Vědci zkoumají stárnutí baterií pomocí výpočetní tomografie, své poznatky chtějí využít k jejich vylepšení

Lithium-iontové baterie jsou dnes součástí každodenního života, přičemž stále širší uplatnění nachází v posledních letech i v energetice či na poli elektromobility. Jedním z jejich hlavních nedostatků je nicméně omezená životnost způsobená jejich postupnou degradací. Mezinárodní tým vědců nyní zkombinoval dvě metody výpočetní tomografie, které umožnily virtuálně „rozvinout“ elektrody a zkoumat tak jejich stárnutí za provozu.

Lithium-iontové baterie jsou v dnešní době zdrojem energie pro řadu běžných spotřebičů od mobilních telefonů po notebook, stejně tak se vyskytují v elektromobilech či v bateriových úložištích. Jejich relativně kompaktních rozměrů při zachování dostatečné plochy elektrod pro dosažení vysoké kapacity a rychlého dobíjení je často dosahováno navinutím tenké sendvičové vrstvy elektrod a elektrolytu do válce.

V této podobě je nicméně baterie takřka nemožné zkoumat běžnými metodami za jejich provozu. Mezinárodní tým vědců z Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) a University College London však nyní představil nový postup, který kombinuje dvě metody výpočetní tomografie, což umožnilo zkoumat tyto baterie přímo při nabíjení a vybíjení.

Za pomoci rentgenové tomografie byli vědci schopni analyzovat mikrostrukturu elektrod a zároveň detekovat deformace, které se v elektrodách objevují v průběhu nabíjecího cyklu.

„Neutronová tomografie nám na druhou stranu umožnila přímo pozorovat migraci lithiových iontů a zároveň určit, jak se v průběhu času mění distribuce elektrolytu v bateriovém článku,“ říká Ingo Manke, expert na tomografii u HZB.

Klíčovou roli sehrála i nová matematická metoda vyvinutá v berlínském Zuse-Institut, která vědcům následně umožnila baterie virtuálně rozvinout. Pouze po matematické analýze byli vědci schopni dospět ke konkrétním závěrům o procesech probíhajících v jednotlivých částech bateriového článku.

„Tento algoritmus byl původně vyvinut pro virtuální rozvinutí papyrusových svitků. Může být ale rovněž použit, abychom zjistili, co se přesně děje v hustě navinutých bateriích,“ uvedl Manke.

Nové poznatky mají pomoci k vylepšení baterií

Nová metoda umožnila vědcům prozkoumat charakteristické problémy vinutých baterií. Například vnitřní části spirály dle vědců vykazovaly zcela odlišnou elektrochemickou aktivitu než vnější části. Podobně se odlišovalo chování vrchní a spodní části baterie.

Data z neutronové tomografie rovněž ukázala oblasti s nedostatkem elektrolytu, což výrazně omezuje  funkčnost baterií. Dále vědci pozorovali, že lithium do anody a z ní neproniká rovnoměrně.

„Proces, který jsme vyvinuli, nám poskytuje unikátní nástroj pro nahlédnutí do vnitřku baterie během jejího provozu a analýzu kde a proč dochází ke ztrátě výkonnosti. To nám umožní vyvinout konkrétní strategie pro zlepšení návrhu vinutých baterií,“ dodává Manke.