用三維x射線測(cè)量鋰離子電池內(nèi)部的粒子運(yùn)動(dòng)

自20世紀(jì)90年代末引入鋰離子電池以來(lái)，鋰離子電池已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。 它們被用于許多日常設(shè)備，如筆記本電腦、手機(jī)和醫(yī)療設(shè)備，以及汽車(chē)和航空航天平臺(tái)等。 然而，鋰離子電池的性能仍然可以隨著時(shí)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(shí)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(chǔ)容量和更長(zhǎng)壽命的電池。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，當(dāng)鋰電池充電時(shí)，鋰離子嵌入到位于電池負(fù)極的宿主粒子中，并儲(chǔ)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(jī)粒子材料是石墨。 石墨顆粒隨著鋰離子在充電過(guò)程中進(jìn)入它們而膨脹，當(dāng)離子在放電過(guò)程中退出它們時(shí)收縮。

國(guó)際航空航天工程系教授、高級(jí)材料測(cè)試和評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室主任約翰·蘭布羅斯說(shuō)：“每次電池充電時(shí)，鋰離子會(huì)進(jìn)入石墨，使其體積膨脹約10%，這給石墨顆粒帶來(lái)很大壓力。 “隨著這種膨脹收縮過(guò)程在電池的每一個(gè)連續(xù)充放電循環(huán)中繼續(xù)進(jìn)行，宿主粒子開(kāi)始碎裂，失去儲(chǔ)存鋰的能力，也可能與周?chē)幕w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(wèn)題，并學(xué)習(xí)如何延長(zhǎng)電池的壽命。 因此，我們想看看在工作陽(yáng)極中，當(dāng)鋰進(jìn)入它們時(shí)，石墨顆粒是如何膨脹的。 你當(dāng)然可以讓這一過(guò)程發(fā)生，然后測(cè)量電極生長(zhǎng)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(jìn)展而獲得膨脹的內(nèi)部局部測(cè)量?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)首先定制了一個(gè)可充電鋰電池，它對(duì)X射線是透明的.. 然而，當(dāng)他們制造功能電極時(shí)，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(shuō)：“氧化鋯顆粒對(duì)鋰化是惰性的，它們不吸收或儲(chǔ)存任何鋰離子。” 然而，對(duì)于我們的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，氧化鋯顆粒是不可或缺的：它們作為標(biāo)記，在X射線中顯示為小點(diǎn)，然后我們可以在隨后的X射線掃描中跟蹤，以測(cè)量電極在其內(nèi)部每個(gè)點(diǎn)上變形的程度。

蘭布羅斯說(shuō)，體積的內(nèi)部變化是用數(shù)字體積相關(guān)例程測(cè)量的-這是一種計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)科學(xué)系的U。 蓋茨改進(jìn)了現(xiàn)有的DVC方案，對(duì)算法進(jìn)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(wèn)題，還包含了并行計(jì)算，這些計(jì)算同時(shí)運(yùn)行程序的不同部分，并且可以在短時(shí)間內(nèi)在大量的測(cè)量點(diǎn)上產(chǎn)生結(jié)果。

蘭布羅斯說(shuō)：“我們的代碼運(yùn)行得更快，它不僅僅是幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，而是允許我們?cè)陔姌O內(nèi)部獲得大約15萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)或測(cè)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(shuō)，全世界可能只有少數(shù)研究小組使用這種技術(shù)。

他說(shuō)：“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(huì)變得更加普遍?！?“我們已經(jīng)使用這項(xiàng)技術(shù)十年了，但這項(xiàng)研究的新奇之處在于，我們應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)，允許內(nèi)部三維測(cè)量應(yīng)變的功能電池電極，以量化它們的內(nèi)部退化?！?/p>