Determination of Essential Metals and Trace Elements in Black Mass using ICPE-9820

Význam tématu

Recyklace lithio-iontových baterií (LiB) je klíčová pro udržitelnou výrobu a omezení negativních dopadů těžby strategických kovů. Analýza tzv. black mass, směsi granulovaných kovů, grafitu a elektrolytu, umožňuje efektivní zpětné získání cenných prvků a optimalizaci recyklačního procesu.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo vyvinout a ověřit metodu simultánní kvantifikace esenciálních kovů (Li, Co, Ni, Mn aj.) a stopových prvků v black mass pomocí simultánního ICP-AES přístroje Shimadzu ICPE-9820. Metoda byla navržena pro vysokou přesnost, široké lineární rozsahy a nízké provozní náklady.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorek black mass byl rozemlet a zhruba 100 mg vzorku podroben mikrovlnné digesci v prostředí aqua regia (3,75 mL HCl + 1,25 mL HNO3) podle programu dvoustupňového ohřevu (240 °C, 1800 W, 25 min ramp + 40 min držení). Po ochlazení a doplnění na objem 50 mL se směs filtrace přes 0,45 µm PTFE filtr a ředění 1:10. Kalibrace probíhala ze standardních roztoků prvků s yttriem jako interním standardem.

Instrumentální podmínky

• Přístroj: Shimadzu ICPE-9820
• Radiofrekvenční výkon: 1,2 kW
• Plazmový plyn: 10,0 L/min, pomocný plyn: 0,60 L/min, nosný plyn: 0,70 L/min
• Nebulizér a cyklonová sprchovací komora, mini hořák
• Simultánní pozorování: axiální a radiální

Hlavní výsledky a diskuse

Kalibrační křivky všech cílových prvků vykázaly vynikající linearitu (R>0,9999 kromě Na ~0,9992). IDL a LOQ se pohybovaly v řádu desetin mg/L až mikrogramů na litr. Kvantitativní analýza ukázala, že Al, Co, Li, Mn, Ni se v black mass vyskytují v koncentracích >1 wt %, ostatní prvky na úrovni mg/kg. Test spike recovery potvrdil nízký vliv matrice s obnovami 93–112 %.

Přínosy a praktické využití metody

• Simultánní detekce stopových a makroprvků zkracuje dobu analýzy.
• Mini hořák snižuje spotřebu argonu a provozní náklady.
• Vysoká citlivost a odolnost vůči matrici zajišťují spolehlivé výsledky.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Automatizace přípravy vzorků a integrace do linky recyklace pro on-line monitoring.
• Rozšíření metody na další recyklační matrice (elektronický odpad, kobaltné sloučeniny apod.).
• Speciační analýza kovových forem a propojení s procesními kontrolami.

Závěr

Studie prokázala, že ICPE-9820 je schopný spolehlivě a ekonomicky analyzovat široké spektrum prvků v black mass, čímž přispívá k efektivní recyklaci LiB a snižování ekologické zátěže těžby.

Použitá instrumentace

• ICP-AES spectrometr Shimadzu ICPE-9820 s mini hořákem
• Microwave digester pro vzorek
• Nebulizér a cyklonová sprchovací komora

Reference

• Kim T., Song W., Son D.-Y., Ono L. K., Qi Y. Lithium-ion batteries: outlook on present, future, and hybridized technologies. J. Mater. Chem. A. 7(7):2942–2964 (2019).
• Directive 2006/66/EC of the European Parliament and of the Council on batteries and accumulators and waste batteries and accumulators. Official Journal of the European Union L 266:1–14 (2006).
• Nóbrega J. A., Carnaroglio D., Volpi M., Rota G. Tackling sample preparation for elemental analysis in the lithium-ion battery industry. Milestone Srl (2023).