4 Batteries VS Ternary (NMC) lithium batteries. 2023.
• Agilent Technologies. A Practical Guide To Elemental Analysis of Lithium Ion Battery Materials Using ICP-OES. Publikace 5994-5489EN.