Analytik an Lithium-Ionen-Batterien

Das Projekt AnaLiBa (Analytik von Lithium-Ionen-Batterien) beinhaltet die Anwendung und Weiterentwicklung von etablierten Analysetechniken zur Untersuchung des Sicherheitsverhaltens von LIB sowie die Kombination von verschiedenen Techniken zur Erzielung von Synergieeffekten. Beispielsweise wird die etablierte ARC-Methode (Accelerating Rate Calorimetry) zur Bestimmung von sicherheitsrelevanten Onset-Temperaturen mit gasanalytischen Methoden wie GC-MS und Online-MS kombiniert und so die In-operando-Charakterisierung von exothermen Reaktionen und der dabei involvierten Gase während der Zellöffnung (Venting) oder des Thermal Runaways ermöglicht.

Dazu soll begleitend die Methode der On-line-MS weiterentwickelt werden: Die Methode besticht v. a. durch einen niedrigen Probengasbedarf (im Bereich von µL/min) und der möglichen Darstellung des zeitlichen Verlaufs eines Batterietests bei dem intern oder extern verschiedene Gase gebildet werden. Ohne eine chromatographische Vortrennung, wie sie zum Beispiel bei der GC-MS-Analyse erfolgt, erreichen aber alle Gaskomponenten zeitgleich den Analysator. So lassen sich wichtige Zielsubstanzen von häufig anzutreffenden – sicherheitskritisch unrelevanten – andere Komponenten teilweise nicht unterscheiden. Betroffen sind hier z. B. das giftige Kohlenmonoxid und Stickstoff oder der sehr toxische und ätzende Fluorwasserstoff und Wasser bzw. das oftmals zur Inertisieurng verwendete Argon. Zur Erreichung dieses Projektziels kommt dem Einlasssystem des On-line-MS eine wichtige Aufgabe zu und es sollen verschiedene Lösungsansätze zur Substanzüberlagerung innerhalb des Projektes untersucht werden. Auch eine Weiterentwicklung der GC-MS-Anwendung und eine Ausdehnung auf weitere relevante Zielsubstanzen sind Ziele des Projektes.

Praxisrelevante Lösungen sollen im Bereich von Flüssigelektrolytadditiven zum Flammschutz und der Gasprobenahme aus LIB erarbeitet werden. So sollen auch kommerzielle LIB-Zellen auf die infolge einer Zellalterung oder anderer Vorbehandlungen hin gebildeten Gase untersuchbar gemacht werden. Somit können Mechanismen der Zellalterung, aber auch Produktionsfehler erkannt werden. Hier findet eine nahtlose Verknüpfung mit den Fragestellungen der Kompetenzcluster „Recycling/Green Battery“, „BattNutzung“ sowie den beiden anderen Plattformen des AQua-Clusters statt. Hierzu sind entsprechende Probenahmewerkzeuge und Methoden zu entwickeln.

Zur Erreichung reproduzierbarer Ergebnisse kommt der Erarbeitung von Standard-Workflows sowohl innerhalb des Projektes als auch projektübergreifend innerhalb des AQua-Clusters eine wichtige Bedeutung. Beispielsweise haben frühere ARC-Untersuchungen im Fall des Lithium-Platings gezeigt, dass den Arbeitsabläufen und Zeitspannen eine für das Ergebnis entscheidende Rolle zukommen. Diese erarbeiteten Standard-Workflows werden anschließend Industrie- und Forschungspartnern im Dachkonzept „Forschungsfabrik Batterie“ zur Verfügung gestellt, um Ergebnisse vergleichbar zu machen und so eine schnellere Zellentwicklung zu fördern.

Quelle: https://www.aqua-cluster.de/de/projekte/analiba/ (jüngster Zugriff: 19.04.2023)