Analytische Lösungen für leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien

Kostengünstige Elementanalyse mittels AAS

Durch die Analyse der genauen Elementzusammensetzungen in den Batteriekomponenten kann die AAS wertvolle Informationen an die Produktion geben und damit eine gleichbleibende Produktqualität sicherstellen. Geringe Abweichungen von den Spezifikationen liefern Hinweise auf Verunreinigungen und damit auf eine verringerte Batterieleistung und -lebensdauer.

Die Flammen-AAS als einfache und kostengünstige Methode eignet sich zum Beispiel für die Analyse von Metallionen wie Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan in der Elektrolytlösung von Lithiumbatterien. Die Graphitofen-AAS als präzisere Methode bietet sich für die Analyse von Spurenelementen in Kathodenmaterialien von Lithiumbatterien an. Das contrAA 800 von Analytik Jena kann mit seinem schnell-sequenziellen Flammenbetrieb die Messzeit im Vergleich zu herkömmlichen AAS um bis zu 30 Prozent reduzieren.

Einfach bedienbare Multielementanalytik zu überschaubaren Kosten – das contrAA 800 kombiniert das Beste der klassischen Atomabsorption mit den Vorteilen von ICP-OES-Spektrometern.

Robuste Analytik von TOC-Verunreinigungen in Kathoden-Rohstoffen

Die Herstellung der Aktivmaterialien geschieht meist in einem mehrstufigen Prozess, dessen Ausgangstoffe in der Regel Salze von Metallen sind, wie Nickelsulfat, Mangansulfat, Kobaltsulfat und Lithiumcarbonat. Zur Sicherstellung der Leistungsfähigkeit der Batterie müssen diese Salze eine hohe Reinheit aufweisen.

Speziell organische Verunreinigungen lassen sich über den Summenparameter TOC (Total organic carbon) bestimmen. Für die TOC-Bestimmung ist der Hochtemperaturaufschluss mit anschließender NDIR-Detektion des aus den organischen Verbindungen gebildeten Kohlendioxids die Methode der Wahl. Eine Herausforderung stellt hierbei die hochsalzhaltige Matrix dar, welche durch Ablagerung von Metalloxiden und Salzen zu einem höheren Verschleiß des Verbrennungsrohres und des darin enthaltenen Katalysators führt. Geräte mit hoher Nachweisstärke und robuster Detektionstechnik, wie der multi N/C 3100 von Analytik Jena bieten eine zuverlässige Lösung, mit der sich diese Effekte minimieren und auch Wartungszyklen und -aufwände deutlich reduzieren lassen.

Element-Verunreinigungen im Anoden- und Elektrolytmaterial

Auch die Qualität und Reinheit des Anodenmaterials hat entscheidenden Einfluss auf die Kapazität und somit die Leistungsfähigkeit der Lithium-Ionen-Batterie. Viele Batteriehersteller sind daher daran interessiert, ein größeres Spektrum an Elementen zu messen, zum Teil unterhalb der mit der ICP-OES erreichbaren Nachweisgrenzen. Auch hier wird der Einsatz der ICP-MS als vielversprechende Alternative zur ICP-OES erprobt.

Der Elektrolyt entscheidet als dritter Einflussfaktor über die Leistungsfähigkeit der Li-Ionen-Batterien. Seine Leistung wird stark von möglichen Element-Verunreinigungen bestimmt. Zur Bestimmung von Unreinheiten in Elektrolyt-Salzen oder anderen Ausgangsmaterialien wird meist die ICP-OES als Technik verwendet. Für Labore, die Spurenelemente im sub-µg/kg (ppb) Bereich bestimmen wollen, bietet sich die ICP-MS aufgrund ihrer Schnelligkeit, den geringen Nachweisgrenzen und der großen Elementabdeckung als geeignete Methode an.

Abwasserüberwachung

Die Abwasseruntersuchung spielt eine wichtige Rolle während der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien.

Eine zentrale Herausforderung während der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien besteht darin, die Umweltemissionen von Säuren, Laugen und Schwermetallen, aber auch organischen Lösungsmitteln im Abwasser zu kontrollieren und die gesetzlichen Grenzwerte einzuhalten.

Sowohl die AAS, die ICP-OES als auch die ICP-MS und die TOC/TN_b Summenparameteranalyse stellen hierfür – je nach Elementkonzentration – genaue und zuverlässige Techniken dar.

Für die Abwasseruntersuchung hoher und mittlerer Konzentrationen eignen sich besonders Geräte zur Multielementanalyse, wie das contrAA, das die routinemäßige Bearbeitung vieler Proben mit unterschiedlichen Matrices und einer Vielzahl von Elementen ermöglicht. Für kleinste Analytkonzentrationen sind die oft in relevanten Normen genannten Geräte der ICP-OES, wie Analytik Jenas PlasmaQuant 9100 Elite prädestiniert. Die Kombination mehrerer analytischer Techniken und eine sorgfältige Probenvorbereitung sind entscheidend, um die analytischen Herausforderungen bei der Abwasseraufbereitung der Lithium-Batterie-Produktion zu bewältigen.

Vereinzelt müssen Spurenverunreinigungen auch normiert nach ICP-MS gemessen werden, ein entsprechender europäischer Standard wird bereits ausgearbeitet. Da die Hersteller einer Selbstnachweispflicht unterliegen, sind die Elementtechniken und Summenparameteranalyse auch bei der Prozessüberwachung der Abwasseraufbereitung obligatorisch.

Abwasserverunreinigungen durch organische Lösungsmittel, speziell auch mit Stickstoff haltigen Verbindungen (TN_b – Total bound Nitrogen) lassen sich hervorragend über die TOC/TN_b Summenparameter analysieren. Die katalytischen Hochtemperatur TOC/TN_b-Analysatoren der multi N/C Serie von Analytik Jena mit ihren flexiblen Automatisierungslösungen, robuster und zuverlässiger Probenzufuhr, Oxidation und Detektion bieten hierfür maßgeschneiderte Lösungen.

Bereit für die Energiewende

Eine hochpräzise Analytik entlang der gesamten Wertschöpfungskette von Lithium-Ionen-Batterien gewährleistet höchste Qualität.

Indem jeder Bestandteil der Batterie – Anode, Kathode und Elektrolyt – aber auch Abwässer der Produktion auf ihre Zusammensetzung analysiert werden, lässt sich höchste Reinheit, Leistungsfähigkeit und Nachhaltigkeit fest- und sicherstellen. Analytik Jena verfügt rund um den Lithium-Ionen-Batterie-Lebenszyklus über ein breites Produktportfolio in allen relevanten Analysemethoden.

Weitere Informationen

Dieser Blogbeitrag entstand mit freundlicher Unterstützung von Analytik Jena. Quelle aller Bilder: Analytik Jena

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