SYNKNØYT-Progr.f.synkrotron- og nøytron

Oppladbare litium-ion- og metallhydridbatterier har utmerkede egenskaper for hybrid-elektriske kjøretøyer. Dette inkluderer høy effekttetthet, muligheter for rask lading, høy levetid og lav driftstemperatur. I tillegg har nikkel-metallhydridbatteriene (NiMH) meget gode sikkerhetsegenskaper. I HIBAT-prosjektet har hovedfokus vært å utføre studier av strukturelle endringer i elektrodene under opplading og utlading i Ni-MH og Li-ion-batterier ved bruk av nøytron-spredningsteknikker. HIBAT-prosjektet er et samarbeidprosjekt mellom Institutt for energiteknologi, Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet og European Spallation Source, og samler kompetanse og komplementær innsats fra disse tre institusjonene sammen med ledende grupper fra Sveits (Paul Scherrer Institute) og Frankrike (Institutt for kjemi av materialer Paris East, CNRS) som arbeider i feltet og fokuserer på utvikling av nye elektrodematerialer for de høyeffekt, oppladbare batteriene. Nøytronspredning er et ikke-destruktivt verktøy som gjør det mulig å studere molekylstrukturen til faststoffmaterialer.. Nøytroner har høy gjennomtregningsevne i faststoffmaterialer og bidrar til utviklingen av unike og kraftige verktøy for undersøkelser av materialstruktur og egenskaper. Her står nøytrondiffraksjon og nøytronradiografi (bildebehandling) som to komplementære teknikker for å undersøke prosessene på atomærskala (nøytrondiffraksjon) og dessuten å vurdere ytelsen til batteriene i makroskopisk skala (nøytronradiografi). Både kommersielle batterier og skreddersydde i IFE- og CNRS-laboratorieelektroder ble benyttet slik at de kunne kontrollere hastighetene for elektrokjemiske prosesser under forsøkene ved bruk av nøytroner. Disse forsøkene viste at batteriets ytelse styres av temperatur og strømtetthet. En "gyngestol"-mekanisme gir transport av Li-ioner fra katoden til anoden. Ved opptak av Litium dannes en litium-graffitfase i anoden. I NiMH er det en hydrogenutveksling mellom en deuterert elektrolytt og metallhydridanoden for å danne hydrider av Mg-baserte (La,Nd,Mg)Ni3-legeringer. Flere nøytronradiografier av prismatiske litium-ion batterier av ulike typer har blitt utført på PSI. Man kunne da observere de makroskopiske endringene i batteriene under oppladning og utladning. Ti artikler har blitt pubsliert i internasjonale tidsskrifter basert på resultatene i prosjektet. 5 muntlige presentasjoner er blitt gitt på internasjonale konferanser, inkludert plenum, inviterte og muntlige presentasjoner av V.A. Yartys. Yartys deltok blant annet ved den 14. internasjonale symposiet for metall-hydrogen-systemer. Manchester, 2014; Int. Symp. Materialer for energilagring og -konvertering mESC-IS 2015, Tyrkia; Int.Conf. på nanoteknologi, nanomaterialer og tynne filmer for energibruk. Liverpool, Storbritannia, 2016; MCARE2016 (Materialutfordringer i alternativ og fornybar energi, april 2016, USA); MH2016 (Internasjonalt Symposium om Metal-Hydrogen Systems. Fundamentals and Applications, august 2016, Sveits); 14. INTERNASJONAL SYMPOSIUM OM FYSISK MATERIALER (ISPMA 14), Praha, 10.9-15.9.2017 og 2. Internasjonalt Symposium om Materialer for Energilagring og Konvertering MESC-IS 2017, Cappadocia, Tyrkia. 26-28.09.2017).

Characterization of crystal structures allows understanding of interrelation between physical and chemical properties of the materials, their structure and bonding. Institute for Energy Technology hosts a research reactor JEEP II which is utilized to pro be by neutrons various materials for energy storage. The European Spallation Source is a multi-disciplinary research center based on the world's most powerful neutron source. This new facility will enable new opportunities for research in the fields of m aterials science, energy storage, fundamental chemistry and physics. The present proposal focuses on the development of experimental tools and investigations of the mechanism of transformations in the high performance rechargeable batteries probed by neut ron scattering. Particular emphasis is on the development of the experimental neutron cells adopted to examine performance of the rechargeable batteries by use of neutron diffraction. Experiments will be performed in situ in real conditions, i.e. in opera ndo. The high resolution powder diffractometers utilizing high flux neutron sources will enable fast data collection for the electrodes which are not possible to probe with X-rays. It is aimed to perform time resolved measurements probing phase-structura l transformations proceeding at fast rates, in just a few minutes. Neutron imaging will be also utilized to characterize dynamic processes in the operating batteries. Two different types of the rechargeable batteries will be in focus, metal hydride and Li -ion ones. Use of neutron scattering will allow locating light atoms (H and Li) and to characterize kinetics and mechanism of the processes of charge and discharge of the electrodes at high current densities. The work will contribute to the development of the advanced batteries having high discharge capacity and offering improved performance in demand for the advanced autonomous energy systems, electric vehicles and grid regulation.