Litiumbatterier driver smarta telefoner, bärbara datorer, och elcyklar och bilar genom att lagra energi på ett mycket litet utrymme. Denna kompakta design uppnås vanligtvis genom att linda den tunna sandwichen av batterielektroder till en cylindrisk form. Det beror på att elektroderna trots allt måste ha stora ytor för att underlätta hög kapacitet och snabb laddning

Ett internationellt team av forskare från Helmholtz-Zentrum Berlin och University College London har nu undersökt elektrodytorna under laddning och urladdning genom att för första gången använda en kombination av två komplementära tomografimetoder. Använder röntgentomografi vid European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble, de kunde analysera mikrostrukturen hos elektroderna och detektera deformationer och diskontinuiteter som utvecklas under laddningscyklerna.

"Neutrontomografi, å andra sidan, gjort det möjligt att direkt observera migrationen av litiumjoner och även att bestämma hur fördelningen av elektrolyten i battericellen förändras över tiden, " förklarar Dr. Ingo Manke, tomografiexpert på HZB. Neutrontomografidata erhölls huvudsakligen vid HZB BER II neutronkällan vid CONRAD-instrumentet, en av de bästa tomografistationerna i världen.

Ytterligare data erhölls vid neutronkällan till Institut Laue-Langevin (ILL, Grenoble), där med hjälp av HZB-teamet av experter en första neutronavbildningsstation håller på att byggas upp. Efter stängningen av BER II i december 2019, CONRAD-instrumentet kommer att överföras till ILL så att det blir tillgängligt för forskning i framtiden.

En ny matematisk metod utvecklad vid Zuse-Institut i Berlin gjorde det sedan möjligt för fysiker att praktiskt taget varva ner batterielektroderna — eftersom batteriets cylindriska lindningar är svåra att undersöka kvantitativt. Först efter matematisk analys och den virtuella avlindningen kunde slutsatser dras om processer vid de enskilda sektionerna av lindningen.

"Algorithmen var ursprungligen avsedd för att praktiskt taget rulla ut papyrusrullar, ", förklarar Manke. "Men den kan också användas för att ta reda på exakt vad som händer i kompakta tätt lindade batterier."

Dr. Tobias Arlt från HZB fortsätter:"Detta är första gången vi har tillämpat algoritmen på ett typiskt kommersiellt tillgängligt litiumbatteri. Vi modifierade och förbättrade algoritmen i flera feedbacksteg i samarbete med datavetare vid Zuse-Institut."

Karakteristiska problem med lindade batterier kunde undersökas med denna metod. Till exempel, de inre lindningarna uppvisade helt annan elektrokemisk aktivitet (och därmed litiumkapacitet) än de yttre lindningarna. Dessutom, de övre och nedre delarna av batteriet betedde sig mycket olika. Neutrondata visade också områden där en brist på elektrolyt utvecklades, vilket kraftigt begränsade funktionen hos respektive elektrodsektion. Det skulle också kunna visas att anoden inte är lika väl lastad som avlastad med litium överallt.

"Processen vi har utvecklat ger oss ett unikt verktyg för att titta inuti ett batteri under drift och analysera var och varför prestandaförluster uppstår. Detta gör att vi kan utveckla specifika strategier för att förbättra designen av lindade batterier, avslutar Manke.