簡介 鋰（Li）在日常生活中發(fā)揮著重要作用，幾乎在現(xiàn)代生活的各個方面都能看到它的身影。鋰的最常見用途之一是用于電池。鋰電池可用于手機、電腦、電動汽車和其他所有便攜式電子設備。數(shù)十年來，消費者一直期待更長的電池壽命和更快的充電能力，而鋰電池技術(shù)的進步正是這一需求的反映。此外，電氣化、可再生能源和電動汽車的采用等全球趨勢催生了對具有更高質(zhì)控（QC）要求的鋰基材料的需求。 為了滿足對更高容量電池的需求，目前的電池生產(chǎn)技術(shù)必須改進，需要更好地控制所用的原材料及其物理特性。例如，鋰鹽通常從鹽水（一種高度濃縮的氯化鈉溶液）中提煉。在提取過程中，必須從最終產(chǎn)品中去除鈉，因為過多的鈉會導致電池終端產(chǎn)品過熱。因此，能夠檢測出鋰電池材料中存在的雜質(zhì)對制造商和供應商至關重要，以確保最終的電池性能不受影響。

目前，大多數(shù)鋰鹽化合物的純度是使用 ICP-OES進行分析的，但由于 ICP-OES 靈敏度的限制，只能對少數(shù)元素進行測量。由于該行業(yè)需要性能更好、壽命更長的電池，因此需要更高純度的原材料。盡管目前對電池生產(chǎn)中鋰鹽純度的要求還沒有行業(yè)標準，但在短短幾年時間里，許多制造商對純度的要求已經(jīng)從99%提高到99.9%。這一趨勢預計將在未來繼續(xù)下去，隨著鋰電池需求的不斷增長，高等級電池制造商需要在未來幾年內(nèi)將純度進一步提高至 99.95-99.99%。對純度要求的快速提高將改變對原材料的分析，我們需要分析更多的元素，并能夠準確測量較低的元素水平。為了滿足這些要求，雜質(zhì)分析儀必須從ICP-OES 更換為ICP-MS 或多重四極桿ICP-MS。 本應用文章將描述如何使用 PerkinElmer 的NexION® 5000 多重四極桿ICP-MS對四種鋰鹽進行分析。

實驗 樣品和樣品制備 共分析了四種鋰鹽：98% LiOH、99.95% LiOH、99% Li2CO3 和 99.998% Li2CO3（美國賓夕法尼亞州拉德諾市VWR International） – 見表1。

儀器條件 使用NexION 5000 多重四極桿 ICP-MS進行分析。本研究使用了NexION 5000的以下功能： 

 ? 通用池技術(shù)1，可提供反應、碰撞和標準模式； 

 ? 全基體進樣系統(tǒng)（AMS）在線氬氣稀釋系統(tǒng)2； 

 ? 電子稀釋（EDR），NexION 通用池的一項獨特功能，可對目標元素進行電子稀釋，而不增加分析時間或影響其他元素的靈敏度； 

 ? OmniRing 技術(shù)，第二代三錐接口（TCI）的一部分，經(jīng)過優(yōu)化以提高靈敏度，并為MS/MS和質(zhì)量轉(zhuǎn)移操作模式提供低的BEC。 NexION 5000 ICP-MS 配置了一個高通量系統(tǒng)（HTS）。該閥-定量環(huán)系統(tǒng)可大程度地減少樣品提升率和洗脫時間，相連的S23自動進樣器可自動引入樣品。表2列出了NexION 5000 ICP-MS和HTS系統(tǒng)的條件，表3列出了每種元素的操作模式。

結(jié)果和討論 正如本研究所示，在分析高純度物質(zhì)的過程中，我們可能需要同時測量主量/基質(zhì)元素和雜質(zhì)。但目前在主量和次要元素的測量方面存在著分析上的挑戰(zhàn)，我們必須加以克服。 分析溶液中的主量元素（在本研究中是Li）可能是一個挑戰(zhàn)。由于與微量元素相比，主量元素的濃度非常高，不稀釋就進行分析會造成檢測器飽和或重負荷。這可能需要在大多數(shù)系統(tǒng)中以兩種不同的濃度對樣品進行兩次分析：一次是分析微量元素，另一次是分析主要成分。但在NexION ICP-MS儀器中，可使用RPa（拒絕參數(shù)a）在通用池中對用戶選擇的質(zhì)量的信號進行選擇性地衰減。使用RPa不需要額外的分析時間。RPa可應用于單一質(zhì)量，而不影響方法中的其他質(zhì)量，也無需額外的內(nèi)標。在本研究中，針對6Li和7Li對RPa進行了優(yōu)化，分別為0.015和0.1，以確保所有標準液和樣品中的所有分析物都在檢測器的同一階段進行測量。 表4顯示了三種不同的碳suan鋰樣品制備液中鋰的結(jié)果。三個樣品的平均6Li和7Li結(jié)果都在0.1%以內(nèi)，證實了該方法的準確度。但應注意，0.1%的差異相當于250 mg樣品中的1 mg鋰。

因此，正如本研究所示，為了獲得準確且可再現(xiàn)的結(jié)果，在稱量樣品時必須非常小心，以盡量減少樣品稱量和轉(zhuǎn)移過程中的靜電。 確定了鋰分析的準確度后，下面將討論四個不同樣品中的雜質(zhì)測量。一直以來，該行業(yè)只要求鋰鹽的純度達到99%左右，雜質(zhì)含量用ICP-OES測量，所需的元素分析僅限于少數(shù)元素：Al、Ca、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Pb和Zn。但該行業(yè)的純度要求正在發(fā)生變化，電池制造商更青睞純度為99.9-99.95%的化合物和更全面的元素分析。

表5（第5-6頁）顯示了四種不同鋰鹽中的雜質(zhì)濃度?？偟碾s質(zhì)含量和相應的雜質(zhì)濃度見表末。低級別LiOH和Li2CO3樣品都被認為在限值以內(nèi)。但我們發(fā)現(xiàn)99.995% LiOH化合物的純度為99.992%，99.998% Li2CO3化合物的純度為99.995%，在這種情況下，這兩種化合物都不能通過質(zhì)控檢查。然而，假設只考慮此前提到的鹽類中通常被分析的元素，則這兩個樣品的純度分別為99.998%和99.999%，被認為在限值以內(nèi)。 在測量鋰化合物中的雜質(zhì)時，鈉（Na）和硫（S）的測量具有挑戰(zhàn)性，但可以使用NexION 5000 ICP-MS來克服這項挑戰(zhàn)。準確測量Na至關重要，因為它的存在會導致電池壽命縮短和爆炸事件。由于大多數(shù)鋰化合物來自于鹽水，它們的Na含量非常高，必須去除或大大降低其Na含量，以使電池生產(chǎn)可行。當使用ICP-MS分析鋰基質(zhì)中的微量Na時，面臨的挑戰(zhàn)是氧化鋰（LiO，出現(xiàn)在Na的相同質(zhì)量上：m/z 23）的干擾。由于Na是單一同位素元素，所以沒有可以使用的替代質(zhì)量。

有兩種方法可以去除LiO+對Na的干擾： 

 1. 使用6Li同位素的校正方程，這需要在每組樣品中測量已知的Li標準液，以確保準確的校正。 

 2. 通過在通用池中與100%的氨反應來消除LiO+的干擾。LiO+通過電荷交換與氨反應，產(chǎn)生中性LiO（在質(zhì)量23處不再可見）；Na不與氨反應，保持在質(zhì)量23處進行分析。 在本研究中，我們采用了第二種方法測定Na，因為它更簡單、更快速、更可靠。

硫是另一種難以用ICP-MS測量的元素，因為所有的同位素都出現(xiàn)在與O2 +相同的質(zhì)量處。然而，S+與O2反應，在m/z 48處生成SO+。因此，通過向通用池添加O2，S+很容易轉(zhuǎn)化為SO+。但是鈦（Ti）和鈣（Ca）的同位素也存在于質(zhì)量48。因為Ti+與O2迅速反應生成TiO+，它不會干擾SO+3。但Ca+不與O2反應，會干擾SO+。 在單四極桿儀器中，校正方程被用來描述質(zhì)量48的Ca干擾。但NexION 5000多重四極ICP-MS能夠克服這個問題：將第一級四極桿（Q1）設置為質(zhì)量32，只允許O2 +和S+進入通用池，以去除Ca。然后硫與氧反應生成SO+。將第二級四極桿（Q3）設置為質(zhì)量48，僅讓SO+到達檢測器。使用NexION 5000 ICP-MS不需要校正方程，因為Ti和Ca都不能通過Q1。

圖1顯示了本研究中測量的四個化合物的雜質(zhì)圖。藍色陰影代表通常在鋰鹽中測量的雜質(zhì)，而“其他"代表本研究中測量的其他雜質(zhì)。如圖1所示，98% LiOH和99% Li2CO3中的大部分雜質(zhì)是通常被測量的元素。但99.995% LiOH和99.998% Li2CO3中的大部分雜質(zhì)是在本研究中被測量的“其他"元素，這些元素通常不被測量。這些圖表明，在評估用于生產(chǎn)鋰離子電池的鋰鹽的純度時，測量其他元素很重要。

結(jié)論 鋰電池是當今社會的一種重要商品，隨著世界各國不再使用化石燃料，人們對更長壽命和更高效電池的需求會大大增加。電池生產(chǎn)中使用的鋰鹽大部分提取自鹽水，因此其雜質(zhì)含量較高。這些鹽的純度會影響電池的壽命、穩(wěn)定性和效率，推動了對更高純度的原材料的需求。目前的元素分析技術(shù)將逐漸不再適用于這些更高純度的材料。在本研究中，我們已經(jīng)表明，隨著鋰鹽純度的提高，有必要對傳統(tǒng)雜質(zhì)元素以外的其他元素進行分析。我們的研究結(jié)果表明，大多數(shù)雜質(zhì)來自于通常不被測量的元素。憑借其多重四極桿技術(shù)、四極桿通用池和其他專有功能，NexION 5000 ICP-MS 在鋰鹽分析方面提供了出色的檢出限和干擾校正。