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有“锂”行天下|从原料到回收, 锂离子电池行业检测解决方案

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概述
实验/设备条件
样品提取
实验/操作方法
实验结果/结论
仪器/耗材清单

前言

电池支撑着可再生能源发电的持续进展。根据功率容量、电荷保持和重量等的不同,我们需要多种多样的电池类型来适配不同的应用场景。


并且需要高纯度组件来保证生产安全、高质量、性能卓 越且使用寿命更长的电池。但是,在电池寿命周期的所有阶段,需要准确的分析测试解决方案来评估材料和相关的化学品。


电池原材料

采矿公司和化学品生产商使用电感耦合等离子体质谱或发射光谱(ICP-MS、ICP-OES)来分析元素杂质以及对制造成本、安全和环境的影响。


ICP-OES

- 确定原材料的质量。

- 测定锂、镍、锰、钴等元素的组成比例及杂质

- 表征和开发理想电极材料。


ICP-MS

- 量化金属精矿中的杂质。

- 表征充电式电池中使用的稀土元素(REE)的含量,例如铈、钇、镧、钕等其他元素。


电解质


作为一种导电介质,电解质在充电时将离子从正极向负极转移,并放电时将离子从负极向正极转移。关于电解质的研究侧重于功能性电解质添加剂、阻燃性和新型电解质盐,包括新型固态材料等。


ICP-MS、ICP-OES

GC-MS、LC、HYPH


- 分析电解质中的元素和化合物杂质(ppb和ppt范围),以量化负极材料中的杂质。

- ICP-MS非常适合高灵敏度检测(ppb和ppt范围),量化负极材料中的杂质。

- GC-MS(气相色谱/质谱联用仪)是鉴别潜在挥发性化学化合物的标准方案。

- LC(液相色谱)法用于进一步进行成分和纯度/杂质分析。

- HYPH(联用)结合两种或更多数量的技术了解气体逸出的概念以及逸出的时间点。


电池组件生产


镍、锰和钴(NMC)的比例决定正极的性能,并最 终决定电池的性能。其他元素也正在研究中。此外,必须精确定义正极中使用的金属比例,确保电池质量。并且,负极材料(例如石墨)需要达到高水平的纯度,才能最 大限度地提高性能。


ICP-OES

- 杂质分析和元素分析的选择方法。

- 表征和开发最 佳负极材料(例如石墨)。


ICP-MS

- 提供用于定量负极材料(例如铜)中的杂质的高灵敏度(ppb和ppt范围)。


IR、TGA、DSC、HYPH

- 隔膜用于在正极和负极之间形成可渗透屏障。熔点、结晶度、厚度、化学组成和孔隙率等参数均为隔膜性能的重要指标。

- IR可用于鉴别和表征用于隔膜、电池外壳和电池组外壳的先进材料

- 粘结剂用于改善负极浆料对集流体的附着力,并改善活性物质的分散性。

- IR、TGA和DSC均提供有关粘结剂的重要信息,例如鉴定和热特性等。

- 联用技术结合两种或更多技术了解气体逸出的概念以及逸出的时间点。



电池组装


成品电池的生产商采用多种技术(包括ICP-MS、气相色谱和热分析),以确保用于汽车、储能、电子设备和医疗器械行业的电池组件的性能。


ICP-OES、ICP-MS、GC-MS

- 组装电池前,确保原材料具有足够纯度。

- 作为电池失效分析一部分的正极材料测试。

- 研究电解液中碳酸盐的成分和含量,以获得最 佳能量密度、循环寿命和安全性。

- 提供精确结果以及行业要求的回收率、线性度和检测限。

- 可使用热重分析和热机械分析确定受控加热条件下的热稳定性和分解曲线。


TGA、TMA

- 可使用热重分析和热机械分析确定受控加热条件下的热稳定性和分解曲线。


回收


电池行业正在努力提高回收能力,因为预计在未来数十年内,退役电池(达到可重复使用寿命末期的电池)的数量将呈指数级增长。但是,电池却很难实现有效分解,尤其是电动汽车(EV)电池,此类电池的设计寿命长达数年和数千英里行驶里程。


回收过程中的分析方法

- 基于ICP的方法为测定所有相关元素(镍、钴、锰等)提供最 佳参数。

- 原子吸收(AA)光谱、全反射X射线荧光(TXRF)或能量色散X射线(EDX)光谱提供关于回收废料的信息。

- 离子色谱(IC)可用于表征废金属的阴离子组分,如氟化物,会阻碍下游回收过程。

- GC和液相色谱(LC)法加上高分辨率质谱(HR-MS)可用于鉴定最 初使用的电解质组分,并提供有关添加剂的信息。

- 红外线(IR)可鉴定和表征高级材料,通常用于电池外壳和包装壳体中的聚合物。

- TGA和差示扫描量热法(DSC)可用于研究正极和负极材料(黑色物质)的混合物。

- 之后可进行基于GC的方法,提供有关释放化合物的更多信息。

- 联用技术解决方案(HYPH)结合多种技术,实现逆向工程并能够更好地了解逸出气体。常见示例包括TG-MS、IR-MS、TG-GC/MS




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