Usando neutrones y rayos X para analizar el envejecimiento de las baterías de litio
Un equipo internacional ha utilizado la tomografía de neutrones y rayos X para investigar los procesos dinámicos que conducen a la degradación de la capacidad de los electrodos de las baterías de litio. Utilizando un nuevo método matemático, fue posible desenrollar virtualmente los electrodos que habían sido enrollados en forma de un cilindro compacto, y así observar realmente los procesos en las superficies de los electrodos.
La tomografía de rayos X muestra rupturas (negras) en las regiones de los contactos eléctricos (blancas).
© T.Arlt, I. Manke/HZB, R. Ziesche/UCL
Las baterías de litio se encuentran en todas partes: Alimentan teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles y bicicletas y coches eléctricos almacenando energía en un espacio muy pequeño. Este diseño compacto se logra generalmente enrollando el delgado sándwich de electrodos de batería en una forma cilíndrica. Esto se debe a que los electrodos deben tener, sin embargo, grandes superficies para facilitar una gran capacidad y una carga rápida
Los rayos X y la tomografía de neutrones combinados
Un equipo internacional de investigadores del Helmholtz-Zentrum de Berlín y del University College London ha investigado ahora las superficies de los electrodos durante la carga y la descarga utilizando por primera vez una combinación de dos métodos complementarios de tomografía. Utilizando la tomografía de rayos X en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) de Grenoble, pudieron analizar la microestructura de los electrodos y detectar las deformaciones y discontinuidades que se desarrollan durante los ciclos de carga.
"La tomografía de neutrones, por otra parte, permitió observar directamente la migración de los iones de litio y también determinar cómo la distribución del electrolito en la celda de la batería cambia con el tiempo", explica el Dr. Ingo Manke, experto en tomografía del HZB. Los datos de tomografía de neutrones se obtuvieron principalmente en la fuente de neutrones HZB BER II del instrumento CONRAD, una de las mejores estaciones de tomografía del mundo.
Se obtuvieron datos adicionales en la fuente de neutrones del Instituto Laue-Langevin (ILL, Grenoble), donde con la ayuda del equipo de expertos del HZB se está estableciendo actualmente una primera estación de obtención de imágenes de neutrones.
Tras el cierre de BER II en diciembre de 2019, el instrumento CONRAD será transferido al ILL para que esté disponible para la investigación en el futuro.
Desenrollar virtualmente la batería
Un nuevo método matemático desarrollado en el Zuse-Institut de Berlín permitió entonces a los físicos desenrollar virtualmente los electrodos de la batería - porque los bobinados cilíndricos de la batería son difíciles de examinar cuantitativamente. Sólo después de un análisis matemático y de la desbobinación virtual se pudieron sacar conclusiones sobre los procesos en las secciones individuales de la bobina.
"El algoritmo estaba originalmente destinado a desenrollar virtualmente pergaminos de papiro", explica Manke. "Pero también se puede usar para averiguar exactamente lo que pasa en las baterías compactas de alta densidad."
El Dr. Tobias Arlt del HZB continúa: "Esta es la primera vez que aplicamos el algoritmo a una típica batería de litio disponible en el mercado. Modificamos y mejoramos el algoritmo en varios pasos de retroalimentación en colaboración con los informáticos del Zuse-Institut".
Problemas identificados
Los problemas característicos de las baterías de las heridas pudieron ser investigados con este método. Por ejemplo, los devanados interiores mostraban una actividad electroquímica (y por tanto una capacidad de litio) completamente diferente a la de los devanados exteriores. Además, las partes superior e inferior de la batería se comportaron cada una de manera muy diferente. Los datos de los neutrones también mostraron áreas en las que se desarrolló una falta de electrolito, lo que limitó severamente el funcionamiento de la respectiva sección de electrodos. También se podría demostrar que el ánodo no está igualmente bien cargado y descargado con litio por todas partes.
"El proceso que hemos desarrollado nos da una herramienta única para mirar dentro de una batería durante el funcionamiento y analizar dónde y por qué se producen pérdidas de rendimiento. Esto nos permite desarrollar estrategias específicas para mejorar el diseño de las baterías de las heridas", concluye Manke.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Ralf F. Ziesche, Tobias Arlt, Donal P. Finegan, Thomas M. M. Heenan, Alessandro Tengattini, Daniel Baum, Nikolay Kardjilov, Henning Markoetter, Ingo Manke, Winfried Kockelmann, Dan J. L. Brett, Paul R. Shearing; "4D imaging of Li-batteries using operando neutron and X-ray computed tomography in combination with a virtual unrolling technique"; Nature communications; 2019
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