用三维x射线测量锂离子电池内部的粒子运动

自20世纪90年代末引入锂离子电池以来，锂离子电池已经取得了长足的进步。 它们被用于许多日常设备，如笔记本电脑、手机和医疗设备，以及汽车和航空航天平台等。 然而，锂离子电池的性能仍然可以随着时间的推移而衰减，在多次充放电循环后可能不能完全充电，甚至在空闲时也可能快速放电。 伊利诺伊大学的研究人员应用了一种利用电极的三维X射线断层扫描技术，以更好地理解锂离子电池内部正在发生的事情，并最终构建具有更多存储容量和更长寿命的电池。

简单地说，当锂电池充电时，锂离子嵌入到位于电池负极的宿主粒子中，并储存在那里，直到需要在电池放电期间产生能量。 商用锂离子电池中最常用的主机粒子材料是石墨。 石墨颗粒随着锂离子在充电过程中进入它们而膨胀，当离子在放电过程中退出它们时收缩。

国际航空航天工程系教授、高级材料测试和评价实验室主任约翰·兰布罗斯说：“每次电池充电时，锂离子会进入石墨，使其体积膨胀约10%，这给石墨颗粒带来很大压力。 “随着这种膨胀收缩过程在电池的每一个连续充放电循环中继续进行，宿主粒子开始碎裂，失去储存锂的能力，也可能与周围的基体分离，导致电导率损失。

如果我们能够确定石墨颗粒是如何在电极内部失效的，我们可能能够抑制这些问题，并学习如何延长电池的寿命。 因此，我们想看看在工作阳极中，当锂进入它们时，石墨颗粒是如何膨胀的。 你当然可以让这一过程发生，然后测量电极生长了多少才能看到全球应变-但是用X射线，我们可以在电极内部观察，并随着锂化的进展而获得膨胀的内部局部测量。”

该团队首先定制了一个可充电锂电池，它对X射线是透明的.. 然而，当他们制造功能电极时，除了石墨颗粒外，他们还在配方中添加了另一种成分-氧化锆颗粒。

兰布罗斯说：“氧化锆颗粒对锂化是惰性的，它们不吸收或储存任何锂离子。” 然而，对于我们的实验来说，氧化锆颗粒是不可或缺的：它们作为标记，在X射线中显示为小点，然后我们可以在随后的X射线扫描中跟踪，以测量电极在其内部每个点上变形的程度。

兰布罗斯说，体积的内部变化是用数字体积相关例程测量的-这是一种计算机代码中的算法，用于比较锂化前后的X射线图像。

该软件是大约10年前由Mark Gates创建的，Mark Gates是一名由Lambros和Michaelambros和Michael Heath共同指导，他是我计算机科学系的U。 盖茨改进了现有的DVC方案，对算法进行了一些关键的修改。 盖茨的版本不仅能够用有限的数据量解决非常小规模的问题，还包含了并行计算，这些计算同时运行程序的不同部分，并且可以在短时间内在大量的测量点上产生结果。

兰布罗斯说：“我们的代码运行得更快，它不仅仅是几个数据点，而是允许我们在电极内部获得大约15万个数据点或测量位置。” “它还使我们具有极高的分辨率和极高的保真度。

兰布罗斯说，全世界可能只有少数研究小组使用这种技术。

他说：“数字音量相关程序现在可以在商业上使用，所以它们可能会变得更加普遍。” “我们已经使用这项技术十年了，但这项研究的新奇之处在于，我们应用了这项技术，允许内部三维测量应变的功能电池电极，以量化它们的内部退化。”