Neutron imaging can provide two- or three-dimensional, spatially resolved images of the internal structure of bulk samples that are not accessible by other techniques, making it a unique tool with many potential applications. The method is now well established and is available at neutron sources worldwide. This review will give a survey of the technique of neutron imaging with a special focus on neutron tomography; the basics of the method as well as the technology of instrumentation will be outlined, and the techniques will be illustrated by representative applications. While the first part of the paper focuses on conventional attenuation contrast imaging, the second part reviews and critically assesses recent methodical developments.

Neutron imaging is a non-destructive technique that can reveal the interior of many materials and engineering components and also probe magnetic fields. Within the past few years, several new imaging modes have been introduced that extend the scope of neutron imaging beyond conventional neutron attenuation imaging, yielding both 2- and 3D information about properties and phenomena inaccessible until now. We present an overview of the most important advances in the application of neutron imaging in materials research with a focus on novel techniques such as energy-selective imaging, interferometric imaging with phase gratings, and polarized-neutron imaging. Examples given include the investigation of fluid dynamics in fuel cells, materials phases and structural heterogeneities, distribution of strains, and magnetic structures or phase transitions.

Grating interferometer based imaging with X-rays and neutrons has proven to hold huge potential for applications in key research fields conveying biology and medicine as well as engineering and magnetism, respectively. The thereby amenable dark-field imaging modality implied the promise to access structural information beyond reach of direct spatial resolution. However, only here a yet missing approach is reported that finally allows exploiting this outstanding potential for non-destructive materials characterizations. It enables to obtain quantitative structural small angle scattering information combined with up to 3-dimensional spatial image resolution even at lab based x-ray or at neutron sources. The implied two orders of magnitude efficiency gain as compared to currently available techniques in this regime paves the way for unprecedented structural investigations of complex sample systems of interest for material science in a vast range of fields.

Layer-wise laser-based additive manufacturing techniques offer immense versatility and flexibility in fabricating metallic composites with complex shapes. Interest in producing new multi-materials with advanced characteristics outpaces the available methods that provide insights into the bulk material formation, which in turn enables process and material optimisation. While some advanced operando studies enable highly local observations in the established metallic layers, the effect of intrinsic heat treatment inherent in the process in the bulk of the material is generally beyond reach of operando characterisation. Here, we approach the regime through advanced operando neutron imaging utilising a custom-designed laser powder bed fusion device on a neutron beamline. Operando polarisation contrast neutron imaging experiments were carried out during building centimetre-sized specimens with different powder premixture compositions of 316L and CuCrZr. The results of these full-field spatially resolved measurements reveal the quantitative evolution of ferromagnetic phases and temperature throughout the specimens and processing time.

Abstract We present a versatile optical setup for high-resolution neutron imaging with an adaptable field of view and magnification that can resolve individual neutron absorption events with an image intensifier and a CMOS camera. Its imaging performance is characterized by evaluating the resolution limits of the individual optical components and resulting design aspects are discussed. Neutron radiography measurements of a Siemens star pattern were performed in event mode acquisition comparing two common high-resolution neutron scintillators, crystalline Gadolinium Gallium Garnet (GGG) and powdered Gadolinium Oxysulfide (GOS). An analysis of the light signature caused by neutron absorption events is performed and some resulting issues for both GGG and GOS regarding optical system design are addressed. Both scintillators reach similar resolution (4–5 $${\upmu }$$ μ m) in event mode acquisition despite different light emission characteristics. The findings suggest that, in the case of GOS, the resolution is limited by the size of the light clusters which in turn originate from the photon scattering at the boundaries of the powder particles comprising it, while with GGG the lower light conversion efficiency makes it challenging to collect enough photons to trigger sufficient signal amplification in the image intensifier. Overall, the proposed event-based evaluation of scintillators allows for quantifying and optimizing various design parameters, which is much more complex than adopting conventional methods based on integrated images.

One of the primary challenges impeding extreme fast-charging (XFC) of current lithium-ion batteries (LIBs) for electric vehicles (EVs) within 10–15 minutes is the deposition of Li metal on graphite known as “Li plating”. 1-2 After Li plates, it either re-intercalates into the graphite electrode or is stripped off during battery discharging to form “active Li”or becomes electronically disconnected resulting in “dead Li.” Previous studies have indicated that dead Li is the main contributor to the XFC-related capacity loss of LIBs. However, mechanistic understanding of the 3D morphological behavior and spatial heterogeneities of dead Li; and how they differ from those of plated and active Li during the XFC is not well understood. 3-4 Here, we present an in-situ, non-destructive 3D characterization of the morphological behavior and spatial heterogeneities of plated, dead, and active Li on graphite electrodes in full-cell LIBs using high-resolution neutron micro-computed tomography. We performed neutron µCT 5 (pixel size: ~ 5.74 µm; effective spatial resolution: ~10-15 µm) at the ICON beamline 6 at the Swiss Spallation Neutron Source at the Paul Scherrer Institute. We imaged two batteries in the charged and discharged states: (1) after 4 cycles of 1C charging and (2) after 6 cycles of 6C charging. Our results show that Li plates at and around the edges of the graphite electrodes, indicating that graphite edges and the areas around these edges are the most susceptible to Li plating. However, certain edges and areas around these edges formed dead Li whereas others formed active Li, suggesting 3D spatial heterogeneities in the formation of dead and active Li at both 1C and 6C. Mainly, we discuss these heterogeneities at four regions: (1) near the Cu CC, (2) in the middle of the graphite electrode, (3) near the graphite-separator interface, and (4) in the separator. Specifically, we found that Li near the Cu CC remains active whereas most of the plated Li at the graphite-separator interface and in the separator becomes dead at both 1C and 6C. Morphologically, we observed porous nature of plated and dead Li at both 1C and 6C. Our 3D visualizations noticeably show nodules of varying densities of metallic Li. However, we observed different 3D behavior of Li plating at 1C and 6C. For example, tip-like Li deposits were seen laterally closer to the center of the graphite electrode, near the graphite-separator interface, and into the separator at 6C. In contrast, at 1C, no tip-like Li deposits were observed near the graphite-separator interface and into the separator. Based on our findings, we concluded that higher XFC-charging rate and cycling number (6 cycles of 6C charging) cause the formation of tip-like Li deposits as compared to the relatively slower XFC-charging rate and cycling number (4 cycles of 1C charging). We believe that insights derived from this work will guide the design of thick graphite electrodes with minimized-plating for fast-charged EVs. References: Liu et al . (2019). Challenges and opportunities towards fast-charging battery materials. Nature Energy, 1. Tomaszewska, A., Chu, Z., Feng, X., O'kane, S., Liu, X., Chen, J., ... & Wu, B. (2019). Lithium-ion battery fast charging: A review. ETransportation , 1 , 100011. Liu et al . (2016). Understanding undesirable anode lithium plating issues in lithium-ion batteries. RSC advances, 6(91), 88683-88700. Paul et al . (2021). A Review of Existing and Emerging Methods for Lithium Detection and Characterization in Li‐Ion and Li‐Metal Batteries. Advanced Energy Materials , 11 (17), 2100372. Morgano et al. (2018). Unlocking high spatial resolution in neutron imaging through an add-on fibre optics taper. Optics Express , 26 (2), 1809-1816. Kaestner et al . (2011). The ICON beamline–A facility for cold neutron imaging at SINQ. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment , 659 (1), 387-393. Keywords: Plated Lithium; Dead lithium; Active lithium; Neutron imaging; Extreme Fast Charging (XFC).