[发明专利]碳包覆磷酸铁锂中杂质金属元素的测定方法和应用

说明书

本发明提供了一种碳包覆磷酸铁锂中杂质金属元素的测定方法和应用，涉及锂离子电池技术领域。该测定方法，先对碳包覆磷酸铁锂待测样品进行高温烧结，再采用浓盐酸对烧结后样品进行消解、定容，得到磷酸铁锂待测溶液，然后配制含有杂质金属元素的标准溶液并绘制标准曲线，再采用电感耦合等离子体发射光谱仪对磷酸铁锂待测溶液中的杂质金属元素进行测定；其中，采用高温烧结作为前处理，可以使得磷酸铁锂表面包覆的碳完全碳化，如此，烧结后样品就可以被浓盐酸完全消解，使得杂质金属元素可以完全析出，从而能够准确测定杂质金属元素的含量，避免了采用现有方法时碳包覆磷酸铁锂不完全溶解而导致元素析出不完全或者过滤过程杂质引入问题。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别涉及一种碳包覆磷酸铁锂中杂质金属元素的测定方法和应用。

背景技术

磷酸铁锂作为锂离子电池的正极材料，具有能量密度高、安全性能好、循环寿命长等优点。随着对磷酸铁锂容量的需求提升，提高其导电性和容量的方法主要有掺杂法、材料纳米化和碳包覆法等。其中，掺杂法是在磷酸铁锂晶格中的阳离子位置掺杂一些导电性良好的金属离子以改变晶粒，从而提高内部导电性和锂离子扩散速率，常见掺杂元素有Ti、V、Mn等，但金属离子的增多对电池性能的其他影响暂不明确。材料纳米化法是通过机械球磨、控制煅烧温度、合成时采用均相前驱体等方法制备纳米级颗粒，虽然因纳米级颗粒减小了锂离子脱嵌时的应力和行程，但纳米级颗粒在充放电过程中易团聚，同时其结晶化程度也不够高，导致电池工作时电压不稳定。碳包覆法是通过一定方法在磷酸铁锂表面形成碳包覆层，从而提高导电性、抑制Fe的还原、吸附并保持电解液等作用，是最为常见和成熟的磷酸铁锂制备方法。目前电池行业内使用的磷酸铁锂普遍为碳包覆磷酸铁锂。

碳包覆磷酸铁锂材料生产技术较为成熟，但在生产过程中磷酸铁、碳酸锂、碳源等引入的杂质金属元素(例如Na、K、Ca、Mg等)会对电池容量、可靠性造成影响，故需要对碳包覆磷酸铁锂中的杂质含量进行测定。常用的测定磷酸铁锂粉料中Na、K、Ca、Mg含量方法有如下几种：

(1)ICP-OES法(或ICP-AES法)：国标GB/T 33822-2017《纳米磷酸铁锂》中是将磷酸铁锂试样经盐酸溶解后，用电感耦合等离子体发射光谱仪采用标准曲线法测试Na、K、Ca、Mg等元素含量。但在实际操作中，与磷酸铁锂粉料不同，碳包覆磷酸铁锂粉料在盐酸反应下不全溶且需要过滤，粉料中的元素未能全部溶解且引入了滤纸中的Na、K、Ca、Mg，从而造成测试结果很差。同样，《ICP AES法测定废旧磷酸铁回收碳酸锂中锂和金属杂质元素含量》和《ICP-AES法测定磷酸铁锂中杂质元素的分析方法》也均是采用盐酸对待测试样进行溶解，上述方法与国标GB/T 33822-2017方法一样存在无法使碳包覆磷酸铁锂全溶的问题。

申请号为202010833662.2的专利申请公开了一种碳复合磷酸铁锂中元素含量的定量检测方法，其是向待测样品中加入一定的酸(浓硝酸、浓硫酸、高氯酸的前两者或三种)，再使用微波消解仪对其进行加热消解，然后利用电感耦合等离子体发射光谱仪测试样品中元素含量。虽然此方法中的浓硫酸和高氯酸能够使碳复合磷酸铁锂完全溶解，但在仪器测试中，浓硫酸的粘度大，仪器雾化效果差，且残余的S会对雾化系统造成污染进而影响后续样品的测试。另外，高氯酸中的Na含量是磷酸铁锂中Na含量的10余倍，对磷酸铁锂Na含量测试有酸基体干扰。

(2)原子吸收分光光度法：《原子吸收分光光度法测定磷酸铁样品中钙、镁元素含量》一文公开了磷酸铁样品中钙、镁元素含量的测定，具体为：称取0.1000g磷酸铁待测样，在4mL(盐酸1:1)中加热完全溶解，转移至100mL容量瓶，加入2mL镧溶液后定容，测定镁元素含量；称取1.0000g磷酸铁待测样，在10mL盐酸(1:1)中加热完全溶解，转移至100mL容量瓶内，加入2mL镧溶液、1mL KCl溶液(10％)后定容，测定钙元素含量。分别测定待测样溶液吸光度，根据钙、镁标准曲线确定、镁离子浓度，再计算出待测样中钙、镁元素含量，同时作空白对照试验。该方法同样存在无法使碳包覆磷酸铁锂全溶的问题。