Litium-svavelbatterier anses vara en av de mest lovande kandidaterna för nästa generations energilagringsenheter. De har en teoretisk gravimetrisk energitäthet som är fem gånger högre än den för de bästa litiumjonbatterier som finns tillgängliga för närvarande. Och de fungerar till och med vid minusgrader på ner till -50 °C. Dessutom, svavel är billigt och miljövänligt.

Dock, deras kapacitet hittills har minskat kraftigt med varje laddnings-urladdningscykel, så att sådana batterier ännu inte håller länge. Kapacitetsförlusten orsakas av komplicerade reaktionsprocesser vid elektroderna inuti battericellen. Det är därför särskilt viktigt att förstå exakt hur laddnings- (svavel-) och urladdningsprodukter (litiumsulfid) fälls ut och löses upp. Även om svavel fälls ut makroskopiskt och därför lämpar sig för undersökning med bildtekniker eller röntgendiffraktion under cykling, litiumsulfid är svår att upptäcka på grund av dess partikelstorlek under 10 nm.

Insikt i detta har nu getts för första gången genom undersökningar med neutronkällan BER II vid HZB. Dr Sebastian Risse använde en mätcell som han utvecklade för att belysa litium-svavelbatterier med neutroner under laddnings- och urladdningscykler (operando) och utförde samtidigt ytterligare mätningar med impedansspektroskopi.

Detta gjorde det möjligt för honom och hans team att analysera upplösningen och utfällningen av litiumsulfid med extrem precision under tio urladdnings-/laddningscykler. Eftersom neutroner interagerar starkt med deuterium (tungt väte), forskarna använde en deutererad elektrolyt i battericellen för att göra både de fasta produkterna (svavel och litiumsulfid) synliga.

Deras slutsats:"Vi observerade att litiumsulfid- och svavelfällningen inte sker inuti de mikroporösa kolelektroderna, men istället på den yttre ytan av kolfibrerna, " säger Risse. Dessa resultat ger en värdefull vägledning för utvecklingen av bättre batterielektroder.