Brug af neutroner og røntgenstråler til at analysere ældningen af ​​lithiumbatterier

Lithium-batterier driver smartphones, bærbare computere, og elektriske cykler og biler ved at lagre energi på et meget lille rum. Dette kompakte design opnås normalt ved at vikle den tynde sandwich af batterielektroder til en cylindrisk form. Det skyldes, at elektroderne alligevel skal have store overflader for at muliggøre høj kapacitet og hurtig opladning

Et internationalt hold af forskere fra Helmholtz-Zentrum Berlin og University College London har nu undersøgt elektrodeoverfladerne under op- og afladning ved at bruge for første gang en kombination af to komplementære tomografimetoder. Anvender røntgentomografi på European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble, de var i stand til at analysere mikrostrukturen af ​​elektroderne og detektere deformationer og diskontinuiteter, der udvikler sig under opladningscyklusserne.

"Neutron tomografi, på den anden side, gjort det muligt direkte at observere migrationen af ​​lithium-ioner og også at bestemme, hvordan fordelingen af ​​elektrolytten i battericellen ændrer sig over tid, " forklarer Dr. Ingo Manke, tomografiekspert hos HZB. Neutrontomografidataene blev hovedsageligt opnået ved HZB BER II neutronkilden ved CONRAD-instrumentet, en af ​​de bedste tomografistationer i verden.

Yderligere data blev opnået ved neutronkilden fra Institut Laue-Langevin (ILL, Grenoble), hvor der med hjælp fra HZB-teamet af eksperter er ved at blive oprettet en første neutronbilledstation. Efter nedlukningen af ​​BER II i december 2019, CONRAD-instrumentet vil blive overført til ILL, så det vil være tilgængeligt for forskning i fremtiden.

En ny matematisk metode udviklet ved Zuse-Institut i Berlin gjorde dengang fysikere i stand til praktisk talt at afvikle batterielektroderne - fordi batteriets cylindriske viklinger er svære at undersøge kvantitativt. Først efter matematisk analyse og den virtuelle afvikling kunne der drages konklusioner om processer ved de enkelte sektioner af viklingen.

"Algoritmen var oprindeligt beregnet til praktisk talt at rulle papyrusruller ud, " forklarer Manke. "Men den kan også bruges til at finde ud af præcis, hvad der sker i kompakte tætviklede batterier."

Dr. Tobias Arlt fra HZB fortsætter:"Det er første gang, vi har anvendt algoritmen på et typisk kommercielt tilgængeligt lithiumbatteri. Vi modificerede og forbedrede algoritmen i flere feedback-trin i samarbejde med computerforskere fra Zuse-Institut."

Karakteristiske problemer med sårede batterier kunne undersøges ved hjælp af denne metode. For eksempel, de indre viklinger udviste en helt anden elektrokemisk aktivitet (og dermed Lithium-kapacitet) end de ydre viklinger. Ud over, den øverste og nederste del af batteriet opførte sig meget forskelligt. Neutrondataene viste også områder, hvor der udviklede sig mangel på elektrolyt, hvilket i høj grad begrænsede funktionen af ​​den respektive elektrodesektion. Det kunne også påvises, at anoden ikke er lige godt belastet og aflastet med lithium overalt.

"Den proces, vi har udviklet, giver os et unikt værktøj til at kigge ind i et batteri under drift og analysere, hvor og hvorfor ydelsestab opstår. Dette giver os mulighed for at udvikle specifikke strategier til at forbedre designet af viklede batterier, " slutter Manke.