锂电池材料中无机元素、有机成分，材料物理性能检测方案(ICP-MS)

珀金埃尔默产品在锂电材料检测中的应用概览 珀金埃尔默锂电池检测解决方案 锂电池因自放电率低、能量密度高、寿命长等诸多优势而应用广泛。其中，动力锂电池具有能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，是新能源汽车的核心部件。根据GII数据，2019年全年累计动力电池装机量约62.38GWh，同比增长9.48%。《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》提出了“到2025年新能源汽车新车销售占比要达到车辆总销售的20%左右”的新目标，以及“2035年我国新能源汽车核心技术要达到国际先进水平，质量品牌要具备较强的国际竞争力”的远期目标。锂电池市场发展空间巨大。 锂电池的生产分为几个环节，上游为原材料的开采、加工和冶炼环节；锂电池中游涵盖了正极材料、负极材料、电解液以及隔膜的生产；下游主要涉及电芯制造和Pack封装。各个环节都需要用到仪器分析以确保品质符合要求。珀金埃尔默致力于提供专业、可靠的锂电池检测解决方案，助力锂电安全发展。 无机元素分析 有机成分分析 材料物理性能 正极、负极、电解液等锂电池关键材料中的元素含量对成品质量有重大影响，是锂电原材料质控的关键项目： Ni、Co、Mn、Li等常量元素的含量决定了正极材料的性能表现 ，杂质元素含量决定了锂电池安全等性能 ICP-MS应用 锂电池的关键材料中的杂质元素的浓度，对电池的充放电性能起到至关重要的作用。 一般金属元素杂质分析采用ICP-OES。而ICP-OES由于其仪器原理的局限，无法满足部分浓度较低杂质元素的检测。ICP-MS检出限相比ICP-OES更低，能很好地解决这一问题。针对锂电池元素杂质分析，珀金埃尔默NexlON系列ICP-MS具备如下优势： 采用AMS全基体进样系统，在线通入稀释气，配合大锥孔设计，有效解决高酸及高颗粒样品中易堵塞锥口的问题 采用四极杆离子偏转器(QID)， 90度偏转离子，可以获得优异的基体耐受性、仪器稳定性以及更低的记忆效应 NexlON系列ICP-MS 单颗粒(SP)-ICP-MS评估铜颗粒、含铜颗粒的数量及粒径分布 ICP-MS测定正极材料中杂质元素的平行性 样品名 Zn(ppb) cu(ppb) NC001-1 957 457 NC001-2 977 449 RSD 1.4% 1.2% LM020-1 3313 1281 LM020-2 3290 1298 RSD 0.5% 0.9% B-后-3+10ppb 14.67 17.90 SP-ICP-MS测定正极材料中铜颗粒及含铜颗粒的数量、粒及及分布结果 4 分析物 平均尺寸(nm) 139278 1 Cu 118757 2 287535 222548 元素分析方案 ICP-OES应用 除了锂电池关键材料中的杂质元素外，正极材料，尤其是三元材料中主量元素的比例直接决定了锂电池的性能表现。珀金埃尔默Avio系列ICP-OES除了可以检测杂质元素，还能针对主量元素进行准确测定，助力电池质量精准控制。 Avio系列ICP-OES检测锂电池样品具有以下优势： 实时内标法带来0.1%的测试稳定性，非常适合主量元素测定 专利的双向观测能同时满足测定高浓度与低浓度的需求 电解液类含有机溶剂样品可稀释后直接进样 独有的扣除光谱干扰功能，解决了ICP-OES分析复杂基体样品中的谱线干扰问题 Avio@系列ICP-OES 氩气消耗速度低，9L/min，节约一半氩气 正极材料主量元素稳定性 摩尔比 3小时长期稳定性 RSD Ni231.604 0.5090 0.5093 0.5089 0.5086 0.06% Mn257.610 0.2429 0.2426 0.2432 0.2433 0.11% Co228.616 0.2481 0.2480 0.2479 0.2481 0.04% 负极材料杂质元素的检测 杂质元素 浓度(ug/g) 杂质元素 浓度(ug/g) 杂质元素 浓度(ug/g) 杂质元素 浓度(ug/g) Al 1.3 B 0.549 Ca 20.8 Cd 0.127 Co ND Cr 3.51 Cu ND Fe 7.9 K ND Li ND Mg 1.38 Mn 0.19 Na ND Ni 1.15 Pb 1.13 S 10.1 Sn ND Ti 2.72 Zn ND 材料表征方案 傅立叶变换红外光谱应用 FT-IR技术是先进锂电池研发过程中的一种重要的材料表征手段。它能提供化学键和官能团的具体信息，以确定氧化降解过程中影响锂电池性能的瞬时锂态和杂质情况。采用红外光谱和红外成像技术，可以表征粘结剂和隔膜材料在充放电过程中的化学键变化及劣化情况。珀金埃尔默红外光谱仪配备了一系列先进的创新设计，旨在为为电池产品研发提供卓越的光谱分析能力。其中Spectrum 3系列还可以升级为具有衰减全反射(ATR)图像功能的SpotlightTM400红外成像系统，极小样本也能高分辨地检测，并通过红外光谱数据可视化地展示材质成分。 Spectrum TwoTM傅立叶变红红外光谱 Spectrum3傅立叶变换红外光谱仪 SpotlightM400傅立叶变换红外成像系统 隔离材料的裂化分析 正极材料定性分析 采用ATR红外成像技术评估隔膜劣化情况 正极活性材料远红外分析：使用1次反射的钻石晶体ATR附件，可获得正极材料的无机氧化物信息，从而对正极材料进行定性分析并检测劣化状态。 材料表征方案 热分析应用 锂离子充电电池所使用的材料的耐热稳定性(热分解、产生气体等)测试非常重要。例如隔离材料，其结晶结构可左右电池性能。另外，如果在封装过程中使用了环氧类固化材料，则需要对其固化度进行检测。使用由热分析仪器与光谱及质谱等仪器联用组合而成的逸出气体分析系统，为您提供可获取材料正确信息的有效快速的分析方法。 DSC 8500差示扫描量热仪 TGA 8000TM热重分析仪 DMA 8000动态机械分析仪 热重-质谱联用系统 应用优势： · DSC 8500采用功率补偿型设计原理，能真实直接测量能量和温度而非温度差 ·DMA 8000自由旋转的测试头，可旋转180度，从而在任何合适的方位进行装样测试 。珀金埃尔默提供从色谱、质谱到光谱、热分析技术等全面的产品支持，可将不同产品联合使用， 充分利用各个仪器的优势，产生协同效应，达到单次试验获得多个结果的目的 负极材料的“热失控”过程分析 样品的热重数据(红色为绝对失重曲线；蓝色为失重速率曲线) 六种离子碎片的温度扫描曲线在相同丰度坐标下的比较图 失效分析方案 气相色谱及气相质谱可进行电解液(包括添加剂)成分分析、溶剂组分含量测定，以及石墨类负极材料有机物含量测试。可通过分析充放电后的电解液确认组成比例的变化及分解成分等，进而有助于判断电池失效的原因。Arnel@Model 4017可用于分析电池内部产生的气体，常见产气成分有H，、CO、CO， 等永久性气体以及 CHCHAC，H，等烷烃类气体，从而推测电池的内部状态。 Clarus@系列气相色谱仪 Clarus@ SQ 8气相色谱质谱仪 Arnel@Model 4017分析常见轻质气体标样图 Clarus SQ8 GC/MS检测锂电池电解液中9中碳酸酯类的选择离子流图 Clarus SQ8 GC/MS检测电电池电解液中9中碳酸酯类的结果 化合物 方法检出限 定量限 精确度(RSD%) 回收率(%) 线性(R2) (ug/mL) (ug/ml) 标准品 实际样品 碳酸二甲酯 0.111 0.444 1.69 1.97 101.85 0.9992 碳酸甲乙酯 0.176 0.705 2.16 1.7 100.6 0.9995 碳酸甲乙酯 0.172 0.69 1.99 96.7 0.9994 丙酸正丙酯 0.171 0.684 1.9 92.4 0.9991 碳酸亚乙烯酯 0.166 0.664 1.62 98.1 0.9993 氟代碳酸乙烯酯 0.104 0.415 1.91 95.3 0.9996 氟代碳酸乙烯酯 0.146 0.584 1.34 1.89 104.45 0.9997 碳酸丙烯酯 0.086 0.343 1.02 1.78 93.05 0.9996 1，3-丙烷磺内酯 0.08 0.32 1.34 1.75 94.05 0.9997 电池研发 正极活 导电材 粘结剂 极性标签/ 正极活 粘结剂 极性标签/ 定性 溶媒 电解质 性物质 料 标牌等 性物质 标牌等 定性·定 定性·定 定性·定 材料定 定性·定 定性·定 材料定 定性·定 定性·定 量 量 量 性·定量 量 量 性·定量 量 量 原子吸收(AA) . . 等离子体发射光谱仪(ICP-OES) . . . . 电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)。 . 红外光谱(FTIR) . 气相色谱质谱(GC/MS) 热分析 (DSC， TG，STA) . . . . 质量控制 电池 原材料 工程管理 存储管理 劣化解析 杂质调查 杂质及组成管理 杂质调查 异物调查 定性·定量 定性·定量 定性·定量 定性·定量 定性·定量 定性 原子吸收(AA) . 等离子体发射光谱仪(ICP) . . 电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS) . 红外光谱(FTIR) . . . . 气相色谱质谱(GC/MS) 热分析(DSC，TG，STA) . 武汉分公司 地址：武汉武昌临江大道96号 武汉万达中心1808室 电话：027-88913055 传真：027-88913380邮编：430062 广州分公司 地址：广州市荔湾区芳村大道白鹅潭 下市直街1号信义会馆12号 电话：020-37891888 传真：020-37891899 邮编：510370 沈阳分公司 地址：沈阳市沈河区青年大街167号 北方国际传媒中心2803-2805室 电话：024-22566158 传真：024-22566153邮编：110014 南京分公司 地址：南京市鼓楼区中山北路2号 紫峰大厦17楼1701室 电话：025-51875680 传真：025-51875689邮编：210008 传真：028-87857221邮编：611730 中文网址： www.perkinelmer.com.cn 客户服务电话：8008205046 400 8205046 ( 要获取我们位于全球的各个办公室的完整列表，请访问 http：//www.perkinelmer.com.cn/AboutUs/ContactUs/ContactUs/ ) ( 版权所有 2020，PerkinElmer， Inc. 保留所有 权 利。Perkin E lmer是 PerkinElmer， Inc.的注册商标。其他所有商标均为其各自持有者或所有者的财产。 ) 本资料中的信息、说明和技术指标如有变更，恕不另行通知。 济南分公司 ( 地址：山东省济南市市下区区源大街102号祥恒广场701室 ) ( 电话：0531-86936692 传真：0 5 31-8693668 2 邮编：2 5 0014 ) ( 昆明分公司 ) ( 地址：云南省昆明市五华区三市街 柏白广场6号写字楼12层1203室 电话：0 8 71-65878921 ) 传真：0871-65878579邮编：650021 欲了解更多信息，请扫描二维码关注我们的微信公众账号 www.perkinelmer.com.cn 随着手机、数码产品、电动汽车的普及，锂电池在人们生活中扮演着越来越重要的角色。随之而来的锂电池的性能和安全问题成为人们关注的焦点。除了某些外部因素，如过充、火源、挤压、穿刺、短路等，以及在锂电池电极制造、装配等过程中的质量控制起到很大影响之外，主要影响因素来源于以下几个方面：正极材料：当锂离子电池使用不当时，导致电池内部温度过快升高，造成正极材料中的活性物质分解和电解液的氧化，从而产生大量热量，使得电池过热，引起燃烧甚至爆炸。负极材料：如果以金属锂做负极材料，电池经过多次充放电后容易产生锂枝晶，进而刺破隔膜，导致电池短路、漏液。目前常用嵌锂化合物作为负极材料，有效避免锂枝晶的产生，提高安全性。隔膜与电解液：锂电池的电解液通常为锂盐（如六氟磷酸铝）与有机溶剂（如碳酸酯）的混合溶液，电池温度较高时下易发生热分解。