用三維x射線測量鋰離子電池內(nèi)部的粒子運動

自20世紀90年代末引入鋰離子電池以來，鋰離子電池已經(jīng)取得了長足的進步。 它們被用于許多日常設(shè)備，如筆記本電腦、手機和醫(yī)療設(shè)備，以及汽車和航空航天平臺等。 然而，鋰離子電池的性能仍然可以隨著時間的推移而衰減，在多次充放電循環(huán)后可能不能完全充電，甚至在空閑時也可能快速放電。 伊利諾伊大學(xué)的研究人員應(yīng)用了一種利用電極的三維X射線斷層掃描技術(shù)，以更好地理解鋰離子電池內(nèi)部正在發(fā)生的事情，并最終構(gòu)建具有更多存儲容量和更長壽命的電池。

簡單地說，當鋰電池充電時，鋰離子嵌入到位于電池負極的宿主粒子中，并儲存在那里，直到需要在電池放電期間產(chǎn)生能量。 商用鋰離子電池中最常用的主機粒子材料是石墨。 石墨顆粒隨著鋰離子在充電過程中進入它們而膨脹，當離子在放電過程中退出它們時收縮。

國際航空航天工程系教授、高級材料測試和評價實驗室主任約翰·蘭布羅斯說：“每次電池充電時，鋰離子會進入石墨，使其體積膨脹約10%，這給石墨顆粒帶來很大壓力。 “隨著這種膨脹收縮過程在電池的每一個連續(xù)充放電循環(huán)中繼續(xù)進行，宿主粒子開始碎裂，失去儲存鋰的能力，也可能與周圍的基體分離，導(dǎo)致電導(dǎo)率損失。

如果我們能夠確定石墨顆粒是如何在電極內(nèi)部失效的，我們可能能夠抑制這些問題，并學(xué)習(xí)如何延長電池的壽命。 因此，我們想看看在工作陽極中，當鋰進入它們時，石墨顆粒是如何膨脹的。 你當然可以讓這一過程發(fā)生，然后測量電極生長了多少才能看到全球應(yīng)變-但是用X射線，我們可以在電極內(nèi)部觀察，并隨著鋰化的進展而獲得膨脹的內(nèi)部局部測量?！?/p>

該團隊首先定制了一個可充電鋰電池，它對X射線是透明的.. 然而，當他們制造功能電極時，除了石墨顆粒外，他們還在配方中添加了另一種成分-氧化鋯顆粒。

蘭布羅斯說：“氧化鋯顆粒對鋰化是惰性的，它們不吸收或儲存任何鋰離子?！?然而，對于我們的實驗來說，氧化鋯顆粒是不可或缺的：它們作為標記，在X射線中顯示為小點，然后我們可以在隨后的X射線掃描中跟蹤，以測量電極在其內(nèi)部每個點上變形的程度。

蘭布羅斯說，體積的內(nèi)部變化是用數(shù)字體積相關(guān)例程測量的-這是一種計算機代碼中的算法，用于比較鋰化前后的X射線圖像。

該軟件是大約10年前由Mark Gates創(chuàng)建的，Mark Gates是一名由Lambros和Michaelambros和Michael Heath共同指導(dǎo)，他是我計算機科學(xué)系的U。 蓋茨改進了現(xiàn)有的DVC方案，對算法進行了一些關(guān)鍵的修改。 蓋茨的版本不僅能夠用有限的數(shù)據(jù)量解決非常小規(guī)模的問題，還包含了并行計算，這些計算同時運行程序的不同部分，并且可以在短時間內(nèi)在大量的測量點上產(chǎn)生結(jié)果。

蘭布羅斯說：“我們的代碼運行得更快，它不僅僅是幾個數(shù)據(jù)點，而是允許我們在電極內(nèi)部獲得大約15萬個數(shù)據(jù)點或測量位置?！?“它還使我們具有極高的分辨率和極高的保真度。

蘭布羅斯說，全世界可能只有少數(shù)研究小組使用這種技術(shù)。

他說：“數(shù)字音量相關(guān)程序現(xiàn)在可以在商業(yè)上使用，所以它們可能會變得更加普遍?！?“我們已經(jīng)使用這項技術(shù)十年了，但這項研究的新奇之處在于，我們應(yīng)用了這項技術(shù)，允許內(nèi)部三維測量應(yīng)變的功能電池電極，以量化它們的內(nèi)部退化?！?/p>