Die Raman-Spektroskopie in der Analytik von Lithium-Ionen-Batterien ist nicht mehr ausschließlich ein Forschungsinstrument und hält Einzug in die Produktionslinien von Zellen, für Messungen operando in zyklisierten Zellen sowie für die Recyclingströme von Black Mass. Die letzten Monate haben Veröffentlichungen hervorgebracht, die ordnen, was heute real messbar ist – und wo es sinnvoll ist, eine Prozesssonde zu platzieren, und wo man besser im Labor bleibt.

Bei Gekko Photonics entwerfen und fertigen wir in Polen Prozess-Raman-Analysatoren – in den Varianten Inline, Labor und tragbar – zusammen mit Chemometrie in einer Plattform. Spectrally OS. Aus dieser Perspektive betrachten wir die Publikationen aus den Jahren 2025–2026: Welche Ergebnisse sind reif genug, um sie in technische Entscheidungen zu übersetzen, und welche existieren noch auf der Ebene einzelner Zellen unter Modellbedingungen? Nachfolgend ein Überblick über die jüngsten Entwicklungsrichtungen und Hinweise, wo Prozess-Raman in der Wertschöpfungskette von Lithiumbatterien tatsächlich sinnvoll ist.

Operando-Raman in der Zelle – was wir heute messen

Die Messung operando bedeutet die Sammlung von Spektren während des Zyklisierens der Zelle, mit Elektrode und Elektrolyt unter normalem Betriebspotential. Die stärkste Publikationslinie der letzten Monate betrifft geschichtete Kathoden (LNMO, NMC) und die strukturelle Evolution während des Ladens/Entladens. Die Raman-Banden der Kathode ändern ihre Position und Intensität als Reaktion auf Änderungen des Oxidationszustands der Übergangsmetalle und der Kationenordnung – dies ermöglicht es, Degradation und Inhomogenitätsphänomene bereits in einzelnen Zyklen zu verfolgen.

Ein zweiter Strang ist der Elektrolyt. Operando-Raman zeigt, dass in zyklisierten Zellen mit Carbonat-Elektrolyt bevorzugt Ethylencarbonat (EC) zersetzt wird und das Salz LiPF6 allmählich verbraucht wird – begleitet vom Auftreten von Zersetzungsprodukten (Ester, Alkohole). Dies ist ein Werkzeug zur Untersuchung der Alterung der Elektrolytchemie unter realem Stromprofil, nicht nur unter dem Aspekt der thermischen Beschleunigung.

Eine dritte, sehr aktive Richtung sind Hohlkern- Lichtwellenleitersonden, die in das Innere der Messzelle eingeführt werden. Diese Architektur minimiert den Fluoreszenzhintergrund und ermöglicht es, Änderungen des Verhältnisses von Lösungsmitteln und Additiven in Abhängigkeit von der Spannung sowie die Solvatation von Lithium-Ionen zu verfolgen – Informationen, die ein einzelnes Ex-situ-Laborspektrum nicht liefern kann.

Silizium-Anode – Raman als Spannungsmesser

Silizium-Anoden und Si/C-Komposite gehören zu den schwierigsten Bereichen: Die enorme Volumenänderung während der Lithiierung erzeugt Spannungen, die die SEI-Schicht aufreißen und die Zyklenfestigkeit degradieren. In-situ- Mikro-Raman ermöglicht es, Spannungen in Si-Nanopartikeln durch die Verschiebung der Silizium-Bande erster Ordnung (~520 cm⁻¹) zu messen. Publikationen aus dem Jahr 2025 zeigen den Übergang von Zug- zu Druckspannungen während der Lithiierung sowie die Akkumulation von Eigenspannungen, die mit der Zyklenzahl zunehmen.

Aus Produktionssicht ist dies noch ein Forschungsbereich – Raman als Spannungsmesser in der Anode erfordert mikroskopische Auflösung und eine einzelne Zelle. Im Maßstab einer Produktionslinie ist dies kein Inline-Werkzeug auf ganzen Bahnen; es ist ein Argument für das F&E-Labor, das an der Selektion chemischer Bindungen in Si/C-Kompositen und an der Qualität von Vorläufern arbeitet.

Produktionslinie der Zelle – wo die Prozesssonde sinnvoll ist

In der Produktionslinie hält Raman in drei realen Bereichen Einzug: Rohstoffkontrolle, Überwachung der Elektrodenbeschichtung und Analyse von Kohlenstoffbeschichtungen. Raman-Sonden können die Oberfläche der sich auf dem Band bewegenden Elektrode (Coating + Calendering) berührungslos charakterisieren und dabei Inhomogenitäten wie Agglomerate, Störungen der Binderverteilung oder Abweichungen der Komponentenverhältnisse erkennen. Dies ermöglicht schnellere Reaktionen als im Offline-QC-Schema einmal pro Rolle.

Für LFP ist die Bande des strukturellen Kohlenstoffs (D ~1350 cm⁻¹ und G ~1600 cm⁻¹) ein praktischer Indikator für die Qualität der Kohlenstoffbeschichtung auf LiFePO4-Partikeln – das Intensitätsverhältnis D/G gibt Aufschluss über den Ordnungsgrad des Kohlenstoffs, was sich in der elektrischen Leitfähigkeit und der Ratencharakteristik niederschlägt. Für NMC hilft Raman bei der Phasenidentifikation, der Kontrolle der Kristallinität und dem Nachweis von Phasenübergängen bereits im Stadium der Synthese des aktiven Materials.

Recycling und Black Mass – neue Front 2025–2026

Das Recycling von Lithium-Zellen ist eines der am schnellsten wachsenden Einsatzfelder für die Spektroskopie. Die multispektrale Resonanz-Raman-Spektroskopie (MWRRS) wird zur Identifikation kristalliner Phasen, Oxide und Graphit in Black Mass eingesetzt – der Fraktion nach mechanischer Zerkleinerung von Zellen, deren Zusammensetzung über den hydrometallurgischen Pfad entscheidet. Raman ermöglicht auch die Überwachung der hydrometallurgischen Umwandlungen selbst und liefert Informationen über Lithium-, Mangan- oder Kobaltverbindungen in Prozesslösungen.

Der zweite Bereich ist die Identifikation von polimerów Separatoren und konstruktiven Komponenten. Im Mai 2026 erschien eine Arbeit in Journal of Raman Spectroscopy, die tiefe-UV-Raman als Methode zur Sortierung schwarzer Kunststoffe im Recycling beschreibt – die Anregungsbande im tiefen UV liegt oberhalb des Fluoreszenzhintergrunds typischer Pigmente, wodurch Polymertypen identifiziert werden können, die die Standard-Raman-Spektroskopie bei 785/1064 nm aufgrund des Hintergrundsignals umgeht.

All-Solid-State-Batterien – Raman in Sulfid-Elektrolyten

Festkörperbatterien (ASSB) mit Sulfid-Elektrolyten (Typ Li2S–P2S5, LGPS) sind ein Bereich, in dem Raman ein Werkzeug der ersten Wahl zur Charakterisierung struktureller Einheiten des Elektrolyten ist. In-situ- Raman detektiert die teilweise reversible Umwandlung von PS4³⁻-Einheiten zu P2S6⁴⁻-Dimeren sowie das Auftreten einer Übergangsphase vor der vollständigen Reduktion zu Li3P. Dies hilft, die Degradationspfade des Elektrolyten und der Grenzflächen zu verstehen, die heute der Hauptblocker für die Kommerzialisierung von ASSB sind.

Eine 2026 veröffentlichte Roadmap für die nächste Generation fester Elektrolyte betont, dass Operando-Raman-, NMR- und XPS-Methoden das grundlegende Set zur Verfolgung der Mechanismen auf Seiten der Festelektrolyt-Chemie bleiben. Für Hersteller ist dies ein Signal, dass die Tisch-Raman-Spektroskopie im Materiallabor heute Teil des R&D-Standards ist, nicht eine Option.

Was daraus für den Entscheider folgt – Jahr 2026

Die Anwendungslandkarte von Raman im Ökosystem der Lithium-Ionen-Batterien sieht 2026 anders aus als vor 3 Jahren. Operando-Raman in einer einzelnen Zelle ist eine ausgereifte Forschungsmethode – sie bietet Einblick in Kathode, Elektrolyt und Grenzflächen mit einer chemischen Genauigkeit, die keine andere zerstörungsfreie Technik bietet. In der Produktionslinie hält die Prozess-Raman-Spektroskopie real Einzug in die Kontrolle von Elektrodenbeschichtungen, die Qualität aktiver Materialien (LFP, NMC) und die Identifikation von Rohstoffen. Recycling und Black Mass sind eine neue, dynamisch wachsende Front, bei der Raman zur Klassifizierung von Fraktionen und zur Überwachung der hydrometallurgischen Chemie dient.

Weniger ausgereift bleiben: Messungen der Inline Spannungen der Silizium-Anode (weiterhin der Forschungsmikroskopie vorbehalten), die vollständige Kontrolle des Gesundheitszustands (SOH) der Zelle mittels Raman ohne NMR/XPS-Referenz sowie die Überwachung von All-Solid-State im Vorserienmaßstab, wo das Gehäuse der Sulfid-Zelle die optische Erfassung unter industriellen Bedingungen erheblich erschwert.

Spectrally X1 — Anpassungsfähigkeit für die Batterieanalytik

Die Familie Spectrally X1 ist eine Plattform für die Prozess-Raman-Spektroskopie. Die meisten Implementierungen haben wir in der Prozesschemie – Phenol-Formaldehyd- und Harnstoffharze, Kosmetika, und Detergenzien (SLES, Glycerin), Düngemittel (Harnstoff, Biuret, RSM, AdBlue), Klebstoffe, Kohlenwasserstoffe, Abwasserüberwachung. In die Batterieanalytik steigen wir projektbezogen ein: Die Konfiguration der Sonde, des chemometrischen Modells und der Integration in das DCS passen wir während der Machbarkeitsstudie anhand von Kundenproben an die spezifische Anwendung an. Denselben Ansatz – Machbarkeit vor CAPEX – wenden wir in jeder für uns neuen Branche an.

• Spectrally X1 LAB – Stationärer Analysator mit einem Karussell für bis zu 25 Proben und Analyse durch die Verpackung (through-package) durch transparente Glasverpackungen; nützlich in F&E-Laboren für aktive Materialien (LFP, NMC), zur Validierung chemometrischer Modelle und zur Kontrolle von Vorläuferchargen vor der Einführung in die Linie.
• Spectrally X1 PORTABLE – Tragbarer Analysator zur Identifikation von Rohstoffen am Lagereingang (Incoming-QC von Carbonaten, Lithiumsalzen, Separatoren-Polymeren) sowie zur Verifizierung von Modellen im Feld und in der Produktionshalle.
• Spectrally X1 INLINE — Prozessanalysator mit Eintauchsonde für flüssige Ströme; zur potenziellen Anpassung im hydrometallurgischen Black-Mass-Recycling (Kontrolle von Li/Mn/Co/Ni-Lösungen) oder in Prozessen der Kathodenvorläufersynthese — Konfiguration nach Machbarkeitsstudie anhand von Proben. Kommunikation über PROFIBUS, PROFINET, GSM, bis zu 100 m Lichtwellenleiter.
• Spectrally OS – Softwareschicht mit PLS- und CNN-Modellen, einer Bibliothek von ~28.000 Spektren und einem zentralisierten Panel zur Überwachung der Modelldrift während des Linienbetriebs.

Die Messung unter Batteriebedingungen erfordert stets eine Anpassung – Wellenlänge (typischerweise 785 nm für Kathodenmaterialien und Kohlenstoffbeschichtungen, 1064 nm wird in Betracht gezogen, wenn die Hintergrundfluoreszenz ein Hindernis darstellt), Sondengeometrie (Rückstreuung für die Elektrodenoberfläche, immersiv für flüssige Ströme), Akquisitionszeit typischerweise 5–300 s, abhängig vom Signal. Die Konfiguration wird nach einer Machbarkeitssitzung an realen Kundenproben festgelegt.

Często zadawane pytania

Wird die Prozess-Raman-Spektroskopie Impedanzmessungen (EIS) bei der Überwachung des Zellzustands ersetzen?

Nein – und das ist auch nicht ihre Rolle. Raman liefert chemische Information (Zusammensetzung, Phase, molekulare Spannungen), EIS – elektrochemische Information (Impedanz, Kinetik). Die Komplementarität dieser Methoden ist gerade Gegenstand aktiver Publikationen von 2025–2026, und erst ihre Kombination ergibt ein vollständiges Bild des Zellzustands.

Welche Anregungsbande ist am besten für NMC- und LFP-Kathoden?

Am häufigsten wird 785 nm verwendet – ein Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und Hintergrundfluoreszenz. Für Proben mit starkem Hintergrund (organische Verunreinigungen, stark fluoreszierende Binderpolymere) wird gelegentlich 1064 nm in Betracht gezogen. Die Wahl der Wellenlänge wird an die spezifische Matrix und den Probenzustand angepasst.

Kann man mit Raman die Elektrolytzusammensetzung in einer ungeöffneten zylindrischen Zelle messen?

In typischen Metallgehäusen (18650, 21700) nein – das Metall blockiert die Optik. Operando-Messungen erfordern spezielle Messzellen mit einem optischen Fenster oder in das Innere eingeführte Lichtwellenleitersonden. Dies ist eine Labormethode; in der Produktion kommt Raman vor dem Verschließen der Zelle (Elektrodenbeschichtungen, Elektrolyt vor dem Befüllen) oder danach – im Recycling, an der Black-Mass-Fraktion – zum Einsatz.

Hat Gekko Photonics Implementierungen im Batteriesektor?

Die meisten Implementierungen haben wir in der Prozesschemie — Harze, Kosmetika, Düngemittel, Klebstoffe, Kohlenwasserstoffe, Abwasserüberwachung. In Batterieanwendungen (R&D aktiver Materialien, Black-Mass-Recycling, Rohstoffkontrolle) arbeiten wir projektbezogen: Anhand von Kundenproben prüfen wir im Machbarkeitszyklus, ob Raman die geeignete Methode für den jeweiligen Analyten und die Matrix ist, bevor der Kunde CAPEX bindet. Spectrally X1 ist eine Prozessplattform, die wir für die spezifische Anwendung konfigurieren — Sonde, Modell, Integration in das DCS.

Worin unterscheidet sich die Prozess-Raman-Spektroskopie von FTIR und NIR in der Batterieanalytik?

Raman funktioniert gut in wässrigen Lösungen (FTIR hat hier ein Problem mit der Wasserabsorption), identifiziert hervorragend kristalline Phasen (NIR ist schwächer), hat aber größere Schwierigkeiten mit stark fluoreszierenden Matrizen. NIR bleibt wettbewerbsfähig bei der quantitativen Überwachung organischer Lösungen; ein Vergleich von Raman vs. NIR vs. FT-IR wurde in einem separaten Beitrag ausführlicher behandelt..

Pomiar testowy i konsultacja inżynierska

Wenn Sie Prozesse im Bereich der Zellproduktion, des Black-Mass-Recyclings oder der R&D aktiver Materialien entwickeln — bei Gekko Photonics wählen wir die Konfiguration des Raman-Analysators im Projektmodus, beginnend mit einer Machbarkeitssitzung an realen Proben aus Ihrem Prozess. Die meisten bisherigen Implementierungen haben wir in der Prozesschemie (Harze, Kosmetika, Düngemittel), und Spectrally X1 haben wir als Prozessplattform konzipiert, die wir für die spezifische Anwendung konfigurieren — Sonde, Modell, Integration in das DCS. Wir führen eine Testmessung durch (typischerweise innerhalb von 10 Arbeitstagen nach Probenlieferung) und legen einen Bericht mit Bewertung der Messdurchführbarkeit sowie einem Architekturvorschlag (Lab vs. portabel vs. inline) und einem vorläufigen chemometrischen Modell vor.

Die durchschnittliche Implementierungszeit eines kompletten Systems – vom Workshop bis zur in Betrieb genommenen Linie – beträgt 3–5,5 Monate, mit einem typischen ROI im Bereich von 6–10 Monaten. Schreiben Sie uns mit einer kurzen Prozessbeschreibung, und wir kommen mit einer Agenda für ein 30-minütiges Gespräch mit einem Applikationsingenieur zurück. Auf der Seite der Prozessanalysatoren haben wir auch eine Übersicht über die gesamte Gerätefamilie sowie den Kontext von Mehrfachsondenarchitekturen in Prozessen mit verteilten Messpunkten..