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In this work, we employed glow discharge optical emission spectrometry (GD-OES) depth profiling as a fast and semi-quantitative method to investigate the aluminum (Al) current collector degradation in commercial lithium cobalt oxide (LCO) pouch cells with no Al2O3 pretreatment. After battery aging, a heterogeneous deposit was found on the surface of the cathode. Gray hotspot areas within an extensive pale white region were formed. Consistent with energy dispersive X-ray (EDX) analysis of micro-cross sections milled via targeted focused ion beam (FIB), an Al-containing layer of approximately 3 µm can be observed using GD-OES. We attribute one main cause of this layer is the degradation of the Al current collector. The nonuniform growth of this layer was investigated by performing GD-OES depth profiling at different in-plane positions. We found that the gray area has a higher mass concentration of Al, probably in metallic form, whereas the white area was probably covered more homogeneously with Al2O3, resulting from the inhomogeneous distribution of the pitting positions on the current collector. Compared to FIB-EDX, GD-OES enables a faster and more convenient depth profile analysis, which allows the more productive characterization of lithium-ion batteries (LIBs), and consequently benefits the development of preferable battery materials.
Lithium-ion batteries (LIBs) are one technology to overcome the challenges of climate and energy crisis. They are widely used in electric vehicles, consumer electronics, or as storage for renewable energy sources. However, despite innovations in batteries' components like cathode and anode materials, separators, and electrolytes, the aging mechanism related to metallic aluminum current collector degradation causes a significant drop in their performance and prevents the durable use of LIBs. Glow-discharge optical emission spectroscopy (GD-OES) is a powerful method for depth-profiling of batteries' electrode materials. This work investigates aging-induced aluminum deposition on commercial lithium cobalt oxide (LCO) batteries' cathodes. The results illustrate the depth-resolved elemental distribution from the cathode surface to the current collector. An accumulation of aluminum is found on the cathode surface by GD-OES, consistent with results from energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) combined with focused ion beam (FIB) cutting. In comparison to FIB-EDX, GD-OES allows a fast and manageable depth-profiling. Results from different positions on an aged cathode indicate an inhomogeneous aluminum film growth on the surface. The conclusions from these experiments can lead to a better understanding of the degradation of the aluminum current collector, thus leading to higher lifetimes of LIBs.
Investigation of degradation of the aluminum current collector in lithium-ion batteries by GD-OES
(2022)
Lithium-ion batteries (LIBs) are one technology to overcome the challenges of climate and energy crisis. They are widely used in electric vehicles, consumer electronics, or as storage for renewable energy sources. However, despite innovations in batteries' components like cathode and anode materials, separators, and electrolytes, the aging mechanism related to metallic aluminum current collector degradation causes a significant drop in their performance and prevents the durable use of LIBs. Glow-discharge optical emission spectroscopy (GD-OES) is a powerful method for depth-profiling of batteries' electrode materials. This work investigates aging-induced aluminum deposition on commercial lithium cobalt oxide (LCO) batteries' cathodes. The results illustrate the depth-resolved elemental distribution from the cathode surface to the current collector. An accumulation of aluminum is found on the cathode surface by GD-OES, consistent with results from energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) combined with focused ion beam (FIB) cutting. In comparison to FIB-EDX, GD-OES allows a fast and manageable depth-profiling. Results from different positions on an aged cathode indicate an inhomogeneous aluminum film growth on the surface. The conclusions from these experiments can lead to a better understanding of the degradation of the aluminum current collector, thus leading to higher lifetimes of LIBs.
Introduction
Lithium-ion batteries (LIBs) are one key technology to overcome the climate crisis and energy transition challenges. Demands of electric vehicles on higher capacity and power drives research on innovative cathode and anode materials. These high energy-density LIBs are operated at higher voltages, leading to increased electrolyte decay and the current collectors' degradation. Even though this fundamental corrosion process significantly affects battery performance, insufficient research is being done on the aluminum current collector. Fast and convenient analytical methods are needed for monitoring the aging processes in LIBs.
Methods
In this work glow-discharge optical emission spectrometry (GD-OES) was used for depth profile analysis of aged cathode material. The measurements were performed in pulsed radio frequency mode. Under soft and controlled plasma conditions, high-resolution local determination (in depth) of the elemental composition is possible. Scanning electron microscopy (SEM) combined with a focused ion beam (FIB) cutting and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) was used to confirm GD-OES results and obtain additional information on elemental distribution.
Results
The aging of coin cells manufactured with different cathode materials (LCO, LMO, NMC111, NMC424, NMC532, NMC622, and NMC811) was studied. GD-OES depth profiling of new and aged cathode materials was performed. Quantitative analysis was possible through calibration with synthetic standards and correction by sputter rate. Different amounts of aluminum deposit on the cathode surface were found for different materials. The deposit has its origin in the corrosion of the aluminum current collector. The results are compatible with results from FIB-EDX. However, GD-OES is a faster and less laborious analytical method. Therefore, it will accelerate research on corrosion processes in high energy-density batteries.
Innovative aspects
- Quantitative depth profiling of cathode material
-Monitoring of corrosion processes in high energy-density lithium-ion batteries
- Systematic investigation of the influence of different cathode materials
Lithium-ion batteries (LIBs) are one technology to overcome the challenges of climate and energy crisis. They are widely used in electric vehicles, consumer electronics, or as storage for renewable energy sources. However, despite innovations in batteries' components like cathode and anode materials, separators, and electrolytes, the aging mechanism related to metallic aluminum current collector degradation causes a significant drop in their performance and prevents the durable use of LIBs.[1] Glow-discharge optical emission spectroscopy (GD-OES) is a powerful method for depth-profiling of batteries' electrode materials. This work investigates aging-induced aluminum deposition on commercial lithium cobalt oxide (LCO) batteries' cathodes. The results illustrate the depth-resolved elemental distribution from the cathode surface to the current collector. An accumulation of aluminum is found on the cathode surface by GD-OES, consistent with results from energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) combined with focused ion beam (FIB) cutting. In comparison to FIB-EDX, GD-OES allows a fast and manageable depth-profiling. Results from different positions on an aged cathode indicate an inhomogeneous aluminum film growth on the surface. The conclusions from these experiments can lead to a better understanding of the degradation of the aluminum current collector, thus leading to higher lifetimes of LIBs.
Für die Erfassung der Verbreitung von Mikroplastik (MP) in der Umwelt ist die zeit- und kostenaufwendige Analysestrategie und der damit verbundene geringe Probendurchsatz eine limitierende Größe. Eine große Zahl verschiedener Studien dokumentriet das Auftreten von MP über den gesamten Globus. Meist sind die Studien aufgrund des großen analytischen Aufwands auf exemplarische, stichpunktartige Untersuchungen kleiner Umweltaliquoten und zahlenmäßig kleiner Probenumfänge begrenzt. Um die Verbreitung, die Eintragspfade und den Verbleib von MP in der Umwelt besser zu verstehen und effektive Vermeidungsstrategien abzuleiten, ist es jedoch notwendig, analytisch mehr Proben erfassen zu können.
Bildgebende mikro-spektroskopische Methoden wie das Raman- und FTIR-Imaging ermöglichen eine zeitaufwendige, umfassende Charakterisierung kleiner Umweltaliquoten. Neben der Partikelanzahl sind zusätzlich Informationen zu Partikelgröße, Größenverteilung und Oberflächenmorphologie zugänglich. Chemische und thermische Extraktionsverfahren sind bereits deutlich schneller und können diese Informationen durch eine Massenbilanz vervollständigen. Die analysierbare Probenmenge ist jedoch auf Milligramm Mengen beschränkt.
Wir schlagen daher vor, die Analyse von Proben auf MP durch ein vorangestelltes Screening mit der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) zur komplementieren. In diesem wird bereits eine erste Einschätzung über die Präsenz von MP in einer Probe gefällt und dadurch die wertvolle Messzeit anderer Methoden effizienter genutzt.
NIR zur Analyse von Polymeren wird seit langem eingesetzt, jedoch bisher lediglich im Rahmen einer Studie zur Mikroplastikuntersuchung mittels Hyperspektraler Bildgebung beschrieben. Der NIR Spektralbereich findet sich zwischen dem sichtbaren Licht und dem mittleren Infrarot (MIR). MIR Spektren sind durch klar definierte Banden charakterisiert, welche mehrheitlich von den Grundschwingungen der Moleküle stammen. Die höheren Energien im nahen Infrarot regen hingegen Kombinations- und Oberschwingungen der Streck und Biegeschwingungen an. Die resultierenden Absorptionsbanden sind oft breit und relativ unspezifisch. Erst mit Hilfe einer computergestützten Datenauswertung lassen sich aus diesen Spektren nützliche Informationen gewinnen. Dies erklärt die steigende Popularität der NIR-Spektroskopie in der jüngeren Vergangenheit mit einem Schwerpunkt als prozessanalytische Methode. NIR Spektrometer für das industrielle Prozessmonitoring zeichnen sich durch eine kompakte und robuste Konstruktionsweise aus. Die verfügbaren faseroptischen Reflexionssonden eignen sich gut um pulverförmige Proben zu untersuchen. Der räumlich erfassbare Messbereich kann durch die Sondengeometrie variiert werden. Sind die untersuchten Partikel im Verhältnis zur abgetasteten Fläche klein, wird als spektrale Information die Summe der Absorption aller Partikel im Sichtfeld erfasst. Die Methode ist deshalb nicht für Detailuntersuchungen von MP geeignet, erlaubt es jedoch innerhalb weniger Minuten eine Einschätzung über das Vorkommen von Mikroplastik in einer Probe zu treffen.
Exemplarisch wurden für diese Untersuchungen vier der am weitesten verbreiteten Kunststoffe Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS) gewählt. Aus den additivfreien Polymeren wurden nach einer Kryo-vermahlung und anschließender Siebung (< 125 µm) Modellproben generiert. Die Polymere wurden dafür zu einem Massenanteil von 1 % mit einem Standardboden (LUFA2.3, gesiebt < 125 µm) vermischt. Die Gesamtmenge von 1 g je Probe wurde in Aluminiumbehältern präpariert und 8 Messungen an unterschiedlichen, zufällig gewählten Positionen vorgenommen. Die erhaltenen Spektren wurden zur Kalibrierung chemometrischer Modelle genutzt.
In einem hierarchischen Ansatz wurde anhand der NIR-Spektren eine Klassifizierung vorgenommen:
1. Bestimmung ob eine Probe MP enthält (Ja/Nein).
2. Identifikation der Polymere in der Probe.
Eine aussagekräftige Klassifizierung beruht auf einer Vorbehandlung der Spektren. Hierdurch werden die Unterschiede zwischen den einzelnen Polymerbanden hervorgehoben. Die Eignung der so erstellten Modelle wurde anhand eines Referenzmaterials und am Beispiel von Realproben erfolgreich getestet. Dabei zeigte sich, dass nicht nur in den erstellten Polymer-Bodenmischungen, sondern auch in den Rückständen von fermentiertem Bioabfall und in Filterrückständen einer Waschmaschine, MP richtig erkannt wurde. Weiterhin zeigten Tests mit Mikroplastik-freien Bodenproben unterschiedlicher Herkunft, dass keine falsch-positive Resultate erzeugt wurden. Alle vier untersuchten Polymere, d.h. PE, PET, PS und PP mit einem Massenanteil von 1 % in einer Bodenmatrix werden auch bei einer gemischten Polymerzusammensetzung mit der NIR-Spektroskopie erkannt.
Der kombinierte Einsatz von NIRS und Chemometrie ermöglicht die Entscheidung über ein potenzielles Vorkommen sowie die Zuordnung des Materials der enthaltenen Polymerpartikel für eine Massefraktion ≥ 1 % in einer (trockenen) Probenmenge von 1 g innerhalb von 10–15 min. Der zeitaufwendige Schritt der Methode liegt hier in der Erstellung geeigneter chemometrischer Modelle sowie deren Validierung. Wesentliche Voraussetzung ist dabei, dass bei der Kalibrierung die Varianz der zu erwartenden Partikel und der Matrix realistisch abgebildet wird.
Die Nutzung von Sensortechnologien, insbesondere im Bereich der Gasdetektion mit einem Schwerpunkt auf Wasserstoff, spielt eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungsbereichen der Wasserstofftechnologie. Sicherheitsüberwachung, Leckdetektion und Prozesskontrolle gehören zu den prominenten Anwendungsgebieten dieser Sensortechnologien. Ein zentrales Ziel ist die Erkennung von freigesetztem Wasserstoff sowie die genaue Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhältnisses mithilfe von Gassensoren. Dies ist von entscheidender Bedeutung, um potenzielle Gefahren frühzeitig zu erkennen und angemessene Maßnahmen zu ergreifen.
Ein weiterer Schwerpunkt dieses Beitrags liegt auf der Analytik und der Verwendung zertifizierter Referenzmaterialien in Verbindung mit Metrologie für die Wasserstoffspeicherung. Dies gewährleistet eine präzise und zuverlässige Charakterisierung von Wasserstoff und unterstützt die Entwicklung sicherer Speichertechnologien. Im Rahmen des Euramet-Vorhabens Metrology for Advanced Hydrogen Storage Solutions (MefHySto) wird eine Kurzvorstellung präsentiert.
Der Vortrag stellt zwei zerstörungsfreie Prüfverfahren zum strukturellen Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring, SHM) für Wasserstofftechnologien vor. Insbesondere die Fehlstellenerkennung mittels geführter Ultraschallwellen spielt eine bedeutende Rolle bei der Lebensdauerüberwachung von Wasserstoffspeichern. Ein weiterer Aspekt ist die Anwendung faseroptischer Sensorik zur Schadensfrüherkennung von Wasserstoffspeichern. Diese zerstörungsfreien Prüfverfahren ermöglichen eine präzise und frühzeitige Identifizierung von Schäden, was die Sicherheit und Effizienz von Wasserstoffspeichersystemen entscheidend verbessert.
Polyether and -ester urethanes (PU) were exposed to artificial weathering at 40 °C and artificial UV radiation in a weathering chamber. In 3 parallel exposures, humidity was varied between dry, humid, and wet conditions. Material alteration was investigated by various analytical techniques like size exclusion chromatography
(SEC), liquid chromatography-infrared spectroscopy (LC-FTIR), thermal-desorption gas chromatography-mass spectrometry (TD-GC-MS), fluorescence mapping and dynamic mechanical analysis (DMA). Our results show that depending on the weathering conditions, different degradation effects can be observed. By means of SEC an initial strong decrease of the molar masses and a broadening of the mass distributions was found. After a material dependent time span this was followed by a plateau where molar mass changes were less significant. A minor moisture-dependent degradation effect was only found for polyester PU. Fluorescence measurements on two materials revealed an increase in the luminescence intensity upon weathering process reaching a saturation level after about 500 h. The changes in the optical properties observed after different exposure conditions and times were very similar. The TD-GC-MS data showed the fate of the stabilizers and antioxidant in the course of weathering. LC-FTIR measurements revealed a change in peak intensities and the ratio of urethane and carbonyl bands.
For years there have been more and more reports on the presence of drugs in the aquatic environment. Due to the demographic change, the consumption of pharmaceuticals has risen sharply. After taking the drugs, they are partly metabolized in the human body. However, the metabolism is not complete so that both the metabolites and non-metabolized amounts of the parent compounds are excreted. These compounds reach the waste water and afterwards the sewage treatment plants. In sewage treatment plants transformation products can be formed by the oxidative conditions during wastewater treatment processes. The transformation products may have a higher toxicity than the actual environmental pollutants and are often only partly removed during the waste water treatment. Since a lot of these compounds are still unknown, the transformation products are not detected by target analysis used in sewage treatment plants and are often released undetected in the aquatic ecosystems. The released substances may be subject to additional transformation processes in the environment. Pharmaceuticals produced in high amounts can be already detected in the μg/L range in water bodies worldwide.
Metformin and its major transformation product guanylurea are one of the main representatives. Metformin is the drug of choice for treating type 2 diabetes. The drug therapy for diabetes mellitus has increased significantly in recent years. In the year 2015 1500 tons of metformin were prescribed in Germany (for statutory insured persons). Metformin is not metabolized in the human body and is excreted unchanged therefore concentrations between 57 μg/L and 129 μg/L are found in German waste water treatment plants influents.
In this work the transformation of the antidiabetic drug metformin is investigated. The degradation of metformin is initialize by commercial water treatment techniques like UV-radiation or noncommercial techniques like heterogenous photocatalysis based on titanium dioxide. The degradation of metformin and resulting transformation products are analyzed by LC-MS/MS and LC-HRMS.
The increasing pollution of terrestrial and aquatic ecosystems with plastic debris leads to the accumulation of microscopic plastic particles of still unknown amount. To monitor the degree of contamination analytical methods are urgently needed, which help to quantify microplastics (MP). Currently, time-costly purified materials enriched on filters are investigated both by micro-infrared spectroscopy and/or micro-Raman. Although yielding precise results, these techniques are time consuming, and are restricted to the analysis of a small part of the sample in the order of few micrograms. To overcome these problems, here we tested a macroscopic dimensioned NIR process-spectroscopic method in combination with chemometrics. For calibration, artificial MP/soil mixtures containing defined ratios of polyethylene, polyethylene terephthalate, polypropylene, and polystyrene with diameters < 125 µm were prepared and measured by a process FT-NIR spectrometer equipped with a fiber optic reflection probe. The resulting spectra were processed by chemometric models including support vector machine regression (SVR), and partial least squares discriminant analysis (PLS-DA). Validation of models by MP mixtures, MP-free soils and real-world samples, e.g. and fermenter residue, suggest a reliable detection and a possible classification of MP at levels above 0.5 to 1.0 mass% depending on the polymer. The benefit of the combined NIRS chemometric approach lies in the rapid assessment whether soil contains MP, without any chemical pre-treatment. The method can be used with larger sample volumes and even allows for an online prediction and thus meets the demand of a high-throughput method.