ICP-OES法測(cè)定磷酸鐵鋰中鋰鐵磷的分析方法

白曉艷，馬小利，張 超，唐海波，盧世剛

(北京有色金屬研究總院，北京100088)

ICP-OES法測(cè)定磷酸鐵鋰中鋰鐵磷的分析方法

白曉艷，馬小利，張 超，唐海波，盧世剛

(北京有色金屬研究總院，北京100088)

研究建立電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)法同時(shí)測(cè)定磷酸鐵鋰中三種主元素鋰、鐵、磷的分析方法。鋰、鐵、磷的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.5%。加標(biāo)回收率：鋰99.8%，鐵97.7%，磷100.2%。該方法簡(jiǎn)單快捷，重復(fù)性好，準(zhǔn)確性高，可以滿(mǎn)足電池材料的快速檢測(cè)需求。

磷酸鐵鋰；ICP-OES；分析方法；主元素

磷酸鐵鋰作為一種新型的鋰離子電池正極材料，具有成本低、毒性小、理論容量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在新能源領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)于磷酸鐵鋰的文獻(xiàn)報(bào)道大部分是合成方法或性能研究，分析方法方面的研究報(bào)道不多，而磷酸鐵鋰中鋰、鐵、磷三種主元素的準(zhǔn)確定量對(duì)于合成工藝調(diào)整、產(chǎn)物性能研究和產(chǎn)品質(zhì)量控制都有重要影響。在磷酸鐵鋰成分分析方法中，鋰的分析可以采用原子吸收法[1]，鐵和磷的測(cè)定一般采用化學(xué)法[2-3]，采用氧化還原滴定測(cè)定鐵，采用重量法測(cè)定磷，但傳統(tǒng)的化學(xué)法操作過(guò)程復(fù)雜、分析周期長(zhǎng)。ICP具有靈敏度高、自吸效應(yīng)小、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。譚立志等[4]報(bào)道了

電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)法測(cè)定磷酸鐵鋰中鋰鐵磷及摻雜元素的方法，但鋰、鐵、磷的測(cè)試結(jié)果還需要用標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行校正。本文通過(guò)ICP-OES法研究建立一種快速、準(zhǔn)確的分析方法，無(wú)需校正可以同時(shí)測(cè)定磷酸鐵鋰中鋰、鐵、磷三種主元素的含量，并對(duì)該方法的精密度和加標(biāo)回收情況進(jìn)行了考察。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器和試劑

儀器：美國(guó)安捷倫725全譜直讀型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀。

試劑：鹽酸(優(yōu)級(jí)純)；去離子水(一級(jí))。

標(biāo)準(zhǔn)溶液貯存液：國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心生產(chǎn)的Li、Fe、P標(biāo)準(zhǔn)溶液(濃度為1 mg/mL)，測(cè)試時(shí)稀釋使用。

1.2 實(shí)驗(yàn)

1.2.1 樣品溶液準(zhǔn)備與碳含量測(cè)定

首先選擇不含碳的磷酸鐵鋰樣品進(jìn)行前處理實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確稱(chēng)取0.1 g(精確到0.000 1 g)樣品于100 mL燒杯中，加入幾種不同的酸，如表1所示。

表1 溶解樣品實(shí)驗(yàn)

為了提高磷酸鐵鋰的電導(dǎo)率，通常會(huì)包覆少量的碳，當(dāng)測(cè)試包覆碳的磷酸鐵鋰樣品時(shí)，加入10 mL(1+1)鹽酸，低溫加熱溶解。不溶解的部分是黑色的碳渣，溶液冷卻后用定量濾紙進(jìn)行過(guò)濾，并洗滌沉淀，定容后的濾液可以用于主元素的測(cè)試。

將過(guò)濾后的碳渣與濾紙一起在烘箱中150℃干燥，然后稱(chēng)重，扣除濾紙的質(zhì)量，可以得到磷酸鐵鋰樣品中碳的質(zhì)量，從而計(jì)算磷酸鐵鋰樣品的碳含量。該方法簡(jiǎn)單易行，不需要使用碳硫分析儀，直接測(cè)定樣品中的碳含量。

1.2.2 儀器參數(shù)優(yōu)化

鋰、鐵、磷三種元素在ICP中的揮發(fā)和解離的性質(zhì)差異較大。鋰為易揮發(fā)、易電離元素，鐵為中等揮發(fā)、中等電離元素，而磷屬于易揮發(fā)、難電離元素，因此三種元素不存在波長(zhǎng)干擾。折中考慮三種元素的情況，對(duì)儀器的功率、霧化器流量和觀測(cè)高度進(jìn)行優(yōu)化，最終確定的條件為：RF功率為950 W，霧化器流量為0.9 L/min，觀測(cè)高度為10 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸基體的影響

分別實(shí)驗(yàn)了HCl和HNO3為介質(zhì)，不同濃度下譜線強(qiáng)度的變化情況。由于酸度太高對(duì)儀器有害，因此選擇了2%、5%和10%三種濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明隨著酸度從2%增加到10%，Li、Fe、P三種元素的譜線強(qiáng)度都是逐漸降低。酸度相同的情況下，HCl介質(zhì)的強(qiáng)度比HNO3介質(zhì)強(qiáng)度高，因此選擇2% HCl介質(zhì)進(jìn)行測(cè)試。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線

Li、Fe、P的測(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法，保持標(biāo)準(zhǔn)溶液的酸度與待測(cè)樣品溶液酸度一致。在選定的儀器優(yōu)化條件下，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)曲線方程

2.3 精密度實(shí)驗(yàn)

選取兩種磷酸鐵鋰樣品，重復(fù)測(cè)定Li、Fe、P含量各6次，測(cè)定結(jié)果如表3所示。

表3 精密度實(shí)驗(yàn)

2.4 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，在樣品中分別加入一定量的Li、Fe、P標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)試，由表4可以看出三種元素的回收率均較好，說(shuō)明該方法的準(zhǔn)確度高。

表4 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

本文建立了ICP-OES法定量測(cè)定磷酸鐵鋰樣品中三種主元素含量的方法。采用鹽酸溶解樣品，將不溶解的碳進(jìn)行過(guò)濾，樣品經(jīng)過(guò)一次前處理，可以先采用ICP-OES法測(cè)定三種主元素的含量，再通過(guò)重量法計(jì)算碳含量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了儀器參數(shù)，并選擇合適的酸基體濃度。測(cè)試結(jié)果中鋰、鐵、磷的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.5%，回收率在97.7%～100.2%。該方法簡(jiǎn)單快速，可以滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化測(cè)試的需求，還可適用于磷酸鐵鋰焙燒前半成品的檢驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性起到監(jiān)控作用。

[1]張玲，付大勇，李永坤.鋰離子電池正極材料中高含量鋰的測(cè)定[J].電池，2004，34(1)：73-74.

[2]王曉艷，王星，王玉鋒.LiFePO4化學(xué)成分測(cè)定[J].電源技術(shù)，2006，30(9)：764-768.

[3]劉平，樊勇利.LiFePO4/C正極材料中鐵、磷、碳含量的測(cè)定方法研究[C]//第28屆全國(guó)化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會(huì)會(huì)議論文.廣州：中國(guó)電子學(xué)會(huì)化學(xué)與物理電源技術(shù)分會(huì)，2009.

[4]譚立志，時(shí)振偉，王星.ICP-OES法快速測(cè)定LiFePO4中鋰鐵磷三元素及摻雜元素[J].電源技術(shù)，2010，34(10)：1080-1081.

Determination of three main elements in lithium iron phosphate by ICP-OES

BAI Xiao-yan,MA Xiao-li,ZHANG Chao,TANG Hai-bo,LU Shi-gang
(Beijing General Research Institute for Non-ferrous Metals,Beijing 100088,China)

An ICP-OES method for simultaneous analyzing three main elements of lithium iron phosphate was established.The RSD of lithium,iron and phosphor are all lower than 0.5%.The recoveries of lithium,iron and phosphor are 99.8%,97.7%and 100.2%,respectively.The method is simple and fast.The good repeatability and high accurate method can satisfy the quick determination demand of battery material.

lithium iron phosphate;ICP-OES;determination;main element

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1641-02

2015-01-12

白曉艷(1977—)，女，山西省人，博士，工程師，主要研究方向?yàn)殡姵夭牧戏治鰴z測(cè)。