Lithiumbatterijen voeden smartphones, laptops, en elektrische fietsen en auto's door energie op te slaan in een zeer kleine ruimte. Dit compacte ontwerp wordt meestal bereikt door de dunne sandwich van batterij-elektroden in een cilindrische vorm te wikkelen. Dit komt omdat de elektroden toch grote oppervlakken moeten hebben om een ​​hoge capaciteit en snel opladen mogelijk te maken

Een internationaal team van onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Berlin en University College London heeft nu de elektrode-oppervlakken tijdens het laden en ontladen onderzocht met voor het eerst een combinatie van twee complementaire tomografiemethoden. Gebruikmakend van röntgentomografie bij de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, ze waren in staat om de microstructuur van de elektroden te analyseren en vervormingen en discontinuïteiten te detecteren die zich tijdens de laadcycli ontwikkelen.

"Neutronentomografie, anderzijds, maakte het mogelijk om de migratie van lithiumionen direct te observeren en ook om te bepalen hoe de verdeling van de elektrolyt in de batterijcel in de loop van de tijd verandert, " legt Dr. Ingo Manke uit, tomografie-expert bij HZB. De neutronentomografiegegevens werden voornamelijk verkregen bij de HZB BER II-neutronenbron bij het CONRAD-instrument, een van de beste tomografiestations ter wereld.

Aanvullende gegevens werden verkregen bij de neutronenbron van het Institut Laue-Langevin (ILL, Grenoble), waar momenteel met hulp van het HZB-team van experts een eerste neutronenbeeldstation wordt opgezet. Na de sluiting van BER II in december 2019, het CONRAD-instrument wordt overgedragen aan IBL, zodat het in de toekomst beschikbaar is voor onderzoek.

Een nieuwe wiskundige methode ontwikkeld aan het Zuse-Institut in Berlijn stelde natuurkundigen vervolgens in staat om de batterij-elektroden virtueel af te wikkelen - omdat de cilindrische wikkelingen van de batterij moeilijk kwantitatief te onderzoeken zijn. Pas na wiskundige analyse en het virtueel afwikkelen konden conclusies worden getrokken over processen bij de afzonderlijke secties van de wikkeling.

"Het algoritme was oorspronkelijk bedoeld voor het virtueel uitrollen van papyrusrollen, " legt Manke uit. "Maar het kan ook worden gebruikt om te achterhalen wat er precies gebeurt in compacte, dicht op elkaar gewikkelde batterijen."

Dr. Tobias Arlt van HZB vervolgt:"Dit is de eerste keer dat we het algoritme hebben toegepast op een typische in de handel verkrijgbare lithiumbatterij. We hebben het algoritme in verschillende feedbackstappen aangepast en verbeterd in samenwerking met computerwetenschappers van het Zuse-Institut."

Met deze methode konden karakteristieke problemen met wondbatterijen worden onderzocht. Bijvoorbeeld, de binnenste wikkelingen vertoonden een geheel andere elektrochemische activiteit (en dus lithiumcapaciteit) dan de buitenste wikkelingen. In aanvulling, de bovenste en onderste delen van de batterij gedroegen zich elk heel anders. De neutronengegevens toonden ook gebieden waar een gebrek aan elektrolyt ontstond, die de werking van de respectieve elektrodesectie ernstig beperkten. Ook kon worden aangetoond dat de anode niet overal even goed geladen en gelost is met lithium.

"Het proces dat we hebben ontwikkeld, geeft ons een uniek hulpmiddel om tijdens het gebruik in een batterij te kijken en te analyseren waar en waarom prestatieverliezen optreden. Dit stelt ons in staat specifieke strategieën te ontwikkelen voor het verbeteren van het ontwerp van wondbatterijen, ’ besluit Manke.