cella. Il principale costo relativo alla produzione di una batteria è dato dalle materie prime utilizzate, in particolare quelle necessarie per la costituzione del catodo, che è solitamente il componente più costoso dell’intera batteria.

Per la produzione del catodo, il materiale attivo che immagazzina gli ioni di litio viene applicato su un foglio di alluminio. La composizione del materiale attivo può variare ed è oggetto di ricerche finalizzate a rendere le LIB più potenti e con una maggiore capacità energetica. Attualmente, per la produzione del catodo vengono utilizzati: NMC (ossidi di litio, nichel, manganese e cobalto), NCA (ossido di litio, nichel, cobalto e alluminio), LFP (fosfato di ferro e litio) e LMO (ossido di litio e manganese). La produzione dei materiali attivi è solitamente un processo a più stadi, i cui materiali di partenza sono solitamente i sali dei metalli caratteristici.

Ad esempio, per la produzione di NMC vengono utilizzati solfato di nichel, solfato di manganese, solfato di cobalto e carbonato di litio (o idrossido di litio). Questi sali devono essere “compatibili con le batterie”, ossia devono possedere un’elevata purezza. Maggiore è la purezza, minore è il rischio che si formino fasi elettrochimicamente inerti che potrebbero impedire il trasporto degli ioni di litio, riducendo così la capacità reversibile e compromettendo le prestazioni della batteria.

Mentre le concentrazioni di tracce di impurezze metalliche vengono solitamente determinate mediante ICP-OES, il parametro di somma TOC (carbonio organico totale) è quello più rappresentativo per la determinazione delle impurezze organiche. Per la determinazione del TOC, il sale da analizzare viene sciolto in acqua ad elevato grado di purezza e successivamente analizzato tramite un analizzatore TOC per campioni liquidi.

Per la determinazione del TOC, è possibile ricorrere a due tipologie di ossidazione del campione: a elevata temperatura o mediante una sorgente UV. La digestione ad alta temperatura seguita da un rilevatore NDIR (Non-Dispersive Infrared Radiation), che quantifica l’anidride carbonica formatasi durante l’ossidazione dei composti organici, è il metodo più diffuso. Tuttavia, matrici altamente saline possono causare un’usura rapida del tubo di combustione e del catalizzatore al suo interno, a causa della formazione di ossidi e alla deposizione di sali.

Questo articolo presenta una soluzione per ridurre in modo considerevole il carico di sale e, quindi, l’usura del sistema, utilizzando uno speciale kit disponibile sui sistemi Analytik Jena della serie multi N/C 3300.

Sistema analitico
La determinazione del TOC è stata effettuata utilizzando il metodo NPOC, preferibile quando il campione non ha un carico elevato di composti organici volatili.
Per la determinazione del NPOC, i campioni vengono acidificati a pH ≤2 (tramite HCl 2M). Questa fase preparativa permette la decomposizione di carbonati e bicarbonati, con conseguente formazione di CO2 che può essere allontanata grazie a una fase di purging con gas ausiliario.
Dopo la rimozione del TIC (carbonio inorganico totale), il campione viene analizzato direttamente all’interno del tubo di combustione dotato di Salt Kit. I composti organici vengono completamente ossidati ad alte temperature e l’anidride carbonica formata in questo processo viene trasferita al rilevatore FR-NDIR (focus radiation non-dispersive infrared). Dopo una calibrazione preliminare, il contenuto di TOC del campione viene espresso in mg/L.

Tutti i sali analizzati, ad eccezione del carbonato di litio, avevano un’ottima solubilità in acqua, maggiore di 300 g/L. La concentrazione di TOC prevista nei sali, invece, era inferiore ai 20 mg/kg; quindi, sono state preparate soluzioni da 100 g/L per mantenere il carico della matrice il più basso possibile senza influenzare l’affidabilità dell’analisi.
Vista la minore solubilità in acqua del carbonato di litio, è stata utilizzata una soluzione 2M di HCl per preparare questa soluzione. La concentrazione finale di HCl in questa soluzione era quindi 1 mol/L.

Le soluzioni così preparate hanno consentito una riduzione ulteriore delle concentrazioni di sale a 50 g/L e 25 g/L. Un’eccezione a quanto sopra è stato il solfato di nichel, per il quale si è riscontrato un valore di TOC molto basso; quindi, la concentrazione è stata aumentata a 400 g/L per ottenere una determinazione attendibile del TOC.

L’analizzatore TOC è stato calibrato utilizzando soluzioni standard di potassio idrogeno ftalato in acqua nell’intervallo di concentrazione da 0,5 mg/L a 5 mg/L TOC. Per queste determinazioni è stato utilizzato il Salt Kit, caratterizzato da un tubo di combustione in quarzo con materiali di riempimento e una testa del tubo progettati specificamente per queste matrici.

La temperatura di combustione è stata selezionata in modo tale da garantire la completa decomposizione di tutti i composti organici e impedire la formazione di fusioni di ossidi e sali che renderebbero rapidamente inutilizzabile il riempimento del tubo di combustione.

I risultati analitici di tutte le soluzioni saline e di tutte le soluzioni arricchite sono riassunti nella Tabella 1.

Tabella 1: Risultati della determinazione del TOC nella soluzione salina

I risultati dimostrano che il TOC nelle soluzioni saline può essere determinato con ottima precisione e accuratezza. La deviazione standard dei campioni è inferiore al 5%, anche su bassi contenuti di TOC.

Il sistema multi N/C 3300 è un analizzatore TOC ideale per la determinazione di diverse matrici. Grazie alle sue elevate prestazioni, le soluzioni saline da analizzare possono essere preparate in concentrazioni molto basse, mantenendo il carico della matrice per l’analizzatore basso, garantendo comunque analisi del TOC affidabili. Il sistema offre anche la possibilità di impostare una temperatura di combustione inferiore per preservare il tubo di combustione.

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