锂离子电池被视为未来能量储存的解决方案，并且已成为必不可少的，尤其是在电动汽车中。它们的关键优势在于它们能够储存大量能量，但仍然相对轻巧紧凑。然而，当金属锂在充电期间形成和沉积时，它可导致电池寿命缩短甚至短路。慕尼黑工业大学(TUM)的科学家们现在已经设法在不破坏电池的情况下进入电池的内部工作。在这个过程中，他们已经解决了所谓的锂电镀之谜。
手机，数码相机，便携式摄像机，笔记本电脑：它们均采用锂离子电池供电。它们的特征在于高能量密度，同时保持小而轻，足以用于便携式设备。“锂离子电池的储存能量是同等大小的镍镉电池的三到四倍，”哈比尔博士解释说。中子源Heinz Maier-Leibnitz(FRM II)的科学家Ralph Gilles。即使温度波动和长期储存也不会对锂离子电池造成问题。
这些优点使锂离子电池成为电动汽车的关键技术。在不久的将来，电动汽车将能够保持自己对抗液体燃料驱动的运输媒体 - 也就是可达到的距离。这将需要功能强大，安全且快速充电的电池。
锂电镀会导致短路
然而，一种先前已知但尚未被充分理解的现象阻碍了这一目标：金属锂沉积或锂电镀，如其所称。
简而言之，锂离子电池中的能量存储通过以下原理工作：正电极(阴极)和负电极(阳极)都可以结合锂离子。在充电过程中，感应电场迫使离子从阴极移动到阳极。当电池放电时，锂离子移回阴极，在此过程中释放能量。
锂离子电池中的阴极包含锂金属氧化物，而电池阳极的标准材料是具有层状结构的石墨(碳)。在充电过程中，锂离子存储在这些层中。
然而，根据需要，偶尔锂离子形成金属锂而不是嵌入阳极中。锂沉积在阳极上并且不再完全可用于所述过程。结果是电池性能下降。在极端情况下，这甚至可能导致短路。此外，金属锂是高度易燃的。
使用中子作为探测器的非破坏性研究
迄今为止，在锂电镀过程中观察工作的精确机制尚不可能。当电池打开时，拉尔夫吉尔斯解释说，你只能得到它目前状态的快照。然而，金属锂的量永久变化。利用中子束，中子源Heinz Maier-Leibnitz(FRM II)的Veronika Zinth博士和电能储存技术部的ChristianvonLüders能够观察电池内部的过程而不会将其切开。
“与其他方法相比，利用中子衍射，我们可以更准确地说明锂电镀何时以及如何发生，”Veronika Zinth解释道。
研究人员在FRM II上使用材料研究衍射仪STRESS-SPEC，将充电和放电状态的电池安装到中子束中。入射中子束根据布拉格定律衍射并收集在探测器中。利用这些信号，研究人员能够间接推断出形成了多少金属锂。
更快的充电意味着更多的金属锂
研究的初步结果：
充电过程越快，形成的金属锂就越多。通常参与充电和放电过程的高达19%的锂离子呈现金属形式。(测量在-20摄氏度下进行)。
在快速再充电后的20小时静止阶段期间，一些金属锂与石墨反应，作为锂离子嵌入石墨层之间。它实际上是一个延迟，缓慢的充电过程。虽然，只有一部分锂电镀是可逆的。
低温促进金属锂的形成。
科学家正在计划进一步的实验，以更多地了解锂电镀机制。结果可能有助于回答如何完全避免这种现象的问题。这也将涉及回答在锂电镀进入之前电池可以多快充电的问题。
该研究是德国联邦教育和研究部(BMBF)ExZellTUM(电池电池Exellence中心)项目的一部分。ExZellTUM项目旨在开发新的能源存储系统，以及用于存储系统生产的新制造流程，形成策略和测试技术。该项目由四个合作伙伴组成：电能存储系统部，机床和工业管理部，技术电化学部和中子源Heinz Maier-Leibnitz。