International führend in der Batteriezellanalytik

Bereich: Analytik & Umwelt
© WWU / MEET

Die Eigenschaften einer Batterie werden maßgeblich durch die in ihr ablaufende Chemie und Elektrochemie bestimmt. Die Herausforderung hierbei: Es gilt, das in sich geschlossene und sensible System Batteriezelle, die Zusammensetzung der enthaltenen Materialien sowie die stattfindenden Reaktionen und Mechanismen genau zu kennen und zu verstehen. Erst dann ist es möglich, bestehende Batteriezellen zu beurteilen und zu optimieren sowie nachhaltige Batterietechnologien für die Zukunft zu entwickeln.

Dieser Aufgabe widmen sich unsere Forscher*innen im Bereich Analytik & Umwelt des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster seit 2009. Mit einem Fokus auf die Lithium-Ionen-Technologie – und herausragender Methodenkompetenz – ist das MEET Wissenschaftsteam international führend in der Batteriezellanalytik. Auch vielversprechende neue Batterietechnologien wie Festkörperbatterien werden in den MEET Laboren untersucht.

© MEET/Judith Kraft

Umfassende Analytik von Batterie und Umwelt

Im Zentrum der Methodik des Forschungsbereichs steht die Analytische Chemie, die durch qualitative und quantitative Untersuchungen zahlreiche Informationen liefert. Die Batterieanalytik stellt Wissenschaftler*innen dabei vor besondere Herausforderungen mit hoher Komplexität: Sei es der Umgang mit stark reaktiven Proben aus dem in sich geschlossenen, hochenergetischen System Batterie, die Untersuchung von Batteriezellen während des Betriebs, die Vielzahl parallel eintretender Alterungsvorgänge innerhalb einer Batterie oder die mögliche Diskrepanz zwischen Labor- und Industrie- bzw. Produktionsmaßstab.

Unsere Forscher*innen beleuchten den gesamten Wertschöpfungskreislauf der Batterie: vom Rohmaterial, der Zellfertigung über die Formierung und Zyklisierung bis hin zu post mortem Untersuchungen sowie Recycling- und Second Life Ansätzen. Darüber hinaus untersuchen sie den Einfluss der Batterie auf die belebte und unbelebte Umwelt und liefert Daten für toxikologische Einschätzungen zum Beispiel hinsichtlich des Arbeitsschutzes. Ein weiterer Fokus liegt in der mechanistischen Aufklärung von Prozessen, die innerhalb der Batterie stattfinden.

Durch die vollumfängliche Analyse gewinnt unsere Forschungsgruppe fundierte Kenntnisse, auf deren Basis sie sowohl die Leistung und Lebensdauer als auch die Sicherheit und Nachhaltigkeit der elektrochemischen Energiespeicher deutlich verbessert.
Dr. Sascha Nowak, Bereichsleiter Analytik & Umwelt am MEET
  • Ausgeprägte Methodenkompetenz für Analytik auf herausragendem Niveau

    Die Kompetenz des MEET Teams erstreckt sich von der Grundlagenforschung und geht weit über die Anwendung analytischer Methoden in dem hochkomplexen und sensiblen Forschungsbereich Batterie hinaus. So haben unsere Wissenschaftler*innen zahlreiche analytische Methoden entwickelt. Diese ermöglichten es, zuvor unzugängliche Fragestellungen zu beantworten, wodurch die Batterieforschung nachhaltig geprägt wurde. Das Team konnte beispielsweise das Verständnis über die Zersetzung des Leitsalzes Lithium-Hexafluorophosphat (LiPF6) weitreichend überarbeiten und darauf aufbauend unterschiedliche Reaktionen weiterer Bestandteile des Elektrolyten aufdecken.

    Am MEET Batterieforschungszentrum sind darüber hinaus spezialisierte Methoden zur vielseitigen Analyse verschiedener Prozesse und Fragestellungen der Batterie entstanden:

    • Interphasen SEI und CEI (Entstehung, Zusammensetzung, Dynamik)
    • Übergangsmetall-Auflösung, -Migration und -Deposition
    • Alterung des Elektrolyten (Leitsalz, Lösemittel, Additive, Ionische Flüssigkeiten)
    • Lithiumverteilung, Prälithiierung
    • Materialalterung (Anoden, Kathoden, Stromsammler, Separator)
    • Visualisierung von Alterungsprozessen (Imaging)
    • Aufklärung von Reaktionswegen und Mechanismen (mittels u.a. Isotopenanalytik / C13-Isotopenmarkierung)
    • Recycling (Elektrolytrückgewinnung, Aktivmaterial-Resynthese, Performancetests, alternative Methoden: Phytosanierung)
    • Teilnahme an Ringversuchen, DIN und ISO Mitarbeit, Referenzmaterialien

    Für die Analytik kommen im Forschungsbereich hochmoderne chromatographische, thermoanalytische, spektroskopische, spektrometrische, elektrochemische und bildgebende Verfahren zum Einsatz.

    © MEET/Nowak

    Zum Repertoire gehört Modellgrundlagenforschung an stark vereinfachten Systemen, Methodentransfer aus anderen Disziplinen auf die herausfordernde Umgebung Batterie bis hin zu aktuellen Anwendungsbezügen wie die Untersuchung von Batterien aus gelaufenen Elektroautos. Auch Isotopenmarkierung und hochauflösende Massenspektrometrie werden genutzt, um beispielsweise entstandene Zersetzungsprodukte in einer Batterie mit höchster Sicherheit qualitativ und quantitativ nachzuweisen.

    Eine weitere Besonderheit des MEET Forschungsteams: Durch Kopplungstechniken werden Vorteile einzelner Geräte synergetisch genutzt. Dies führt zu einem großen Informationsgehalt der Analysen. Dadurch können flüchtige oder gasförmige ebenso wie flüssige und feste Proben hinsichtlich Speziesinformation und Elementarzusammensetzung betrachtet werden. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit, durch bildgebende Verfahren Fragestellungen buchstäblich aus einem neuen Blickwinkel zu betrachten, wie zum Beispiel die Übergangsmetallauflösung aber auch Fehlstellen in Separatoren.