Supercharge your battery research and production
01.03.2021
Artikel
Dieser Artikel ist Teil 1 einer Serie
Gehen Sie zu
Teil 2
Artikel teilen
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.
Replacing traditional fuel-powered vehicles with battery-powered options is essential to reduce carbon dioxide (CO2) emissions. This greenhouse gas results from the combustion of fossil fuels, therefore limiting its input into the atmosphere will also influence global warming. Battery production for electric vehicles and other rechargeable devices (e.g., cell phones or laptops) requires stringent quality control and testing to ensure the best performance. Meanwhile, battery research focuses on discovering new battery materials with higher energy and power density as well as a more efficient energy storage.
In this blog post, I want to highlight a few of the analytical parameters which can be determined using high precision analytical instruments from Metrohm and provide some free downloads in this research area.
Learn about the following points in this article (click to go directly to each topic):
What’s in a lithium-ion battery?
Today, lithium-ion batteries are the most common rechargeable batteries available on the market. A battery consists of an anode (negative electrode) and a cathode (positive electrode). An electrolyte facilitates charge transfer in the form of lithium ions between these two electrodes. Meanwhile, a separator placed between anode and cathode prevents short-circuits. An example cross-section can be seen in Figure 1.
The anode is made from graphite containing intercalated lithium applied to a copper foil, while the cathode consists of lithium metal oxides dotted with lithium ions applied to an aluminum foil. Cobalt, nickel, manganese, or iron are the most commonly used transition metals in cathode materials. The electrolyte is an anhydrous aprotic solvent containing a lithium salt (e.g., lithium hexafluorophosphate) to facilitate charge transfer. The separator isolator made from a porous material, allowing the migration of lithium ions for charge transfer. The composition of all of these components has a significant influence on the battery characteristics.
After this brief overview about the composition of a lithium-ion battery, let’s take a look at selected key parameters and how they can be analyzed.
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
Transition metal composition of cathode materials
The cathode of a lithium-ion battery is usually made from metal oxides derived from cobalt, nickel, manganese, iron, or aluminum. To produce the cathode, solutions containing the desired metal salts are used. For an optimized production process, the exact content of the metals present in the solution must be known. Additionally, the metal composition within the obtained cathode material should be determined. Potentiometric titration is a suitable technique to determine the metal content in starting solutions and the finished cathode materials.
Unlike competing methods such as ICP-MS or AAS, titration does not require dilution of such samples. Hence, results obtained by titration are more reliable and accurate. Furthermore, running and maintenance costs are considerably lower compared with ICP-MS or AAS.
The following mixtures of metals or metal oxides can be analyzed potentiometrically:
- nickel, cobalt, and manganese in solutions
- nickel, cobalt, and manganese in cathode materials such as lithium nickel manganese cobalt oxide (NCM), lithium cobalt oxide (LCO), or lithium manganese oxide (LMO)
For more details about the potentiometric analysis of a mixture of nickel, cobalt, and manganese, download our free Application Note below.
Analysis of Li-ion battery cathode materials made from Co, Ni, and 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.
Analysis of lithium salts
Potentiometric titration is also ideally suited for determining the purity of lithium salts. For lithium hydroxide (LiOH) and lithium carbonate (Li2CO3), the purity is determined using an aqueous acid-base titration. It is also possible to determine carbonate impurity within LiOH using this method.
For more details about performing the assay of LiOH and Li2CO3, download our free Application Note here.
For the assay of lithium chloride (LiCl) and lithium nitrate (LiNO3), the lithium is directly titrated using the precipitation reaction between lithium and fluoride in ethanolic solutions. For more details about how to carry out the assays of LiCl and LiNO3, download the following free Application Notes.
Lithium in brine – Reliable and inexpensive determination by potentiometric titration
Assay of lithium nitrate – Reliable and fully automated determination by potentiometric titration
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:
Electrolyte composition
The lithium ion is responsible for charge transfer within lithium-ion batteries. Lithium hexafluorophosphate (LiPF6) is the main conductive salt. However, LiPF6 tends to decompose at elevated temperatures, or it can react with traces of water to form toxic hydrofluoric acid. Therefore, lithium borate salts or imide-based lithium salts are used as additives to improve its performance. Ion chromatography (IC) allows the determination of decomposition of the different lithium salts within the electrolyte. Additionally, IC can be used to analyze ionic impurities at trace levels. Furthermore, any sample preparation steps that might be required (e.g., preconcentration, dilution, filtration) can be automated with the Metrohm Inline Sample Preparation («MISP») techniques.
For more detailed information about selected IC applications for battery research, check out our Application Notes:
Summary
This blog post contains only part of the analyses for battery research which are possible using Metrohm’s analytical instruments. Part 2 discusses the electrochemical characterization of batteries and their raw materials.
Ihr Wissen zum Mitnehmen
White Paper: Qualitätskontrolle analytischer Parameter in der Lithium-Ionen-Batterieproduktion
Batterieforschung und -produktion: Positive Erfahrungen mit hochwertigen Metrohm-Geräten!
