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Der Ersatz herkömmlicher kraftstoffbetriebener Fahrzeuge durch batteriebetriebene Fahrzeuge ist für die Reduzierung von Kohlendioxid (CO2) Emissionen unerlässlich. Dieses Treibhausgas entsteht bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, daher wird die Begrenzung seines Eintrages in die Atmosphäre auch die globale Erwärmung beeinflussen. Die Batterieproduktion für Elektrofahrzeuge und andere wiederaufladbare Geräte (z. B. Mobiltelefone oder Laptops) erfordert strenge Qualitätskontrollen und Tests, um die beste Leistung sicherzustellen. Mittlerweile konzentriert sich die Batterieforschung auf die Entdeckung neuer Batteriematerialien mit höherer Energie- und Leistungsdichte sowie einer effizienteren Energiespeicherung.
In diesem Blogbeitrag möchte ich einige der analytischen Parameter hervorheben, die mit hochpräzisen Analysegeräten von Metrohm bestimmt werden können, und einige kostenlose Downloads in diesem Forschungsbereich bereitstellen.
Erfahren Sie in diesem Artikel mehr über die folgenden Punkte (Klicken Sie hier, um direkt zu den einzelnen Themen zu gelangen):
Was ist in einem Lithium-Ionen-Akku enthalten?
Heutzutage sind Lithium-Ionen-Batterien die am häufigsten auf dem Markt erhältlichen wiederaufladbaren Batterien. Eine Batterie besteht aus einer Anode (negative Elektrode) und einer Kathode (positive Elektrode). Ein Elektrolyt ermöglicht den Ladungstransfer in Form von Lithiumionen zwischen diesen beiden Elektroden. Ein zwischen Anode und Kathode platzierter Separator verhindert Kurzschlüsse. Einen beispielhaften Querschnitt finden Sie in Abbildung 1.
Die Anode besteht aus Graphit mit eingefügtem Lithium, das auf eine Kupferfolie aufgetragen ist, während die Kathode aus Lithiummetalloxiden besteht, die auf eine Aluminiumfolie aufgetragen sind. Kobalt, Nickel, Mangan oder Eisen sind die am häufigsten verwendeten Übergangsmetalle in Kathodenmaterialien. Der Elektrolyt ist ein wasserfreies aprotisches Lösungsmittel, das ein Lithiumsalz (z. B. Lithiumhexafluorophosphat) enthält, um die Ladungsübertragung zu erleichtern. Der Separator (Scheidewand) ist ein Isolator aus einem porösen Material, der die Migration von Lithiumionen zur Ladungsübertragung ermöglicht. Die Zusammensetzung all dieser Komponenten hat einen wesentlichen Einfluss auf die Batterieeigenschaften.
Nach diesem kurzen Überblick über die Zusammensetzung einer Lithium-Ionen-Batterie werfen wir einen Blick auf ausgewählte Schlüsselparameter und wie diese analysiert werden können.
Wassergehalt in Batterierohstoffen
Lithium-Ionen-Batterien sollten frei von Wasser sein (Konzentration von H2O weniger als 20 mg/kg), da Wasser mit dem Leitsalz (z. B. LiPF6) reagiert unter Bildung giftiger Flusssäure. Die empfindliche coulometrische Karl-Fischer-Titration ist die ideale Methode zur Bestimmung des Wassergehalts im Spurenbereich. Die Wasserbestimmung für Feststoffe erfolgt mit dem Karl-Fischer-Ofenmethode – Die Restfeuchte der Probe wird verdampft und in die Titrierzelle überführt, wo sie anschließend titriert wird.
Automatisierte Probenvorbereitung für den Karl-Fischer-Titrando
Das Funktionsprinzip und die Vorteile der KF-Ofenmethode werden in unserem Blogbeitrag weiter unten ausführlicher beschrieben.
Ofenmethode zur Probenvorbereitung bei der Karl-Fischer-Titration
Für weitere Einzelheiten zur Durchführung der Wasserbestimmung in einer der folgenden Batteriekomponenten laden Sie unten unser kostenloses Application Bulletin herunter:
- Rohstoffe für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien
- Vorbereitungen für Elektrodenbeschichtungen (Schlämme) für Anoden- und Kathodenbeschichtungen
- den beschichteten Anoden- und Kathodenfolien sowie in Separatorfolien und in gepackten Folienlagen
- Elektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien
Übergangsmetallzusammensetzung von Kathodenmaterialien
Die Kathode einer Lithium-Ionen-Batterie besteht in der Regel aus Metalloxiden von Kobalt, Nickel, Mangan, Eisen oder Aluminium. Zur Herstellung der Kathode werden Lösungen verwendet, die die gewünschten Metallsalze enthalten. Für einen optimierten Produktionsprozess muss der genaue Gehalt der in der Lösung enthaltenen Metalle bekannt sein. Zusätzlich sollte die Metallzusammensetzung im erhaltenen Kathodenmaterial bestimmt werden. Potentiometrische Titration ist eine geeignete Technik zur Bestimmung des Metallgehalts in Ausgangslösungen und fertigen Kathodenmaterialien.
Im Gegensatz zu konkurrierenden Methoden wie ICP-MS oder AAS erfordert die Titration keine Verdünnung dieser Proben. Daher sind die durch Titration erhaltenen Ergebnisse zuverlässiger und genauer. Darüber hinaus sind die Betriebs- und Wartungskosten im Vergleich zu ICP-MS oder AAS erheblich geringer.
Folgende Gemische aus Metallen oder Metalloxiden können potentiometrisch analysiert werden:
- Nickel, Kobalt und Mangan in Lösungen
- Nickel, Kobalt und Mangan in Kathodenmaterialien wie z Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NCM), Lithium-Kobaltoxid (LCO) oder Lithium-Mangan-Oxid (LMO)
Weitere Informationen zur potentiometrischen Analyse einer Mischung aus Nickel, Kobalt und Mangan finden Sie in unserem kostenlosen Anwendungshinweis unter.
Analyse von Kathodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien aus Co, Ni und Mn
Analyse von Lithiumsalzen
Auch zur Bestimmung der Reinheit von Lithiumsalzen eignet sich die potentiometrische Titration hervorragend. Für Lithiumhydroxid (LiOH) und Lithiumcarbonat (Li2CO3) wird die Reinheit mittels wässriger Säure-Base-Titration bestimmt. Mit dieser Methode ist es auch möglich, Carbonatverunreinigungen in LiOH zu bestimmen.
Weitere Einzelheiten zur Durchführung des LiOH- und Li2CO3-Tests finden Sie hier, laden Sie hier unseren kostenlosen Anwendungshinweis herunter.
Zur Bestimmung von Lithiumchlorid (LiCl) und Lithiumnitrat (LiNO3) wird das Lithium direkt über die Fällungsreaktion zwischen Lithium und Fluorid in ethanolischen Lösungen titriert. Für weitere Einzelheiten zur Durchführung der Tests von LiCl und LiNO3 laden Sie die folgenden kostenlosen Anwendungshinweise herunter.
Von Interesse ist auch die Kenntnis anderer Kationen, die in Lithiumsalzen vorhanden sein könnten (und deren Konzentration). Verschiedene Kationen (z. B. Natrium, Ammonium oder Calcium) können der Ionenchromatographie (IC) mit bestimmt werden. IC ist eine effiziente und präzise Multiparametermethode zur Quantifizierung von Anionen und Kationen über einen weiten Konzentrationsbereich.
Das Chromatogramm in Abbildung 2 zeigt die Trennung von Lithium, Natrium und Kalzium in einem Lithiumerzverarbeitungsstrom.
Für weitere Informationen zur Durchführung dieser Analyse laden Sie hier unseren kostenlosen Anwendungshinweis herunter.
Elektrolytzusammensetzung
Das Lithium-Ion ist für die Ladungsübertragung innerhalb von Lithium-Ionen-Batterien verantwortlich. Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6) ist das wichtigste Leitsalz. Allerdings LiPF6 neigt bei erhöhten Temperaturen zur Zersetzung oder kann mit Spuren von Wasser unter Bildung giftiger Flusssäure reagieren. Daher werden Lithiumboratsalze oder Lithiumsalze auf Imidbasis als Additive zur Verbesserung der Leistung verwendet. Die Ionenchromatographie (IC) ermöglicht die Bestimmung der Zersetzung der verschiedenen Lithiumsalze im Elektrolyten. Darüber hinaus kann IC zur Analyse ionischer Verunreinigungen im Spurenbereich verwendet werden. Darüber hinaus können eventuell erforderliche Probenvorbereitungsschritte (z. B. Vorkonzentration, Verdünnung, Filtration) mit dem Metrohm-Inline-Probenvorbereitungstechniken («MISP»). automatisiert werden.
Für detailliertere Informationen über ausgewählte IC-Anwendungen für die Batterieforschung, schauen Sie sich unsere Anwendungshinweise an:
Zusammenfassung
Dieser Blogbeitrag enthält nur einen Teil der Analysen für die Batterieforschung, die mit den Analysegeräten von Metrohm möglich sind. Teil 2 befasst sich mit dem Elektrochemische Charakterisierung von Batterien und deren Rohstoffen.
Ihr Wissen zum Mitnehmen
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