Las baterías de litio alimentan los teléfonos inteligentes, laptops, y bicicletas y coches eléctricos al almacenar energía en un espacio muy reducido. Este diseño compacto generalmente se logra enrollando el delgado sándwich de electrodos de batería en una forma cilíndrica. Esto se debe a que, no obstante, los electrodos deben tener grandes superficies para facilitar una alta capacidad y una carga rápida.

Un equipo internacional de investigadores de Helmholtz-Zentrum Berlin y University College London ha investigado las superficies de los electrodos durante la carga y descarga utilizando por primera vez una combinación de dos métodos de tomografía complementarios. Empleando tomografía de rayos X en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Grenoble, pudieron analizar la microestructura de los electrodos y detectar deformaciones y discontinuidades que se desarrollan durante los ciclos de carga.

"Tomografía de neutrones, por otra parte, hizo posible observar directamente la migración de 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 en HZB. Los datos de la tomografía de neutrones se obtuvieron principalmente en la fuente de neutrones HZB BER II en el instrumento CONRAD, una de las mejores estaciones de tomografía del mundo.

Se obtuvieron datos adicionales en la fuente de neutrones del Institut Laue-Langevin (ILL, Grenoble), donde con la ayuda del equipo de expertos de HZB se está instalando actualmente una primera estación de imágenes de neutrones. Tras el cierre de BER II en diciembre de 2019, el instrumento CONRAD se transferirá a ILL para que esté disponible para investigación en el futuro.

Un nuevo método matemático desarrollado en el Zuse-Institut de Berlín permitió a los físicos desenrollar virtualmente los electrodos de la batería, porque los devanados cilíndricos de la batería son difíciles de examinar cuantitativamente. Solo después del análisis matemático y el desenrollado virtual se pudieron sacar conclusiones sobre los procesos en las secciones individuales del devanado.

"El algoritmo se diseñó originalmente para desenrollar virtualmente rollos de papiro, ", explica Manke." Pero también se puede utilizar para averiguar exactamente qué sucede en baterías compactas densamente enrolladas ".

El Dr. Tobias Arlt de HZB continúa:"Esta es la primera vez que aplicamos el algoritmo a una batería de litio típica disponible en el mercado. Modificamos y mejoramos el algoritmo en varios pasos de retroalimentación en colaboración con científicos informáticos del Zuse-Institut".

Los problemas característicos de las baterías enrolladas se pudieron investigar utilizando este método. Por ejemplo, los devanados internos exhibieron una actividad electroquímica completamente diferente (y por lo tanto la capacidad de litio) que los devanados externos. Además, cada una de las partes superior e inferior de la batería se comportaba de manera muy diferente. Los datos de neutrones también mostraron áreas donde se desarrolló una falta de electrolitos, lo que limitaba severamente el funcionamiento de la respectiva sección de electrodo. También se pudo demostrar que el ánodo no está igualmente bien cargado y descargado con litio en todas partes.

"El proceso que hemos desarrollado nos brinda una herramienta única para observar el interior de una batería durante el funcionamiento y analizar dónde y por qué ocurren las pérdidas de rendimiento. Esto nos permite desarrollar estrategias específicas para mejorar el diseño de las baterías enrolladas, "concluye Manke.