Litiumjonbatterier har kommit långt sedan de introducerades i slutet av 1990-talet. De används i många vardagliga enheter, som bärbara datorer, mobiltelefoner, och medicinsk utrustning, såväl som bil- och flygplattformar, och andra. Dock, litiumjonbatteriets prestanda kan fortfarande försämras med tiden, kanske inte laddas helt efter många laddnings-/urladdningscykler, och kan urladdas snabbt även när den är inaktiv. Forskare vid University of Illinois tillämpade en teknik med 3D-röntgentomografi av en elektrod för att bättre förstå vad som händer på insidan av ett litiumjonbatteri och i slutändan bygga batterier med mer lagringskapacitet och längre livslängd.

Enkelt uttryckt, när ett litiumbatteri laddas, litiumjoner bäddar in sig i värdpartiklar som finns i batteriets anodelektrode och lagras där tills de behövs för att producera energi under batteriets urladdning. Det mest använda värdpartikelmaterialet i kommersiella litiumjonbatterier är grafit. Grafitpartiklarna expanderar när litiumjonerna kommer in i dem under laddning, och drar ihop sig när jonerna lämnar dem under urladdning.

"Varje gång ett batteri laddas, litiumjonerna kommer in i grafiten, får den att expandera med cirka 10 procent i storlek, vilket sätter mycket stress på grafitpartiklarna, sa John Lambros, professor vid institutionen för rymdteknik och chef för Advanced Materials Testing and Evaluation Laboratory (AMTEL) vid U of I. "Eftersom denna expansions-sammandragningsprocess fortsätter med varje successiv laddnings-urladdningscykel av batteriet, värdpartiklarna börjar fragmenteras och förlorar sin förmåga att lagra litium och kan även separeras från den omgivande matrisen vilket leder till förlust av konduktivitet.

"Om vi ​​kan avgöra hur grafitpartiklarna misslyckas i det inre av elektroden, vi kanske kan undertrycka dessa problem och lära oss hur man förlänger batteriets livslängd. Så vi ville se i en fungerande anod hur grafitpartiklarna expanderar när litium kommer in i dem. Du kan säkert låta processen hända och sedan mäta hur mycket elektroden växer för att se den globala påfrestningen – men med röntgenstrålar kan vi titta inuti elektroden och få interna lokala mätningar av expansion när lithiation fortskrider."

Teamet byggde först en laddningsbar litiumcell som var genomskinlig för röntgenstrålar. Dock, när de gjorde den fungerande elektroden, förutom grafitpartiklar, de lade till en annan ingrediens i receptet – zirkoniumoxidpartiklar.

"Zirkoniumoxidpartiklarna är inerta mot litium; de absorberar eller lagrar inte några litiumjoner, " sa Lambros. "Men, för vårt experiment, zirkoniumoxidpartiklarna är oumbärliga:de fungerar som markörer som dyker upp som små prickar i röntgenstrålningen som vi sedan kan spåra i efterföljande röntgenskanningar för att mäta hur mycket elektroden deformerades vid varje punkt i dess inre."

Lambros sa att interna förändringar i volymen mäts med en digital volymkorrelationsrutin-en algoritm i en datorkod som används för att jämföra röntgenbilderna före och efter litiering.

Mjukvaran skapades för cirka 10 år sedan av Mark Gates, en U of I-doktorand i datavetenskap som samråds av Lambros och Michael Heath, som är i U på I:s institution för datavetenskap. Gates förbättrade befintliga DVC-scheman genom att göra några kritiska ändringar i algoritmen. Istället för att bara kunna lösa mycket småskaliga problem med en begränsad mängd data, Gates version innehåller parallella beräkningar som kör olika delar av programmet samtidigt och kan ge resultat på kort tid, över ett stort antal mätpunkter.

"Vår kod går mycket snabbare och istället för bara några få datapunkter, det tillåter oss att få cirka 150, 000 datapunkter, eller mätplatser, inuti elektroden, "Lambros sa." Det ger oss också en extremt hög upplösning och hög trohet. "

Lambros sa att det förmodligen bara finns en handfull forskargrupper över hela världen som använder denna teknik.

"Digital Volume Correlation-program är nu tillgängliga kommersiellt, så de kan bli vanligare, " sa han. "Vi har använt den här tekniken i ett decennium nu, men det nya med den här studien är att vi tillämpade den här tekniken som tillåter intern 3D-mätning av belastning på fungerande batterielektroder för att kvantifiera deras interna försämring."

Pappret, "Tredimensionell studie av grafitkompositelektrodkemomekanisk respons med digital volymkorrelation, " var medförfattare av Joseph F. Gonzalez, Dimitrios A. Antartis, Manue Martinez, Shen J. Dillon, Ioannis Chasiotis, och John Lambros. Artikeln publiceras i Experimentell mekanik .