Baterias de lítio alimentam smartphones, laptops, e bicicletas e carros elétricos, armazenando energia em um espaço muito pequeno. Este design compacto é geralmente obtido enrolando o fino sanduíche de eletrodos de bateria em uma forma cilíndrica. Isso ocorre porque os eletrodos devem, no entanto, ter grandes superfícies para facilitar a alta capacidade e o carregamento rápido

Uma equipe internacional de pesquisadores do Helmholtz-Zentrum Berlin e da University College London investigou as superfícies dos eletrodos durante a carga e descarga, usando pela primeira vez uma combinação de dois métodos de tomografia complementares. Empregando tomografia de raios-X na European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) em Grenoble, eles foram capazes de analisar a microestrutura dos eletrodos e detectar deformações e descontinuidades que se desenvolvem durante os ciclos de carga.

"Tomografia de nêutrons, por outro lado, tornou possível observar diretamente a migração de íons de lítio e também determinar como a distribuição do eletrólito na célula da bateria muda ao longo do tempo, "explica o Dr. Ingo Manke, especialista em tomografia do HZB. Os dados de tomografia de nêutrons foram obtidos principalmente na fonte de nêutrons HZB BER II no instrumento CONRAD, uma das melhores estações de tomografia do mundo.

Dados adicionais foram obtidos na fonte de nêutrons do Institut Laue-Langevin (ILL, Grenoble), onde, com a ajuda da equipe de especialistas do HZB, uma primeira estação de imagem de nêutrons está sendo montada. Após o desligamento do BER II em dezembro de 2019, o instrumento CONRAD será transferido para o ILL para que esteja disponível para pesquisas no futuro.

Um novo método matemático desenvolvido no Zuse-Institut em Berlim permitiu aos físicos desenrolar virtualmente os eletrodos da bateria - porque os enrolamentos cilíndricos da bateria são difíceis de examinar quantitativamente. Somente após a análise matemática e o desenrolamento virtual, as conclusões podem ser tiradas sobre os processos nas seções individuais do enrolamento.

"O algoritmo foi originalmente criado para desenrolar virtualmente rolos de papiro, "explica Manke." Mas também pode ser usado para descobrir exatamente o que acontece em baterias compactas densamente enroladas. "

O Dr. Tobias Arlt, do HZB, continua:"Esta é a primeira vez que aplicamos o algoritmo a uma bateria de lítio típica disponível comercialmente. Modificamos e melhoramos o algoritmo em várias etapas de feedback em colaboração com cientistas da computação do Zuse-Institut."

Problemas característicos com baterias de feridas puderam ser investigados usando este método. Por exemplo, os enrolamentos internos exibiram atividade eletroquímica completamente diferente (e, portanto, capacidade de lítio) do que os enrolamentos externos. Além disso, as partes superior e inferior da bateria se comportaram de maneira muito diferente. Os dados de nêutrons também mostraram áreas onde a falta de eletrólito se desenvolveu, o que limitou severamente o funcionamento da respectiva seção de eletrodo. Também pode ser mostrado que o ânodo não é igualmente bem carregado e descarregado com lítio em todos os lugares.

"O processo que desenvolvemos nos dá uma ferramenta única para olhar dentro de uma bateria durante a operação e analisar onde e por que ocorrem as perdas de desempenho. Isso nos permite desenvolver estratégias específicas para melhorar o design de baterias enroladas, "conclui Manke.