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Grundlagen der Elektrochemie und elektrochemische Energiespeicher

Arbeitsgruppe 3.41

Profil

Elektrochemische Messmethoden werden in der Industrie, in der Forschung, in Analyselaboren aber auch im privaten Bereich vielfältig eingesetzt. So wird beispielsweise die Reinheit von Wasser in der Halbleiterfertigung u.a. durch Leitfähigkeitsmessungen überwacht, in medizinischen Laboren gleichermaßen wie im häuslichen Aquarium wird der pH Wert gemessen, wichtige Elektrolyte im Blutserum werden durch Ionenselektive Elektroden bestimmt, der Zustand von Li-Ionenbatteriezellen wird durch Elektrochemische Impedanzspektroskopie gemessen und für die Ozeanographie und Klimaforschung wichtige Beobachtungsgrößen wie der Sauerstoffgehalt, der Salzgehalt oder der Säuregehalt von Meerwasser werden ebenfalls elektrochemisch gemessen. Im Gegensatz zu vielen chemischen Analyseverfahren sind elektrochemische Sensoren verhältnismäßig kostengünstig, einfach in der Anwendung und schnell, wenn auch oft mitunter genau. Sie werden daher häufig in der Prozess- und Qualitätskontrolle eingesetzt, insbesondere wenn Messergebnisse in großer Menge, einfach, automatisiert und mit möglichst geringem Zeit- und Kostenaufwand erfasst werden sollen. Nichtsdestotrotz müssen die Messergebnisse im Rahmen der erreichbaren Genauigkeit vertrauenswürdig sein, insbesondere dann, wenn sie als Nachweis zur Einhaltung gesetzlicher oder normativer Vorgaben dienen sollen, wie etwa in der Medizintechnik.

Die Arbeitsgruppe „Grundlagen der Elektrochemie und elektrochemische Energiespeicher“ der PTB hat daher nationale Normale für die elektrochemischen Messgrößen elektrolytische Leitfähigkeit, pH-Wert und Ionenaktivität entwickelt und bietet dafür primäre Kalibrierdienstleistungen an. Um die Vertrauenswürdigkeit und die internationale Vergleichbarkeit der Kalibrierergebnisse sicherzustellen nehmen wir regelmäßig im Rahmen des Opens external link in new windowCIPM-MRA an internationalen Vergleichsmessungen teil.

Wir forschen in verschiedenen Bereichen, um die bestehenden Normale zu verbessern, ihren Einsatzbereich auszudehnen und neue Messverfahren für elektrochemische Größen zu entwickeln. Die Forschung erfolgt meist in nationaler und internationaler Kooperation mit metrologischen Instituten, akkreditierten Laboratorien, Universitätsinstituten und der Industrie. Derzeit liegt der Schwerpunkt unserer Forschungstätigkeit auf der Rückführung von Messergebnissen der Salinität und des pH-Werts von Meerwasser auf geeignete Normale und auf der Messung des Gesundheitszustands von Li-Ionenbatteriezellen von Elektrofahrzeugen. Wenn Sie auf unseren Webseiten etwas stöbern, können sie mehr über unsere Serviceleistungen und Forschungsaufgaben erfahren.

Wir sind bestrebt unser Serviceangebot zu erweitern und auf neue Anforderungen zu reagieren. Dabei stellen wir uns auch ungewöhnlichen Herausforderungen. Wenn Sie Bedarf an einem Referenzmessverfahren für eine elektrochemische Messgröße haben, dann kontaktieren Sie uns.

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Forschung/Entwicklung

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Dienstleistungen

Elektrolytische Leitfähigkeit von primären Referenzlösungen

Die elektrolytische Leitfähigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit einer Lösung ionische Ladung zu transportieren. Sie hängt von der Art und Konzentration der in der Lösung vorhandenen Ionen ab und ist gut geeignet, geringe Änderungen in der Ionenkonzentration einer Lösung ohne aufwendige Probenahme und -analyse zu messen. Leitfähigkeitsmessgeräte sind verhältnismäßig günstig und einfach zu bedienen. Deswegen wird die Leitfähigkeit häufig gemessen, um in der Prozesskontrolle die Ionenkonzentration in Flüssigkeiten zu überwachen, beispielsweise in der Medizintechnik, in Kraftwerken, in der Abwasserbehandlung oder der Nahrungsmittelindustrie. In wässrigen Lösungen wird dabei in einem Messbereich zwischen 0,055 µS/cm (Reinstwasser) und einigen 10 S/m (Prozesswasser) gemessen. In der Praxis werden Leitfähigkeitsmessgeräte üblicherweise mit Referenzlösungen kalibriert, deren Leitfähigkeit bekannt ist. Die Arbeitsgruppe bietet als Kalibrierdienstleistung an, die Leitfähigkeit von Referenzlösungen mit einem primären Messverfahren rückgeführt auf das Internationale Einheitensystem zu messen.

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Kalibrierung von Leitfähigkeitssensoren für Anwendungen in Rein- und Reinstwasser

Leitfähigkeitsmesszellen für Rein- und Reinstwasseranwendungen werden häufig dort eingesetzt, wo auf einfache, billige und schnelle Weise sehr sauberes Wasser kontinuierlich auf ionische Verunreinigungen überwacht werden muss, wie etwa Wasser für Infusionen, Wasser für Dampfturbinen in Kraftwerken oder Wasser zum Reinigen von Halbleitern. Dies sind meist Durchflussmesszellen, weil sie in geschlossene Kreisläufe eingebaut werden müssen.

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pH Wert von primären Referenzpufferlösungen

Der pH-Wert ist ein Maß für den Gehalt von Wasserstoffionen in einer Lösung. Er hat entscheidenden Einfluss auf die Geschwindigkeit von chemischen Reaktionen bzw. auf die Struktur von Molekülen. Daher ist der pH-Wert für alle Lebewesen von entscheidender Bedeutung und dessen Messung in der Prozesskontrolle der chemischen Industrie kaum ersetzbar.

Nach seiner Definition ist der pH-Wert der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoffionenaktivität. Da die Aktivität von Wasserstoffionen nicht direkt messbar ist, wird der pH-Wert über eine international anerkannte Konvention realisiert, die eine gute Annäherung an die Definition des pH-Wertes ist und eine hohe Reproduzierbarkeit erlaubt.

Die Messung des pH-Wertes erfolgt in der Praxis mit meist kommerziellen Geräten, die mit Referenzpufferlösungen kalibriert werden müssen. Häufig werden dabei Glaselektroden eingesetzt, welche in Abhängigkeit der Wasserstoffionenaktivität ihr elektrisches Potential ändert, das gegen eine Referenzelektrode gemessen wird.

Die Arbeitsgruppe bietet als Kalibrierdienstleistung an, den pH-Wert von Referenzpufferlösungen mit einem primären Messverfahren zu messen.

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