Rapid Composition Monitoring of Raw Li-ion Battery Electrode Materials Using LIBS

在电池正极和负极中保持精确的化学成分对优化电池性能至关重要。监测电池电极原料的元素组成是确保终产品中电池化学成分正确的重要质量控制步骤。通常用于分析这些原材料的技术(如ICP-OES)，需要对样品进行消解。这些技术提供准确和可靠的结果，但消解需要时间，产生危险废物，而且可能不适合对原材料进行快速质量控制分析。
激光诱导击穿光谱（LIBS）为粉末和压片形式的锂离子电池电极原材料提供实时分析。该方法具有样品制备量少、分析量大、无危废产生、功率要求低、操作成本低、不需要高真空设备进行分析等优点。
在这项工作中，我们使用Applied Spectra的J200 LIBS仪器分析用于制造LiNiMnCoO2正极原料粉末的主要组成。LIBS基于先进的多元校正技术，为被测样品提供了准确和精确的分析性能。

本研究感兴趣的分析物被标记并显示在图2和3。从图中可以看出，LiNiMnCoO₂正极原材料中Li、Ni、Mn、Co、O等元素相关的LIBS发射线可以被J200 LIBS仪器有效收集，并且可以用来定量这些元素的浓度。

图2 从J200 LIBS仪器获得的正极原料的LIBS全光谱

图3 显示整个LIBS光谱的较小部分，以便直观地查看Ni、Mn、Co和Fe原子线 

LIBS发射线与未加工的LiNiMnCoO₂阴极材料的主要成分如Li，Ni，Mn相关，而且O能被J200 LIBS仪器有效捕获，可用于量化这些元素的浓度。此外，图中还显示了原料粉末中的其他杂质，如Fe、Ca和Na也可以快速筛选。通过对五种正极原材料的分析，确定了正原极材料的多元校正方法。

表1 多元校正方法对两个原材料样品的精度和精密度值的校正结果

采用ICP-OES法测定了两个参考样品的Li、Ni、Co、Mn浓度，并进行了多元校正。表1给出了该方法Li、Ni、Co、Mn的准确度和精密度。结果表明，该方法具有良好的精密度(≤2% RSDs)，除1个元素＜8%外（样品1中Li），其余元素的准确度均＜3%偏差。