Logo PTB

Aktuelles

Opens external link in new windowpH-Wert von Meerwasser, PTB-News, 3, 2018, S. 3

Opens external link in new windowVersauert die Ostsee? IOW-Forscher adaptiert erstmals optische pH-Messmethode für Brackwasser, Pressemitteilung Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde (IOW), 19.09.2018

 

Rückführungskette für Messungen des Säuregehalts in der Ostsee realisiert

Im Rahmen einer Kooperation der PTB mit dem Leibniz-Institut für Ostseeforschung in Warnemünde (IOW) wurde erstmals die Säurekonstante pK des Indikatorfarbstoffes m-cresol purple (mCP) als Funktion der Temperatur und in einem Salzgehaltsbereich gemessen, der für die Ostsee typisch ist. Die Kenntnis dieses pK-Wertes ist eine wesentliche Voraussetzung für die Rückführung von pHT-Messergebnissen, deren Definition sich von der in der Metrologie und im industriellen Umfeld üblichen Definition des pH-Wertes unterscheidet.

Die Messung der antropogenen Versauerung der Weltmeere ist wegen der damit verbundenen negativen Auswirkungen für biologische und biochemische Prozesse von entscheidender Bedeutung. Als Maß für die Versauerung wird in der Ozeanographie üblicherweise der sogenannte pHT-Wert in-situ gemessen, z.B. auf Schiffen. Bei dieser optischen Messmethode wird mittels eines Absorptionsspektrums das Verhältnis zwischen dem Anteil des Farbstoffes mCP gemessen, an den sich ein Wasserstoffion gebunden hat, und dem, an den sich kein Wasserstoffion gebunden hat. Dieses Verhältnis hängt von der Wasserstoffionkonzentration im Meerwasser und dem Wert der Säurekonstanten pK ab, die wiederum eine Funktion des Salzgehalts und der Temperatur ist. Im Gegensatz zum pHT-Wert, der auf die absolute Wasserstoffionenkonzentration sensitiv ist, beruht die metrologische Definition des pH-Wertes auf der Aktivität der Wasserstoffinonen. Die Aktivität beschreibt die effektive Konzentration der Wasserstoffionen, die vom Medium in dem sie sich befinden, entscheidend beeinflusst wird.

Die pHT-Werte wurden von künstlichen Meerwasserproben mit unterschiedlichem Salzgehalt zwischen 5 und 20 g/kg mit Hilfe der primären pH-Messapparatur der PTB, der so genannten Opens external link in new windowHarned Cell-Apparatur, gemessen. Das IOW hat die gleichen Proben mit mCP versetzt und spektrophotometrisch vermessen. Aus diesen Messdaten wurde, zusammen mit den an der PTB gemessenen pHT-Werten, der pK-Wert von mCP in Abhängigkeit des Salzgehalts und der Temperatur bestimmt. Dadurch konnte die Rückführungskette für die optische Messmethode nun geschlossen werden.

Ein offener Punkt, der in einem künftigen Projekt bearbeitet werden muss, ist die Charakterisierung der Reinheit des Farbstoffs, die sich auf die Messunsicherheit der spektrophotometrischen Messung des pHT-Werts auswirkt.

Die Arbeiten lassen sich auch auf andere spektrophotometrische Indikatorfarbstoffe, wie z.B. Thymolblau, ausweiten.

 

Empirisches Verfahren zur Quantifizierung des Gesundheitszustands von Hochenergie-Li-Ionenbatteriezellen mittels elektrochemischer Impedanzspektro-skopie entwickelt


Die PTB hat ein Verfahren entwickelt, um den Gesundheitszustand von Hochenergie-Li-Ionenbatteriezellen zeitsparend zu messen. Dazu wird von der Batterie ein elektrochemisches Impedanzspektrum aufgenommen. Anhand einer von der PTB empirisch ermittelten, spezifischen Referenzkurve kann der Gesundheitszustand auf schnelle Weise gemessenen werden.

Die schnelle und zuverlässige Messung des Gesundheitszustands von Li-Ionenbatterien spielt bei deren Einsatz in Elektrofahrzeugen eine wichtige Rolle. Im Gegensatz zum Treibstofftank verkleinert sich nämlich die Kapazität der Akkus mit der Zeit. Bei Smartphones oder Laptops ist eine ungefähre Information über die Restlaufzeit des Akkus meist akzeptabel. Die Information über die Reichweite eines Elektrofahrzeugs sollte hingegen zuverlässig sein. Eine vielversprechende Methode zur Messung des Gesundheitszustands ist die elektrochemische Impedanzspektroskopie. Der dabei gemessene Wechselstromwiderstand, die sogenannte Impedanz, hängt von den elektrochemischen Prozessen in der Batteriezelle ab. Ändern sich diese aufgrund der Alterung der Batterie, dann ändern sich auch die bei verschiedenen Frequenzen gemessenen Impedanzen, das sogenannte Impedanzspektrum. Somit lassen sich diese Änderungen im Prinzip als Maß für den Gesundheitszustand einer Batteriezelle verwenden.

Bislang litt die Methode jedoch darunter, dass die Ergebnisse nicht eindeutig waren. Veränderungen im Impedanzspektrum konnten den elektrochemischen Prozessen nicht eindeutig zugeordnet werden und unterschiedliche Betriebsbedingungen führten scheinbar zu unterschiedlichen Änderungen im Spektrum für ein und denselben Batterietyp. An der PTB durchgeführte Alterungsmessungen, eine akribische Impedanzanalyse und die Anwendung geeigneter statistischer Modelle zur Datenanalyse deuten darauf hin, dass bei einer sorgfältigen Definition der Messbedingungen durchaus eine für den untersuchten Batterietyp spezifische, empirische Alterungskurve gewonnen werden kann. Die Methode wird nun anhand weiterer Messreihen unter geänderten Betriebsbedingungen validiert. Die Messergebnisse werden dabei von Modellrechnungen flankiert, welche die Impedanzen auf Basis von fundamentalen Ladungs- und Massentransportgleichungen berechnen. Mittelfristig strebt die PTB einen Referenzmessplatz an, mit dem die spezifische Alterungskurve eines Batterietyps gemessen wird. Diese soll als Referenz für entsprechende Messungen in der Qualitätssicherung, in Werkstätten, beim TÜV, aber auch in der Forschung und Weiterentwicklung von Batterien Anwendung finden.