Les batteries au lithium alimentent les téléphones intelligents, ordinateurs portables, et les vélos et voitures électriques en stockant l'énergie dans un très petit espace. Cette conception compacte est généralement obtenue en enroulant le mince sandwich d'électrodes de batterie sous une forme cylindrique. En effet, les électrodes doivent néanmoins avoir de grandes surfaces pour faciliter une capacité élevée et une charge rapide

Une équipe internationale de chercheurs du Helmholtz-Zentrum Berlin et de l'University College London a maintenant étudié les surfaces des électrodes pendant la charge et la décharge en utilisant pour la première fois une combinaison de deux méthodes de tomographie complémentaires. En utilisant la tomographie aux rayons X à l'Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron (ESRF) à Grenoble, ils ont pu analyser la microstructure des électrodes et détecter les déformations et discontinuités qui se développent au cours des cycles de charge.

« La tomographie neutronique, d'autre part, a permis d'observer directement la migration des ions lithium et aussi de déterminer comment évolue la répartition de l'électrolyte dans l'élément de batterie au cours du temps, " explique le Dr Ingo Manke, expert en tomographie chez HZB. Les données de tomographie neutronique ont été obtenues principalement à la source de neutrons HZB BER II de l'instrument CONRAD, l'une des meilleures stations de tomographie au monde.

Des données complémentaires ont été obtenues à la source de neutrons de l'Institut Laue-Langevin (ILL, grenobloise), où, avec l'aide de l'équipe d'experts du HZB, une première station d'imagerie neutronique est en cours de mise en place. Suite à la fermeture du BER II en décembre 2019, l'instrument CONRAD sera transféré à l'ILL afin qu'il soit disponible pour la recherche à l'avenir.

Une nouvelle méthode mathématique développée au Zuse-Institut de Berlin a ensuite permis aux physiciens de dérouler virtuellement les électrodes de la batterie, car les enroulements cylindriques de la batterie sont difficiles à examiner quantitativement. Ce n'est qu'après une analyse mathématique et le déroulement virtuel que des conclusions peuvent être tirées sur les processus au niveau des sections individuelles de l'enroulement.

"L'algorithme était à l'origine destiné à dérouler virtuellement des rouleaux de papyrus, " explique Manke. " Mais il peut également être utilisé pour savoir exactement ce qui se passe dans les batteries compactes à enroulement dense. "

Le Dr Tobias Arlt de HZB poursuit :« C'est la première fois que nous appliquons l'algorithme à une batterie au lithium typique disponible dans le commerce. Nous avons modifié et amélioré l'algorithme en plusieurs étapes de rétroaction en collaboration avec des informaticiens du Zuse-Institut.

Les problèmes caractéristiques des batteries enroulées ont pu être étudiés à l'aide de cette méthode. Par exemple, les enroulements intérieurs présentaient une activité électrochimique (et donc une capacité au lithium) complètement différente de celle des enroulements extérieurs. En outre, les parties supérieure et inférieure de la batterie se comportaient chacune très différemment. Les données neutroniques ont également montré des zones où un manque d'électrolyte s'est développé, ce qui a sévèrement limité le fonctionnement de la section d'électrode respective. On pourrait aussi montrer que l'anode n'est pas aussi bien chargée et déchargée en lithium partout.

"Le processus que nous avons développé nous donne un outil unique pour regarder à l'intérieur d'une batterie pendant son fonctionnement et analyser où et pourquoi les pertes de performances se produisent. Cela nous permet de développer des stratégies spécifiques pour améliorer la conception des batteries enroulées, " conclut Manke.