Der Held der Batterieproduktion

Während Durchbrüche bei batteriebetriebenen Produkten und Lösungen für Schlagzeilen sorgen, arbeitet ein stiller Held fleißig hinter den Kulissen, um den Erhalt und die Effizienz von Batterien sicherzustellen - der Karl Fischer Titrator.

Während die Karl-Fischer-Titration (KF) als Meister der Qualitätskontrolle in der Batterieproduktion gilt, unterstützen Techniken wie der Trocknungsverlust (Loss-on-Drying, LOD) und die thermogravimetrische Analyse (TGA) die Hauptaufgabe des Titrators, den Wassergehalt von Batteriematerialien und Elektrolyten genau zu messen.

Leistungsverschlechterung:

Wasser reagiert mit dem Leitsalz des Elektrolyten (z. B. LiPF6), wodurch der Elektrolyt zersetzt und die Bildung von Fluorwasserstoffsäure ausgelöst werden kann. Der entstehende Fluorwasserstoff (HF) kann dann die Batteriematerialien angreifen und korrodieren, was die Leistung beeinträchtigt und zu gefährlichen Bedingungen führen kann.

Sicherheitsgefahren:

Bei normalem Betrieb erzeugen Batterien durch die Bewegung von Elektronen zwischen Anode und Kathode eine geringe Wärme. Wenn jedoch interne Komponenten, wie z. B. Wärmesensoren oder Schutzschaltungen, aufgrund von Feuchtigkeit oder des Zusammenbruchs dieser Komponenten durch HF ausfallen, kann es zu einer gefährlichen Situation kommen, die als thermisches Durchgehen bezeichnet wird.

Thermisches Durchgehen ist ein gefährlicher Zustand, der eintritt, wenn die Temperaturen in der Batteriezelle unkontrolliert ansteigen und möglicherweise einen Brand oder sogar eine Explosion verursachen. 

Schauen wir uns an, wie das passieren kann. Der Prozess beginnt bei einer scheinbar niedrigen Temperatur von 80 °C, bei der die Schutzschicht auf der Anode (Solid Electrolyte Interface, SEI) in einer Reaktion, die Wärme freisetzt, zu zerfallen beginnt und die folgende Kettenreaktion auslöst:

• Wenn die Temperaturen zwischen 100°C und 120°C steigen, beginnt sich der Elektrolyt selbst zu zersetzen, wobei verschiedene Gase freigesetzt werden, die zu einer drohenden Explosion beitragen können, wie CO, CO2, CH4, C2H4, H2.
  
  
• Noch kritischer wird die Situation zwischen 120°C und 130°C, wenn die Separatorkomponente schmilzt und einen internen Kurzschluss verursacht, der die Wärmeentwicklung weiter beschleunigt.
  
  
• Wenn die Temperaturen 150 °C erreichen, reagiert die Kathode mit dem Elektrolyten, erzeugt Sauerstoff und treibt die Zelle zum völligen Ausfall.
  
  
• Bleibt die Reaktion unkontrolliert und übersteigt die Temperatur 180°C, so wird sie zu einem selbsttragenden Prozess. Der entstehende Sauerstoff treibt den Zerfallsprozess weiter voran und führt zu einem gefährlichen Runaway-Szenario, bei dem die Temperaturen schnell ansteigen und zu einem Batteriebrand oder einer Explosion führen können.
  
  

Wie Sie sehen, können schon geringe Spuren von Wasser eine katastrophale und gefährliche Situation auslösen, so dass eine sorgfältige Kontrolle erforderlich ist. Hier kommt die Karl-Fischer-Titration ins Spiel - unser zuverlässiges Hilfsmittel zur präzisen Messung und Kontrolle des Wassergehalts in Lithium-Ionen-Materialien, um sicherzustellen, dass nur minimale Feuchtigkeit in die endgültige Zelle gelangt.

• Abschwächung der Elektrolytdegradation: Ein kontrollierter Wassergehalt schützt vor dem Zusammenbruch des Elektrolyts. Die Aufrechterhaltung einer optimalen Kapazität und Leistungsabgabe führt zu einer verbesserten Batterieleistung und längeren Nutzungszyklen zwischen den Ladevorgängen.
  

• Geringerer Innenwiderstand: Batterien mit geringerem Innenwiderstand haben einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Gesamtleistung, d. h. Ihr Elektrofahrzeug kommt mit einer einzigen Ladung weiter (was die Reichweitenangst verringert und die Nachhaltigkeit fördert).
  

• Vermeidung von Nebenreaktionen: Die Kombination aus KF-Titration, LOD und TGA minimiert Sicherheitsrisiken, die durch wasserinduzierte Nebenreaktionen entstehen, einschließlich flüchtiger und gefährlicher Ereignisse. Dieser strenge Ansatz fördert einen zuverlässigen und sicheren Batteriebetrieb für verschiedene Anwendungen.