La tomografia a raggi X mostra rotture (nero) nelle regioni dei contatti elettrici (bianco). Credito:T.Arlt, I. Manke/HZB, R. Ziesche/UCL
Le batterie al litio alimentano gli smartphone, computer portatili, e biciclette e auto elettriche immagazzinando energia in uno spazio molto piccolo. Questo design compatto viene solitamente ottenuto avvolgendo il sottile sandwich di elettrodi della batteria in una forma cilindrica. Questo perché gli elettrodi devono comunque avere grandi superfici per favorire un'elevata capacità e una ricarica rapida
Un team internazionale di ricercatori dell'Helmholtz-Zentrum Berlin e dell'University College di Londra ha ora studiato le superfici degli elettrodi durante la carica e la scarica utilizzando per la prima volta una combinazione di due metodi di tomografia complementari. Impiegando la tomografia a raggi X presso l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) a Grenoble, sono stati in grado di analizzare la microstruttura degli elettrodi e rilevare deformazioni e discontinuità che si sviluppano durante i cicli di carica.
"Tomografia di neutroni, d'altra parte, ha permesso di osservare direttamente la migrazione degli ioni di litio e anche di determinare come cambia nel tempo la distribuzione dell'elettrolita nella cella della batteria, " spiega il dottor Ingo Manke, esperto di tomografia presso HZB. I dati della tomografia neutronica sono stati ottenuti principalmente presso la sorgente di neutroni HZB BER II presso lo strumento CONRAD, una delle migliori stazioni di tomografia in tutto il mondo.
Ulteriori dati sono stati ottenuti presso la sorgente di neutroni dell'Institut Laue-Langevin (ILL, Grenoble), dove con l'aiuto del team di esperti HZB è attualmente in fase di installazione una prima stazione di imaging di neutroni. Dopo la chiusura di BER II nel dicembre 2019, lo strumento CONRAD sarà trasferito all'ILL per essere disponibile per la ricerca in futuro.
I neutroni possono rilevare le regioni "secche" (freccia gialla) dove manca l'elettrolita. La freccia blu mostra le aree con una carenza di litio. Credito:T.Arlt, I. Manke/HZB, R. Ziesche/UCL
Un nuovo metodo matematico sviluppato allo Zuse-Institut di Berlino ha quindi permesso ai fisici di svolgere virtualmente gli elettrodi della batteria, perché gli avvolgimenti cilindrici della batteria sono difficili da esaminare quantitativamente. Solo dopo l'analisi matematica e lo svolgimento virtuale è stato possibile trarre conclusioni sui processi nelle singole sezioni dell'avvolgimento.
"L'algoritmo era originariamente pensato per srotolare virtualmente rotoli di papiro, " spiega Manke. "Ma può anche essere usato per scoprire esattamente cosa succede nelle batterie compatte e densamente avvolte".
Il Dr. Tobias Arlt di HZB continua:"Questa è la prima volta che applichiamo l'algoritmo a una tipica batteria al litio disponibile in commercio. Abbiamo modificato e migliorato l'algoritmo in diverse fasi di feedback in collaborazione con gli scienziati informatici dello Zuse-Institut".
I problemi caratteristici con le batterie avvolte sono stati studiati utilizzando questo metodo. Per esempio, gli avvolgimenti interni hanno mostrato un'attività elettrochimica (e quindi capacità di litio) completamente diversa rispetto agli avvolgimenti esterni. Inoltre, le parti superiore e inferiore della batteria si sono comportate ciascuna in modo molto diverso. I dati sui neutroni hanno anche mostrato aree in cui si è sviluppata una mancanza di elettrolita, che limitava gravemente il funzionamento della rispettiva sezione di elettrodi. Si potrebbe anche dimostrare che l'anodo non è ugualmente ben caricato e scaricato con litio ovunque.
"Il processo che abbiamo sviluppato ci offre uno strumento unico per guardare all'interno di una batteria durante il funzionamento e analizzare dove e perché si verificano perdite di prestazioni. Questo ci consente di sviluppare strategie specifiche per migliorare la progettazione delle batterie avvolte, " conclude Mankè.
