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Die Batterie-Branche entwickelt sich permanent weiter. Für Kosten, Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Batterien sind die eingesetzten Materialien entscheidend. Eine präzise Analytik in der Batterieforschung sowie eine durchgängige Qualitätskontrolle der Batteriematerialien – von den Ausgangsstoffen bis zu recycelten Komponenten – sind daher ausschlaggebend für die Effizienz und Zuverlässigkeit in der Batterieproduktion.

Unsere wegweisenden Labor- und Prozesslösungen begleiten die unterschiedlichen Phasen der Wertschöpfungskette von Lithium-Ionen-Akkus – von der Analyse der Rohstoffe und Komponenten bis zur Fertigung und abschließenden Qualitätsprüfung sowie dem Recycling der Abfälle.

Erfahren Sie auf dieser Seite, wie wir die Batterieindustrie in allen Phasen der Wertschöpfungskette mit unseren Analysensystemen unterstützen.

 

Zu den Analysenmethoden

Events, Webinare & Wissenswertes

FAQ

Batterie-Lebenszyklus & passende Applikationen

Batterie-Wertschöpfungskette

Leistungsfähige, sichere und wiederaufladbare Batterien sind für die moderne Wirtschaft unverzichtbar. Die zuverlässige Beschaffung von Rohstoffen und die Vermeidung von Batterieausfällen sind entscheidend, damit Lithium-Ionen-Batterien die Zukunft der alternativen Energien prägen können.

Navigieren Sie sich durch die verschiedenen Phasen der Wertschöpfungskette einer Batterie und erfahren Sie, mit welchen Applikationen Metrohm Sie in den einzelnen Phasen unterstützen kann.

Analysemethoden in der Batterie-Branche

Karl-Fischer-Titration

Lithium-Ionen-Batterien müssen vollständig frei von Wasser sein (Wasserkonzentration von H2O < 20 mg/kg), da Wasser mit dem Leitsalz, z.B. LiPF6, reagiert, um Flusssäure zu bilden. Die empfindliche coulometrische Karl-Fischer-Titration ist die ideale Methode zur Bestimmung des Wassergehalts. Die Messung des Wassergehaltes von Feststoffe erfolgt nach der Karl-Fischer-Ofenmethode. Dabei wird die Restfeuchtigkeit der Probe verdampft, mit Hilfe eines Trägergases in die Titrierzelle überführt und dort titriert.

Ionenchromatographie

Die Ionenchromatographie (IC) ist eine effiziente und präzise Mehrparametermethode zur Quantifizierung von Verunreinigungen in Lithiumsalzen, Zersetzungsprodukten in Elektrolyten sowie Anionen und Kationen in Eluaten verschiedener Batterierohstoffe.

Elektrochemie

Unsere speziell entwickelten Potentiostaten/Galvanostaten werden für die Entwicklung und Charakterisierung von Batteriematerialien sowie von fertigen Batterien eingesetzt. Elektrochemische Messungen beruhen auf einer hochpräzisen Steuerung und Messung von Spannung, Strom, elektrischer Ladung oder Impedanz. Voltammetrie ist eine äußerst empfindliche Methode (LODs im Bereich von ppb) zur Analyse elektrochemisch aktiver Substanzen, wie anorganischer oder organischer Ionen. Zum Beispiel ermöglicht die Voltammetrie die gleichzeitige Bestimmung von Nickel, Cobalt und Mangan in Kathodenmaterialien. Diese Technik vereint eine Vielzahl von Anwendungen, kurze Analysezeiten und hohe Präzision mit vergleichsweise geringen Kosten für die erforderliche Instrumentierung.

Potentiometrische Titration

Die potentiometrische Titration eignet sich ideal zur Bestimmung der Reinheit von Lithiumsalzen oder Metallen, die in Kathodenmaterialien wie Cobalt, Nickel, Mangan oder Eisen verwendet werden. Sie wird angewendet, um Standardlösungen zu analysieren, die zur Herstellung von Kathodenmaterialien verwendet werden. Im Gegensatz zu konkurrierenden Methoden wie ICP-MS oder AAS erfordert die Titration keine Verdünnung solcher Proben. Daher sind die Ergebnisse, die durch Titration erhalten werden, zuverlässiger und genauer. Darüber hinaus sind die Betriebs- und Wartungskosten im Vergleich zu ICP-MS oder AAS deutlich niedriger.

Prozessanalytik

Im Bereich der Prozessanalytik (PAT) erfolgt die vollständige Automatisierung der Labormethoden, sodass eine kontinuierlich 24/7- Überwachung und zeitnahe Regelung von Prozessen ermöglicht wird. Von der Probenahme, über die Analyse bis hin zur Darstellung der Ergebnisse und Kommunikation an ein übergeordnetes Prozessleitsystem: jeder Schritt erfolgt komplett ohne Bedienereingriff.  Somit sind Prozesszustände permanent im Blick.  

Das Portfolio erstreckt sich dabei von den bewährten Analysenmethoden der nasschemischen Analytik (Titration, Elektrochemie, Photometrie, Ionenchromatographie u.v.m.) bis hin zu weiteren Prozessanalysatoren wie dem 2060 XRF Analyzer (Röntgenfluoreszenz), mit dem z.B. Kobalt, Nickel und Magnesium im Batterierecycling überwacht wird. Spektroskopische Methoden wie der 2060 The NIR Analyzer und der 2060 Raman Analyzer ergänzen im Prozess die Anwendungsmöglichkeiten in der Batterie-Branche wie z.B. die reagenzienfreie Feuchtebestimmung in der Elektrolytherstellung und Schwarzmasse oder die Überwachung von Lithium- bzw. Metallverbindungen u.v.m.. 

Prozessanalysatoren decken aufgrund Ihres vielfältigen Aufbaus eine große Palette an Applikationen entlang der gesamten Wertschöpfungskette in der Batterieproduktion und des Recyclings ab.  

Produkte für die Batterie-Branche

White Paper, Webinare & mehr

Leitfaden zu Forschung und Entwicklung im Bereich Lithium-Ionen-Akkus

Download kostenfreies White Paper

In diesem White Paper werden die Grundlagen der Lithium-Ionen-Akku-Technologie vorgestellt und der Leser durch die massgeblichen Verfahren und Fachausdrücke der Forschung zu Lithium-Ionen-Akkus geführt.

White Paper: Qualitätskontrolle der analytischen Parameter in der Batterieproduktion

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In diesem White Paper wird erläutert, wie Titration und Ionenchromatographie zur Überwachung verschiedener Batteriequalitätsparameter eingesetzt werden können.

Mehr zur Batterieforschung

FAQ zur Metrohm Batterieforschung

Unter Analytik in der Batterieforschung versteht man die systematische Untersuchung von Batteriematerialien, Elektrolyten und Komponenten mit modernen Analyseverfahren. Ziel ist es, Zusammensetzung, Reinheit und Eigenschaften präzise zu bestimmen, um leistungsfähige und sichere Batterien zu entwickeln.

Metrohm bietet umfassende Lösungen für die Analytik in der Batterieforschung. Es gibt mehrere wichtige Anwendungen, die mit Metrohm-Geräten durchgeführt werden können:

  • Elektrochemische Messungen für die Forschung und Entwicklung von verbesserten LIBs
  • Wasserbestimmung in Rohstoffen, Batteriematerialien und Produktion durch coulometrische Karl-Fischer-Titration
  • Restalkali- oder löslicher Basengehalt von Kathodenmaterialien durch Titration
  • Titration von Übergangsmetallen (Ni, Mn, Co, Fe), die in Kathodenmaterialien verwendet werden
  • Analyse der Lithiumsalzzusammensetzung des Elektrolyten durch IC
  • Analyse ionischer Verunreinigungen in Rohstoffen durch IC

Eine Lithium-Ionen-Batterie (LIB) besteht aus einer Anode (Minuspol) und einer Kathode (Pluspol). Ein Elektrolyt ermöglicht den Ladungstransfer in Form von Lithium-Ionen zwischen diesen beiden Polen. Gleichzeitig verhindert ein Separator zwischen Anode und Kathode Kurzschlüsse. Abbildung 1 zeigt einen Querschnitt durch einen LIB.

Die Anode besteht aus Graphit mit interkaliertem Lithium, das auf eine 8-18 µm dicke Kupferfolie aufgebracht ist, während die Kathode aus Lithiummetalloxiden besteht, die auf einer 15-25 µm dicken Aluminiumfolie abgeschieden 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 den Ladungstransfer zu erleichtern. Der Separator ist ein Isolator aus einem porösen Material, das die Wanderung von Lithiumionen zur Ladungsübertragung ermöglicht.

Bei der Batterieherstellung, insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien, werden folgende Materialien verwendet:

Kathodenmaterialien

  • Lithium, Nickel, Kobalt und Mangan: Für Energiedichte und Stabilität.
  • Eisenphosphat (LiFePO4): Sichere Alternative zu Kobalt/Nickel.

Anodenmaterialien:

  • Graphit: Hauptsächlich verwendet zur Speicherung von Lithium-Ionen.
  • Silizium: Erhöht Energiedichte, aber weniger stabil.

Elektrolyt:

  • Flüssige Elektrolyte: Organische Lösungsmittel mit Lithiumsalz.
  • Festkörper-Elektrolyte: Zukünftig für mehr Sicherheit und höhere Energiedichte.

Separator:

  • Polyolefin: Trennt Anode und Kathode, durchlässig für Ionen.

Gehäusematerialien:

  • Aluminium (Kathode) und Kupfer (Anode).

Der größte Kostenfaktor bei der Herstellung einer Li-Ionen-Batterie sind die Batteriematerialien. Innerhalb der Batteriematerialien ist das Kathodenmaterial die teuerste Komponente. 

Die Qualität der während der Produktion verwendeten Rohstoffe sowie die endgültige Zusammensetzung haben einen erheblichen Einfluss auf die endgültigen Batterieeigenschaften. Während der Montage und Verpackung werden die verschiedenen Komponenten zu einer Batteriezelle verarbeitet und verpackt. Während Standard-AA-Batterien aus einer einzelnen Lithium-Ionen-Batteriezelle bestehen, werden mehrere Batteriezellen zu Batteriemodulen und -packs für Batterien in Laptops oder Elektrofahrzeugen zusammengebaut. Das Recycling von LIBs am Ende der Batterielebensdauer ist wichtig, um eine kreislaufwirtschaftliche Lösung zu erreichen.  

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