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電池回收利用：使用Avio 550 Max ICP-OES測定黑色物質(zhì)中的主要成分
在過去幾年里，為了減少消費者活動對大氣的不利影響，鋰電技術(shù)得到迅速開發(fā)和廣泛應(yīng)用，其中影響最大的當屬鋰離子電池驅(qū)動的電動汽車的開發(fā)。但是，鋰離子電池的快速發(fā)展意味著需要采購更多原材料，這可能會對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。此外，鋰離子電池所需的鋰和其他元素(即正極元素：Li、P、Mn、Ni、Co)材料的資源有限，可能會造成電池成本上漲。
為了解決這些難題，新的電池技術(shù)正在開發(fā)中。但是在這些技術(shù)具備商業(yè)可行性之前，從廢舊鋰離子電池中回收重要金屬則成為鋰離子電池關(guān)鍵元素的重要來源之一。
廢舊電池的主要回收過程之一包括電池粉碎和焚燒，該過程會產(chǎn)生一種“黑色物質(zhì)”，其中包含目標金屬、灰燼、石墨和廢電解液，以及潛在較高濃度的污染元素。在測定黑色物質(zhì)中的主要元素的濃度后，回收商就可以從中提取和提煉正極金屬，使其用于新電池的生產(chǎn)。
本研究將關(guān)注黑色物質(zhì)中主要元素的測定，詳述樣品制備和分析。
實驗
樣品制備
稱取未知黑色物質(zhì)樣品50 mg，置于DigiTube®中，加入5 mL王水。蓋上DigiTube蓋子并保持蓋子是旋松狀態(tài)，將DigiTube放入樣品制備模塊中，根據(jù)表1所示程序加熱。將僅含有5 mL王水的制備空白液添加到樣品制備塊中。程序完成后，將樣品冷卻至室溫，加入去離子水至50 mL。使殘留石墨沉淀，用0.45 μm PTFE針式過濾器過濾樣品，以供分析。
表1:用于黑色物質(zhì)浸出的樣品制備模塊程序
根據(jù)在10%王水(v/v)中獲得的外部校準曲線進行測量，以匹配樣品的酸含量。釔(Y)用作內(nèi)標，在分析前添加到所有空白液、標準品和樣品中。
應(yīng)謹慎處理浸出的黑色物質(zhì)樣品，因為其中可能含有氫氟酸(HF)。黑色物質(zhì)中的廢電解液在浸出過程中可分解為HF。
儀器參數(shù)和條件
所有分析均使用珀金埃爾默的Avio® 550 Max全譜直讀式ICP-OES進行。所使用的條件列于表2，波長和觀測方式列于表3。由于樣品中存在HF，因此使用了耐HF的進樣組件MiraMist霧化器和耐HF的旋流霧化室。使用SmartQuant™ 1進行初始樣品篩選。SmartQuant™是Syngistix™ for ICP軟件的強大半定量分析模塊，它利用通用數(shù)據(jù)采集(UDA)2可提供多達75個元素的快速分析，每個元素有多個波長和觀測方式。
表2:Avio 550 Max ICP-OES儀器條件
表3:元素、波長和觀測方式
在測定了這些樣品中的正極材料和雜質(zhì)后，利用Avio Max的標準DualView功能同時采集軸向與徑向觀測兩種觀測方式的數(shù)據(jù)。用于分析的最終波長如表3所示，每個元素至少使用了2個波長進行結(jié)果驗證。
結(jié)果和討論
初始樣品篩選
雖然黑色物質(zhì)樣品預(yù)期含有高濃度的正極元素，但也可能存在各種濃度的其他元素，因為黑色物質(zhì)通常是來自不同制造商的不同類型電池的混合產(chǎn)物。Syngistix軟件的SmartQuant模塊可提供簡便的篩選和快速半定量分析。
圖1顯示了用于分析黑色物質(zhì)樣品的SmartQuant定性與半定量數(shù)據(jù)結(jié)果，顏色越深則表示用戶定義范圍內(nèi)的濃度越高。這些結(jié)果表明預(yù)期元素Li、P、Mn、Co和Ni為最高濃度。通過點擊元素周期表中所需的元素(例如Mn)，可以通過軸向和徑向觀測兩種觀測方式展示前三個建議波長的光譜。另外，結(jié)果表會自動突出顯示選中的元素。光譜中的填充峰表明這些峰確實是選定元素。
圖1.SmartQuant定性與半定量數(shù)據(jù)，顯示了未知黑色物質(zhì)樣品的測定結(jié)果(Mn)(點擊查看大圖)
然而，圖1也顯示出高濃度的Ag、Sb和Ir，這是非預(yù)期狀況。例如，在元素周期表中點擊Ag，就會出現(xiàn)Ag光譜(圖2)。三條Ag譜線中有兩條存在峰，但它們只有一半被填充，這表明存在重疊Ag 328.068 nm和Ag 243.778 nm譜線的干擾。Ag 338.289光譜顯示無峰，恰好證實了這一點。由此可以得出樣品中不含Ag的結(jié)論。
圖2.SmartQuant定性與半定量數(shù)據(jù)，顯示了未知黑色物質(zhì)樣品的測定結(jié)果(Ag)(點擊查看大圖)
查看SmartQuant數(shù)據(jù)后，確定該樣品中含有較高濃度的預(yù)期正極元素(Li、P、Mn、Co、Ni)，以及顯著濃度的鋁(Al)、銅(Cu)、硫(S)、鈦(Ti)、鎢(W)和鋯(Zr)。此外，還檢測到硼(B)和鐵(Fe)。因此，對這些元素和主要正極元素進行了定量分析。
黑色物質(zhì)的定量分析
表4顯示了黑色物質(zhì)兩次定量分析的結(jié)果，以及兩次測定之間的相對百分比差異(RPD)。兩次分析之間的RPD小于3%，證明了Avio 550 Max方法十分穩(wěn)定。
表4:黑色物質(zhì)樣品兩次分析的結(jié)果
為了檢查是否存在樣品制備過程產(chǎn)生的污染，對制備空白液進行了分析。檢測到的元素僅有Al(0.010 mg/L)和P(0.022 mg/L)，這證實了樣品制備程序未引入污染。
●結(jié)論●
本研究證明了Avio 550 Max全譜直讀式ICP-OES測定電池回收利用產(chǎn)物黑色物質(zhì)中的主要成分和雜質(zhì)的能力。利用王水浸出，將元素從石墨中分離，使用SmartQuant作為篩選工具，并通過Avio 550 Max進行分析，使用戶可以在定量分析過程中專注于目標元素。這樣便可以從黑色物質(zhì)中回收重要金屬并提純以用于生產(chǎn)新的電池。
所用耗材
參考文獻
1.“Knowing the Unknowns with SmartQuant, a Powerful Semi- Quantitative Tool for ICP Analysis”, Technical Note, PerkinElmer, 2023.
2.“Universal Data Acquisition in Syngistix Software for Avio 550/560 Max ICP-OES”，Technical Note.PerkinElmer, 2020.