跳动城乡网锂离子电池目前是移动设备中普遍存在的电能来源，也是电动汽车和储能的关键技术。大规模的跨学科研究工作正在进行中，一方面是为了开发更可持续、更环保的实用替代品，另一方面是为了开发更安全、性能更强、更持久的电池——特别是对于需要高容量和高密度能量存储的应用。
详细了解退化和故障机制为更好地预测和缓解它们提供了机会。
在一项新的研究中，由 CEA 跨学科研究所、Laue Langevin 研究所 (ILL) 和欧洲同步加速器 (ESRF) 合作领导的研究小组使用状态检查了锂离子电池的使用寿命。可用于中子和 X 射线源的最先进的非侵入式成像技术。
该团队的论文发表在《能源与环境科学》杂志上。
中子和光子在很大程度上是互补的。中子特别擅长观察锂和其他轻元素，而 X 射线则对镍和铜等重元素敏感。它们的复杂组合使研究人员能够获得有关工作电池内部组件和元件的多维信息。
该团队发现了铜集流体的缠绕结构中的宏观变形。变形区域已经存在于刚刚经历初始激活周期(第一次充放电周期)的新电池中。进一步的研究表明，这些缺陷是由于电极制造过程中发生的硅局部积累造成的。激活后，最大的团聚体剧烈膨胀，导致集电器变形，在电池投入使用之前浪费了容量。
可以确定这些积累必须有多大才会成为问题：尺寸超过 50 微米的硅团聚体的细胞结构和功能会受到损害。这对于质量控制和未来发展都是至关重要的信息。埃里克·吕布克博士ILL 的学生、该研究的主要作者总结道：“事实上，当这种情况发生时，资源就被浪费了，我们已经量化了其影响并了解了其原因。”
全视场、高分辨率 3D 传输断层扫描能够检查电池的整个体积，揭示许多缺陷特征的存在。在选定的二维横截面切片上对这些进行了更仔细的研究。
中子断层扫描(同时进行低强度 X 射线计算机断层扫描)是在 ILL 的 NeXT 仪器上进行的。然后在 ESRF 上使用两条光束线 BM05 和高能 ID31 光束线分别进行相衬断层扫描和散射断层扫描，对完全相同的细胞进行同步加速器 X 射线断层扫描。
在 NeXT，3D 高分辨率中子断层扫描与 X 射线断层扫描相结合，对整个细胞进行成像。 Erik Lübke 解释说：“X 射线给出了基本结构，当我们使用中子详细检查锂的空间分布时，可以准确地知道我们所处的位置”，这得益于“在任何地方都可以获得的最佳中子分辨率”。世界。”
然后使用几种不同的 X 射线断层扫描技术在 ESRF 高能光束线处对细胞的选定部分进行进一步详细检查。在电池充电过程中获取数据(所谓的操作实验)可以收集有关缺陷区域反应动力学的更多信息：锂扩散在该区域部分受阻，即使大部分电池已充满电，这些区域也能获得更多信息。其中心仍然没有锂。
为了确保结果的工业相关性，该团队测试了根据行业标准制造的圆柱形硅基锂离子电池。这种格式的电池已在小型电子设备中得到商业应用，例如医疗传感器、耳机和智能设备。然而，为了更好地满足实验要求，减小了尺寸。对新鲜电池和老化电池(循环超过 700 次，剩余容量约为 50%)在充电和放电状态下进行成像。将不同的技术应用于完全相同的细胞。
