二次電池中有鎳鈷錳酸鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰、鎳氫粉、磷酸鐵鋰等正極材料,銅、鐵、鋁、石墨、黏結劑和隔膜等輔助材料。其中正極材料中含有鎳、鈷、錳、鋰有價金屬。如果對報廢后的電池不進行分析和回收,而是采取簡單的填埋方式,會造成不可逆轉的環境污染和水體污染。由于鎳、鈷、錳等金屬越來越緊缺,二次電池廢料中有價金屬作為二次資源回收利用也刻不容緩?衫迷睾坎煌,回收價值也不同。準確測定二次電池廢料中鋰、鎳、鈷、錳的含量,建立準確可靠的檢測分析方法,為鋰、鎳、鈷、錳的回收利用起到積極的推動作用。
錳的測定方法有重量法、滴定法(電位滴定、硫酸亞鐵銨滴定法)、原子吸收光譜法和電感耦合等離子體光譜法;鎳的測定方法有重量法、滴定法(丁二酮肟分離-EDTA滴定法、直接EDTA滴定法)、原子吸收光譜法和電感耦合等離子體光譜法;鈷的測定方法有滴定法(EDTA法、電位滴定法和碘量法),還有分光光度法、原子吸收光譜法和電感耦合等離子體光譜法;鋰的測定方法有原子吸收光譜法和電感耦合等離子體光譜法。張玲等采用原子吸收光譜法測定鋰離子電池正極材料中鈷、鎳、錳的含量。陳平等采用化學法測定鋰電池中鎳、鈷、錳的含量。徐金玲利用高濃度差示光度法、重量法、氧化還原滴定法測定鋰離子電池正極材料中鎳、鈷、錳的含量。黃瑞鴻等采用高濃度示差光度法分析鎳鈷錳酸鋰中鈷的含量。譚靜進等采用絡合滴定、電位滴定法和差減法測定鋰離子電池中鎳、鈷、錳的含量。曹文忠等利用標準加入法ICP-AES同時測定廢舊電池中的鐵、鎘、鉻、鉛、錫和銅等6種元素。標準加入法操作起來比較繁瑣,不利于大批流程化試驗。王靜用電感耦合等離子體發射光譜(ICP-OES)法測定鎳鈷錳酸鋰中主元素含量。重量法和容量法一般流程長,耗時耗力,且只能單元素操作,而電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)只需要一次溶樣,待測元素同時測定,高效快速。電感耦合等離子體發射光譜(ICP-OES)法直接測定二次電池廢料中含量低于20%的鋰、鎳、鈷、錳的含量為推動電池回收行業、環保事業和新能源產業的發展和普及起到正向的積極效應,意義深遠。
1.實驗部分
1.1試劑與儀器
鹽酸、硝酸、高氯酸(分析純,國藥集團);實驗用水三級水即可;鋰、鎳、錳和鈷標準儲備溶液(1000μg/mL)。
電感耦合等離子體發射光譜儀(上海美析儀器有限公司)。
1.2實驗方法
1.2.1樣品處理
稱取0.5g(精確至0.0001g)試樣,將試樣置于200mL玻璃燒杯中,用少量水潤濕,加入15mLHCL低溫溶解約10min,加入5mLHNO3低溫加熱至試樣溶解完全后,取下冷卻至室溫,移入500mL容量瓶中,用水定容后混勻,靜置澄清。同法制備樣品空白,按儀器工作條件進行測定。
超出曲線的待測元素按表1分取上清液于100mL容量瓶中,補加10mLHCL后,用水稀釋至刻度,混勻。
1.2.2工作曲線的繪制
混合標準溶液系列的質量濃度根據表2規定的濃度進行配制。于ICP-OES在選定的波長處進行測定,以待測元素濃度為橫坐標,待測元素的發射強度為縱坐標,繪制工作曲線,工作曲線的相關系數≥0.9999。工作曲線線性關系見表3。
2.結果與討論
2.1溶樣方法選擇
采用兩種方案溶解1
#~4
#試樣。
方案1:稱取0.5000g試樣于250mL玻璃燒杯中,用少量水潤濕,加入15mLHCL低溫溶解約10min,加入5mLHNO3低溫加熱至試樣溶解完全后,取下冷卻至室溫。
方案2:稱取0.5000g試樣于250mL玻璃燒杯中,加入15mL鹽酸低溫溶解約10min,再加入5mL硝酸,3mL高氯酸,繼續加熱至高氯酸濃煙冒起,蒸至濕鹽狀。
用以上兩種方案對試樣進行溶解,溶解情況見表4。

對方案1中渾濁的樣品和方案2進行結果對照,對照結果見表5。
由表5所列結果發現方案1中渾濁的樣品和方案2所測定出的結果基本吻合,使用方案1溶解樣品時,1
#和3
#溶液中出現黑色不溶物,是因為樣品中含有一定量的碳。方案2流程較長,且需要使用高氯酸,對環境有污染,綜合考慮,實驗選擇方案1作為最佳溶樣方法。
2.2分析譜線的選擇
二次電池廢料中除鋰、鎳、錳和鈷外,主要存在10%左右的C、0.50%左右的S、15%左右的FE、25%左右的AL和20%左右的Cu等元素。表5中結果表明,C、S的存在不影響結果的測定。由于ICP-OES法同時測定多種元素的多條譜線,本文選擇被測元素的幾條譜線同時進行測定,最終選擇干擾小、背景低、信噪比高的譜線Li610.673nm、Ni231.604nm、CO228.615nm、Mn257.610nm為分析譜線。
2.3干擾元素的影響
二次電池廢料中除鋰、鎳、錳和鈷外,主要存在10%左右的C、0.50%左右的S、15%左右的FE、25%左右的AL和20%左右的Cu等元素。表5中的結果表明,C、S的存在對測定結果基本沒有影響。在100mL容量瓶中加入2.5mgAL、1.5mgFE和2.0mgCu的干擾元素(按最小稀釋倍數稀釋后溶液中所含基體元素的最大含量加入)和Li、Ni、CO和Mn標準溶液配制成濃度為1.00μg/mL和10.00μg/mL的混合標準溶液,按方法測定其濃度值,結果見表6。

結果表明,2.5mgAL、1.5mgFE和2.0mgCu的干擾元素對Li、Ni、CO和Mn的測定基本沒有影響。
2.4方法的精密度實驗
稱取一系列1!4#二次電池廢料樣品0.5g,精確至0.0001g,置于250mL玻璃燒杯中,按照實驗方法處理樣品,在選定的最佳儀器條件下測定樣品中的Li、Ni、CO和Mn的含量,每個樣品平行測定11次,相對標準偏差(n=11,RSD)<2%。表明方法有較好的精密度,結果見表7。
2.5方法對照實驗
對二次電池廢料試樣1!4#,按照實驗方法進行溶解樣品,分別采用ICP-OES法、AAS法(Li;含量≤10%Ni、CO和Mn)和滴定法(含量>10%Ni、CO和Mn)測定Li、Ni、CO和Mn元素,三種方法測定結果基本一致(表8)。
3.結論
該方法采用一次性溶樣,同時測定二次電池廢料中鋰、鎳、鈷和錳4種元素,且分別采用ICP-OES法、AAS法(Li;含量≤10%Ni、CO和Mn)和滴定法(含量>10%Ni、CO和Mn)測定Li、Ni、CO和Mn元素,三種測定方法進行了結果對照,發現ICP-OES法測定二次電池廢料中含量低于20%的鋰、鎳、鈷和錳準確可靠。該方法簡單快速,容易操作推廣,能夠滿足的日常分析檢測的需要。