Analytische Lösungen entlang des Lebenszyklus von Lithium-Ionen-Batterien
08.06.2023
Qualität als wichtigster Antrieb
Um die Klimaerwärmung zu begrenzen, ist ein weltweites Umdenken erforderlich – besonders im Bereich der Energieversorgung. Dies geht nur, indem die Industrie den Schritt heraus aus der Komfortzone der immer verfügbaren fossilen Energieträger hin zu zeitlich wechselnden nachhaltigen Energieformen macht.
Mit neuen Denkansätzen und intelligenten adaptiven Technologien lässt sich unser hoch technologisierter Alltag auf klimafreundliche Weise aufrechterhalten. Die Elektromobilität wächst und auch das Thema Energiespeicherung ist nicht zuletzt aufgrund des wachsenden Bewusstseins für den Klimawandel und der steigenden Sanktionen für CO2-Emissionen mehr denn je im Fokus des internationalen Interesses.
Lithium-Ionen-Batterien spielen dabei eine entscheidende Rolle. Damit diese als alternative Energieform tatsächlich nachhaltig und effizient sind, bedarf es an Pioniergeist und Grundlagenforschung. Hierbei spielen die hochgenauen Analysemesstechniken von Analytik Jena eine Schlüsselrolle – von der Exploration, über die Entwicklung und Produktion, über die Qualitätskontrolle bis hin zum Recycling und der Kontrolle möglicher Emissionen in die Umwelt.
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Entdecken Sie in unserem neusten E-Book ausgewählte Anwendungen unserer Produkte, die Ihnen dabei helfen, mit den neusten technologischen Standards der Lithium-Batterieindustrie Schritt zu halten. Egal ob Forschungseinrichtung oder Unternehmen mit angeschlossenem Labor, wir bieten Lösungen für jüngste Herausforderungen der Lithium-Batterieherstellung, der effizienten Gewinnung nötigen Rohmaterials sowie einem möglichst verlustfreie Recyclingprozesse von Kathodenmaterialien.
Grundlagen – Wirkweise einer Lithium-Ionen-Batterie
Auch wenn Lithium-Ionen-Batterien relativ einfach strukturiert sind, so sind sie doch mit vielen klärungsbedürftigen Faktoren verbunden. Die Kombination der verschiedenen Materialien – von fest, über flüssig, anorganisch und organisch – macht sie zu einem komplexen Gegenstand.
Die Batteriezelle eines Lithium-Ionen-Akkus besteht aus zwei Elektroden – einer negativen Graphit-Elektrode (Anode) und einer positiven Lithium-Metalloxid-Elektrode (Kathode) – sowie einer dünnen elektronenisolierenden Schicht (Separator), die mit dem Elektrolyten (flüssiges organisches Medium, welches Ionen leitet) getränkt ist. Beim Aufladen wandern die Lithium-Ionen im Elektrolyten durch den Separator von der Kathode zur Anode, wodurch diese zusätzliche Elektronen aufnehmen kann. Beim Vorgang des Entladens wandern die Elektronen in der entgegengesetzten Richtung durch den externen Kreislauf zurück zur Kathode. Dadurch wird chemisch gespeicherte Energie in elektrische Energie umgewandelt und freigesetzt.
Anforderungen an die vielversprechende neue Energieform
Die Wertschöpfungskette von Li-Ionen-Batterien besteht aus sechs Hauptstufen, die einen geschlossenen Kreislauf bilden, von der Rohstoffgewinnung bis zum Recycling der Batteriezellen:
- Abbau der Rohstoffe
- Veredelung (Raffinierung)
- Lithium-Ionen-Batterie-Produktion
- Herstellung der Batteriezellen
- Batterienutzung
- Recycling
Von der Gewinnung über die Verarbeitung der wertvollen Rohstoffe bis hin zur Qualitätssicherung in der Produktion und der Materialrückgewinnung beim Recycling – in jeder Phase der Wertschöpfungskette von Lithium-Ionen-Batterien ist es wichtig zu wissen, welche Elemente in welchen Mengen vorhanden sind, um höchste Qualität und Sicherheit zu gewährleisten.
Bergbauunternehmen müssen die wichtigsten Elemente deshalb bereits vor der Mineralgewinnung quantifizieren. Auch für die Batteriehersteller ist es erforderlich Verunreinigungen in Rohstoffen zu überwachen, um die Produktqualität sicherzustellen. Weiterhin ist es notwendig, die Umweltemissionen zu kontrollieren und die vorgeschriebenen Grenzwerte für Schwermetalle einzuhalten. Recyclingunternehmen sind zudem dazu verpflichtet, die Reinheit der zurückgewonnenen Materialien zu prüfen und die Umweltvorschriften zu beachten.
Doch wie lassen sich diese Ansprüche erfüllen? Aktuell erfolgt sowohl der Abbau der Rohstoffe als auch die Herstellung der Lithium-Ionen-Batterien zu großen Teilen in China. Der europäische Markt nutzt diese Importe bislang. Ein Lithiumfund im Osterzgebirge könnte Deutschland in Zukunft unabhängiger in der Lithium-Batterie-Produktion machen, denn unter dem Kamm des Erzgebirges lagern schätzungsweise rund 125.000 Tonnen Lithium.
Neben möglichen Abbaugebieten ist in Deutschland seit 2021 auch die Produktion von Lithium-Ionen-Akkus im Kommen. In mehreren deutschen Regionen sollen bis 2024 Gigafactories für E-Batterien entstehen. Erfahrungswerte, geschweige denn standardisierte Verfahren und Normen, gibt es jedoch vor allem im Produktionsbereich und beim Recycling bisher wenige.
Unternehmen, wie Analytik Jena, erarbeiten demnach aktuell gemeinsam mit der Industrie, wertvolles Wissen, um basierend auf wissenschaftlichen Erkenntnissen und den am besten geeigneten Methoden qualitativ hohe und ökologisch sowie ökonomisch wertvolle Produkte zu entwickeln und sinnvolle Standards zu etablieren. Eine zuverlässige, sensible und leistungsstarke Analytik ist dabei der Dreh- und Angelpunkt.
Im Folgenden wird zunächst der Upstream-Prozess, also die Exploration der Rohstoffe und deren Veredelung, betrachtet, für die sich bereits teilweise Anforderungen und Best-Practices etabliert haben.
Upstream: Abbau und Veredelung
80 Prozent des gesamten Wertes einer Li-Ionen-Batteriezelle werden durch die eingesetzten Rohstoffe bestimmt. Bereits bei der Erzgewinnung gilt es daher auf ein Höchstmaß an Qualität zu setzen.
Neben dem Zugang zu den entsprechenden Minen, besteht ein weiterer Schlüsselfaktor für hochwertige Rohstoffe im Verständnis für die entsprechenden Prozesse zur Rohstoffgewinnung aus den Minenerzen.
1. Abbau der Rohstoffe
Zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien werden üblicherweise die folgenden Rohstoffe benötigt:
- Lithiumcarbonat (Li2CO3) bildet den Hauptbestandteil der Batterie (Kathode). Um die steigende Nachfrage nach Lithium zu decken, muss mehr Lithium aus bestehenden oder neuen Quellen gewonnen werden. Dazu gehören Meerwassersole und lithiumhaltige unterirdische Solen und geothermische Quellen. Solen sind unterirdische Reservoirs, die hohe Konzentrationen an gelösten Salzen enthalten, die wiederum Lithium in wirtschaftlich bedeutenden Konzentrationen und Mengen enthalten können. Salar-Solen sind solche, die unter ausgetrockneten Seen vorkommen und sind wichtige Quellen für Lithium. Zu den Abbaustätten mit den größten Marktanteilen zählen jene in Australien, Chile und den USA.
- Graphit: Graphit dient meist zur Herstellung der Anode und wird zu großen Teilen aus China bezogen.
- Kobalt: wird hauptsächlich in Minen der Demokratischen Republik Kongo, aber auch in Australien gewonnen.
- Nickel: wird zu großen Teilen in Minen in Brasilien, Kanada, Russland und Australien abgebaut.
- Verschiedene Metalle, wie Aluminium, Kupfer und Mangan.
Die wichtigste Ressource für Lithium-Ionen-Batterien, Lithium bzw. Lithiummetalloxide LiMO2 (d.h. LiNixMnyCozO2), kommt zwar sehr häufig vor, ihre Gewinnung ist allerdings sehr aufwändig und erfordert eine Kombination aus chemischen Verfahren und Trennungsverfahren, die sehr energieintensiv sind.
Auch Graphit ist weit verbreitet, dessen Gewinnung tatsächlich relativ einfach möglich ist. Es kann sowohl durch Bergbau als auch durch chemische Verfahren (die Umwandlung anderer Kohlenstoffverbindungen) gewonnen werden.
Kobalt ist hingegen ein sehr seltener Rohstoff und kommt fast ausschließlich in der Demokratischen Republik Kongo vor. Die Gewinnung von Kobalt erfordert eine Kombination aus Bergbau- und chemischen Verfahren, die beide sehr energieintensiv sind.
Nickel ist ein weit verbreiteter Rohstoff und kommt in vielen Ländern vor. Ebenso wie Graphit, kann Nickel sowohl durch Bergbau als auch durch chemische Verfahren extrahiert werden.
Herausforderungen und Lösungen
Um leistungsstarke Zellen für langlebige Lithium-Ionen-Akkus herzustellen, sind die Hersteller auf Rohstoffe mit höchstem Reinheitsgrad angewiesen. Bereits vor der Extraktion von Lithium und anderen für die Herstellung der Lithium-Ionen-Batterien benötigten Rohstoffe müssen die Lieferanten deren Gehalt in der Sole bestimmen, um den Extraktionsprozess und die Qualität des Endprodukts zu steuern.
Für die Exploration und Gewinnung von Lithium und Lithium-Verbindungen sind demnach leistungsstarke Analysetechnologien notwendig. Zur Anwendung kommen hierbei routinemäßig die ICP-basierten Analysetechniken ICP-OES (optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) und ICP-MS (induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie) sowie die kostengünstigeren AAS-Techniken (Atomabsorptionsspektrometrie). Aufgrund der hohen Gesamtmenge an gelösten Feststoffen (TDS), der hohen Dichte der Lösungen und der möglichen Ansammlung von Algen und ungelösten Partikeln in der Sole stoßen diese trotz ihrer guten Eignung jedoch oft an ihre Grenzen. Jede undissoziierte Matrix in Proben mit hohem TDS-Gehalt kann sich im Probeneinführungssystem ablagern oder zum Erlöschen des Plasmas führen und damit die Langzeitstabilität der Messungen beeinflussen. Die Salzmatrix stellt demnach einen kritischen Faktor bei der Analyse dar.
Probenvorbereitung
Neben den Solen, enthalten auch bestimmte Gesteinsarten, wie Pegmatite, sog. Lithiumminerale wie Spodumen, Lepidolith und Petalit. Im Vergleich zu anderen felsischen Gesteinsarten wie z. B. Graniten, sind viele Pegmatite jedoch nicht besonders angereichert mit Lithium. Ebenfalls aus bestimmten Pegmatiten geborgen werden auch Mikroklin, Wolframit und Pollucit. Die grobkörnige, komplex zonierte Struktur der Pegmatite kann für die Entnahme ausreichend repräsentativer Proben eine Herausforderung darstellen.
Sowohl Schmelz- als auch Säure-Aufschlüsse sind für fast alle Lithiumminerale wirksam und die resultierenden Lösungen können mit ICP-OES, ICP-MS und AAS, je nach dem erwarteten Gehalt und der gewünschten Elementserie bestimmt werden. Werden weitere Elemente wie Zinn, Tantal und Niob benötigt, wird ein Schmelzaufschluss empfohlen, um die vollständige Auflösung der feuerfesten Minerale zu garantieren, die diese Elemente enthalten. Die Analyse solcher Proben stellt für ICP-basierte analytische Techniken aus verschiedenen Gründen eine große Herausforderung dar: Die Probenlösungen weisen in der Regel einen hohen Gehalt an gelösten Feststoffen (TDS) und eine hohe Dichte auf. In Salzlösungen ist zudem das Vorhandensein von ungelösten Partikeln wahrscheinlich. Die Probenmatrix kann sich außerdem im Probenzuführungssystem ablagern oder das Plasma abschwächen, was sich langfristig auf die Stabilität der Messungen auswirkt. Erz- oder Salzlösungsproben enthalten oftmals unbekannte Mengen verschiedener Elemente. Diese unbekannte Zusammensetzung kann zu spektralen und physikalischen Störungen führen, welche die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigen können. Ein robustes Messgerät und die methodisch richtige Probenvorbereitung sind demnach entscheidend.
Umfassende Elementanalyse von Proben mit hohem Matrixgehalt mittels ICP-OES
Für die routinemäßige Elementanalyse einer großen Anzahl von matrixreichen Proben bedarf es einer robusten Analysetechnik mit stabilem Plasma. Das ICP-OES PlasmaQuant 9100 ist den hohen Anforderungen an diese herausfordernde Analytik im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien bestens gewachsen. Durch das perfekte Zusammenspiel von spektraler Auflösung, Matrixtoleranz und Empfindlichkeit eröffnet es ein enormes analytisches Potenzial für die Spurenelementanalyse in nahezu jeder Probenart, insbesondere für Proben mit hohem Matrixgehalt. Dank seines Hochfrequenzgenerators, der ein Plasma von außergewöhnlicher Robustheit erzeugt, lässt sich jeder Probentyp mit minimalem Aufwand und maximaler Emissionsausbeute messen.
Quantitative Bestimmung von Metallverunreinigungen in Li-Ionen-Batterie-Rohstoffen mittels ICP-MS
Weitere Testmöglichkeiten zur Qualitätskontrolle der Rohstoffe bietet die ICP-MS Technologie. Mit ihr lassen sich Rohmineralien, Extraktions- und Raffinerieprodukte auf die Hauptelemente und Verunreinigungen mit hohem Durchsatz analysieren. Im Vergleich zur Atomabsorptionsspektrometrie und zur ICP-OES ist die ICP-MS schneller, präziser und empfindlicher.
Zwar wird die Reinheitsbestimmung der meisten Li-Salzverbindungen zurzeit noch mit der ICP-OES analysiert, doch ist damit aufgrund ihrer Sensitivitätsbegrenzungen nur die Messung weniger Elemente möglich. In den kommenden Jahren werden die Anforderungen an eine höhere Reinheit der Rohstoffe für eine längere Batterielebensdauer weiter steigen.
Hersteller von hochwertigen Batterien werden dann eine Reinheit von 99,95 - 99,99 Prozent sicherstellen müssen. Das dürfte dazu führen, dass die Anzahl der zu analysierenden Elemente zunimmt und damit auch die Relevanz der ICP-MS bei der Analyse von Li-Ionen-Batterie-Rohstoffen. Die Analyse von Verunreinigungen könnte in Zukunft von der ICP-OES auf die leistungsstärkere ICP-MS umgestellt werden.
Kostengünstige Elementanalyse mittels AAS als alternative Technik
Die Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) ist eine weit verbreitete, robuste und kostengünstige Analysetechnik, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden kann, so auch zur Qualitätssicherung in der Lithium-Batterie-Herstellung. Durch die detaillierte Analyse der genauen Elementzusammensetzungen in den Batteriekomponenten kann die AAS-Messtechnik wertvolle Infos an die Produktion geben und damit eine gleichbleibende Produktionsqualität sicherstellen. Geringe Abweichungen von den "Designspecs" liefern Hinweise auf Verunreinigungen und damit auf eine verringerte Batterieleistung- und Lebensdauer.
Die Flammen-AAS ist eine relativ einfache und kostengünstige Methode und eignet sich zum Beispiel für die Analyse von Metallionen wie Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan in der Elektrolytlösung von Lithiumbatterien. Die Graphitofen-AAS hingegen ist eine empfindlichere und präzisere Methode, beispielsweise für die Analyse von Spurenelementen in Kathodenmaterialien von Lithiumbatterien. Das contrAA 800 mit seiner einmaligen HR-CS (High-Resolution Continuum Source) Technik bietet hier besondere Vorteile in Bezug auf Nachweisstärke und Messgeschwindigkeit. Mit dem schnell-sequentiellen Flammenbetrieb des contrAA 800 kann die Messzeit um bis zu 30 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen AAS reduziert werden. Eine zusätzliche Anwendung und damit besondere Relevanz findet die Graphitrohrtechnik des contrAA 800 für die Gehaltsbestimmung von Fluor.
Insgesamt spielt die Anwendung der AAS in der Lithiumbatterietechnologie eine wesentliche Rolle bei der Gewährleistung der Qualität und Sicherheit dieser kritischen Energiequellen.
2. Veredelung
Robuste Analytik von TOC-Verunreinigungen in Rohstoffen der Kathodenherstellung
Für die Kathodenherstellung wird aktives Material, welches der Einlagerung der Lithiumionen dient, auf Aluminiumfolie aufgebracht. Bislang haben sich folgende Kathodenmaterialien am Markt etabliert: NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide), NCA (Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid), LFP (Lithium-Eisenphosphat) und LMO (Lithium-Mangan-Oxid). Die Herstellung der Aktivmaterialien geschieht meist aus einem mehrstufigen Prozess, dessen Ausgangstoffe in der Regel Salze der charakteristischen Metalle sind.
So werden beispielsweise für die NMC-Produktion Nickelsulfat, Mangansulfat, Kobaltsulfat und Lithiumcarbonat (oder auch Lithiumhydroxid) eingesetzt. Diese Salze müssen „batterietauglich“ sein, d.h. sie müssen eine bestimmte Reinheit aufweisen. Je geringer der Verunreinigungsgrad der Rohstoffe, desto geringer ist die Gefahr, dass sich elektrochemisch inerte Phasen bilden können, die den Transport der Li-Ionen behindern und damit die reversible Kapazität und damit Leistungsfähigkeit der Batterie herabsetzen.
Deshalb werden diese Salze häufig in der Qualität „Battery grade“ auf dem Markt angeboten. Neben Metallverunreinigungen spielen vor allem auch organische Verunreinigungen eine große Rolle, welche über den Summenparameter TOC (Total Organic Carbon) bestimmt werden können. Hierzu wird das zu untersuchende Salz in wässrige Lösung gebracht und anschließend mit einem TOC-Analysator für wässrige Proben analysiert. 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. Der multi N/C 3300 mit seiner hohen Nachweisstärke und robusten Detektionstechnik eröffnet durch optimierte Verbrennungsrohrfüllungen sowie Methoden- und Parametereinstellungen eine zuverlässige Lösung, mit der sich diese Effekte minimieren und somit Wartungszyklen und -aufwände deutlich reduzieren lassen.
ICP-OES und ICP-MS Analyse von Element-Verunreinigungen in Anoden- und Kathodenmaterial sowie im Elektrolyten
Neben dem Summenparameter TOC ist wie erwähnt ebenfalls die Verunreinigung des Kathodenmaterials durch (metallische) Elemente von großer Relevanz für die Leistungsfähigkeit der Lithium-Ionen-Akkus. Für die Messung dieser empfehlen die gängigen Standards die ICP-OES, da die Hersteller die wichtigsten Kontaminationen etwa durch Chrom, Eisen, Kupfer, Zink und Blei aktuell auf einem Konzentrationsniveau von unter 1mg/kg (ppm) halten müssen.
Allerdings wird der Verunreinigungsgrad mit dem Fortschritt der Batterietechnologien immer geringer, so dass dieser mit der ICP-OES kaum mehr genau gemessen werden kann.
Daher erkunden Hersteller die ICP-MS als noch genauere Methode. Das PlasmaQuant MS von Analytik Jena bietet die empfindlichsten Nachweisgrenzen für die relevanten Elemente sowie ein robustes und effizientes Plasma. Die ICP-MS-Systeme von Analytik Jena zeichnen sich darüber hinaus auch durch eine hervorragende Resilienz gegenüber Störungen aus, dank der benutzerfreundlichen integrierten Kollisionsreaktionszelle (iCRC).
Auch die Qualität und Reinheit des Anodenmaterials hat einen entscheidenden Einfluss auf die Kapazität der Anode und somit auf die Leistungsfähigkeit der Li-Ionen-Batterie. In den letzten Jahrzenten hat sich als bevorzugtes Ausgangsmaterial der Lithium-Batterie-Anode Graphit etabliert. Das liegt unter anderem an dessen hervorragenden Materialeigenschaften, der Verfügbarkeit und den relativ geringen Kosten. Der Großteil des für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Graphits wird in China hergestellt und veredelt. Die typischerweise angewandte Technik zur Analyse der Verunreinigungen ist die ICP-OES. Für die dementsprechend aktuell angewandten chinesischen Grenzwerte auf die Elemente Natrium, Aluminium, Eisen, Kobalt, Chrom, Kupfer, Nickel, Zink, Molybdän und Schwefel werden entsprechende europäische Normen gefordert. Für die Schwermetalle Caesium, Quecksilber, Blei und Chrom kommt die ICP-MS als Analysentechnik zur Anwendung.
Die zunehmende Leistungsfähigkeit der Li-Ionen-Akkus geht mit gesteigerten Anforderungen an das Anodenmaterial einher. Viele Batteriehersteller sind daher daran interessiert, ein größeres Spektrum an Elementen zu messen, zum Teil unterhalb der mit der ICP-OES erreichbaren Nachweisgrenzen. Ähnlich wie beim Kathodenmaterial wird auch hier der Einsatz der ICP-MS als vielversprechende Alternative zur ICP-OES erprobt.
Neben dem Kathoden- und Anodenmaterial ist der Elektrolyt als dritter Einflussfaktor auf die Leistungsfähigkeit der Li-Ionen-Batterien zu nennen. Die Leistung des Elektrolyten wiederum wird stark von möglichen Element-Verunreinigungen bestimmt. Auch in diesem Zusammenhang – 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, reicht die ICP-OES jedoch nicht aus. Hier bietet sich die ICP-MS aufgrund ihrer Schnelligkeit, den geringen Nachweisgrenzen und der großen Elementabdeckung als geeignete Methode an.
3. Abwasserüberwachung
Der gesamte Herstellungsprozess einer Lithium-Ionen-Batterie kann zu erheblicher Wasserverschmutzung und Kontamination von Abwasser führen. Der Produktionsprozess beinhaltet den Einsatz verschiedener Chemikalien wie Lösungsmittel, Säuren und Laugen, die Prozesswasser kontaminieren können, wenn sie nicht ordnungsgemäß gehandhabt und entsorgt werden. Das im Produktionsprozess verwendete Wasser kann mit Schwermetallen wie Nickel, Kobalt und Mangan kontaminiert werden, die präzise und zuverlässig quantifiziert werden müssen. Das Abwasser aus der Lithium-Batterie-Produktion kann auch organische Lösungsmittel enthalten, die für aquatisches Leben giftig sein können und in der Umwelt beständig sind. Die Abwasseraufbereitung im gesamten Lithium Lifecycle bietet demnach komplexe analytische Herausforderungen. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, die Umweltemissionen von Schwermetallen und organischen Lösungsmitteln im Abwasser zu kontrollieren und die gesetzlichen Grenzwerte einzuhalten.
Sowohl die Atomabsorptionsspektrometrie (AAS), die optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma und die induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) als auch die TOC/TNb Summenparameteranalyse sind hierfür – je nach Elementkonzentration genaue und zuverlässige Techniken.
Für die Abwasseruntersuchung von hohen und mittleren Konzentrationen eignen sich besonders Geräte zur Multielementanalyse, wie das contrAA von Analytik Jena. Das hochauflösende Atomabsorptionsspektrometer mit Kontinuumstrahler ermöglicht die Bearbeitung vieler Proben mit unterschiedlichen Matrices und einer Vielzahl von Analyten. Darüber hinaus ist es robust, einfach zu bedienen und für den täglichen Routinebetrieb mit dem Probengeber AS-FD mit automatischer Verdünnungsfunktion voll automatisierbar.
Für kleinste Elementkonzentrationen sind die oft in relevanten Normen genannten Geräte der ICP-OES, wie das PlasmaQuant 9100 Elite prädestiniert. Die Kombination mehrerer analytischer Techniken und eine sorgfältige Probenvorbereitung sind entscheidend, um die analytischen Herausforderungen bei der Abwasseraufbereitung der Lithium-Batterieproduktion zu bewältigen.
Vereinzelt müssen Spurenelemente 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 Stickstoffhaltigen Verbindungen (TNb – Total bound Nitrogen) lassen sich sehr gut über die TOC/TNb Summenparameter analysieren. Die katalytischen Hochtemperatur TOC/TN-Analysatoren der multi N/C Serie mit ihren flexiblen Automatisierungslösungen, robuster und zuverlässiger Probenzufuhr, Oxidation und Detektion bieten hierfür maßgeschneiderte Lösungen.
Die kontinuierliche Überwachung und regelmäßige Analyse der Abwasserproben ermöglichen es, potenzielle Umweltauswirkungen zu erkennen und geeignete Maßnahmen zur Minimierung von Umweltbelastungen zu ergreifen.
Bereit für die Energiewende
Die Lithium-Produktion ist von 2008 bis 2018 um 335 Prozent gewachsen – Tendenz weiter steigend. Bis zu 14 Millionen Tonnen Lithium stehen schätzungsweise noch als Reserve zur Verarbeitung bereit.
Um es zu Batterien mit höchster Reinheit und damit Langlebigkeit zu verarbeiten, aber auch um die Umwelt vor den Nebenprodukten der Herstellung zu schützen, sind zuverlässige, leistungsstarke und präzise Techniken und Geräte erforderlich.
Analytik Jena verfügt über ein breites Produktportfolio in allen zuvor dargestellten, relevanten Analysemethoden. Unsere globale Präsenz und Expertise, auch im Bereich der spektroskopischen Analyse von komplexen Erzen und Lösungen machen uns zu einem idealen Partner rund um den Lebenszyklus der Lithium-Ionen-Batterien.
Unsere Geräte im Bereich ICP-OES, ICP-MS, AAS und TOC/TNb ermöglichen die komplette mineralogische und chemische Charakterisierung von lithiumhaltigen Erzen, Konzentraten und Solelösungen und stellen auch die erforderliche Umweltanalytik sicher. Entdecken Sie unser Portfolio und unsere applikativen Lösungen für Ihre spezifische Herausforderung oder nehmen Sie Kontakt mit uns auf.
Quelle: United States Geological Survey – USGS
Lösungen
Downloads
Analyse von Schwarzmasse aus Lithium-Ionen-Batterien mittels HR-CS AAS (DE)
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Recycling von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) - Bestimmung des Elementaren und Organisch-gebundenen Kohlenstoff in Schwarzmasse mittels Pyrolysemethode (DE)
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Analysis of Cathode Material of Lithium-Ion Batteries Using HR-ICP-OES (DE)
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Nutzen der TIC-Analytik beim Lithium-Akku-Recycling zur Lithium-Rückgewinnung (DE)
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Bestimmung organischer Verunreinigungen (TOC) in Rohstoffen für die Kathodenherstellung für Lithium-Ionen Batterien (LIB) (DE)
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Analysis of Lithium Carbonate for Lithium-Ion Battery Applications using HR ICP-OES (DE)
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Broschüre Optical Emission Spectrometer PlasmaQuant 9100 (DE)
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Broschuere ICP-MS (DE)
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Broschuere contrAA800 (DE)
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Infografik Fokus Applikation Lithium (DE)
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Bild "Abbau der Rohstoffe" von iStock- Maradona
Bild "Veredelung" von Pexels - Tom Fisk
Bild "Energiewende" von Unsplash - Possessed Photography
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Mahdi –
"Analysis of Black Mass (Cathode Material of Lithium-Ion Batteries)"
Black Mass is not 100% cathode Materials of Li-Ion Batteries.
Analytik Jena –
thank you for pointing that out. But it's just the meta title of the application note that is displayed here. The actual title of the PDF is "Analysis of Black Mass and Cathode Material of Lithium-Ion Batteries using HR-ICP-OES". The application note itself deals with two samples. One is pyrolyzed black mass (LFP), the other one contains extractions of cathode material.