Brug af 3D røntgenstråler til at måle partikelbevægelse inde i lithium-ion-batterier

Lithium-ion-batterier er kommet langt siden deres introduktion i slutningen af ​​1990'erne. De bruges i mange dagligdags enheder, såsom bærbare computere, mobiltelefoner, og medicinsk udstyr, samt bil- og rumfartsplatforme, og andre. Imidlertid, lithium-ion-batteriets ydeevne kan stadig falde over tid, oplades muligvis ikke helt efter mange opladnings-/afladningscyklusser, og kan aflades hurtigt, selv når den er inaktiv. Forskere ved University of Illinois anvendte en teknik ved hjælp af 3-D røntgentomografi af en elektrode for bedre at forstå, hvad der sker på indersiden af ​​et lithium-ion-batteri og i sidste ende bygge batterier med mere lagerkapacitet og længere levetid.

Enkelt sagt, når et lithiumbatteri oplades, lithium-ioner indlejrer sig i værtspartikler, der befinder sig i batterianodeelektroden og opbevares der, indtil de er nødvendige for at producere energi under batteriafladningen. Det mest almindeligt anvendte værtspartikelmateriale i kommercielle lithium-ion-batterier er grafit. Grafitpartiklerne udvider sig, når lithium-ionerne trænger ind i dem under opladning, og trække sig sammen, når ionerne forlader dem under udledning.

"Hver gang et batteri oplades, lithium-ionerne kommer ind i grafitten, får det til at udvide sig med omkring 10 procent i størrelse, hvilket belaster grafitpartiklerne meget, " sagde John Lambros, professor i Department of Aerospace Engineering og direktør for Advanced Materials Testing and Evaluation Laboratory (AMTEL) ved U of I. "Da denne ekspansions-sammentrækningsproces fortsætter med hver efterfølgende opladnings-afladningscyklus af batteriet, værtspartiklerne begynder at fragmentere og mister deres kapacitet til at lagre lithium og kan også adskilles fra den omgivende matrix, hvilket fører til tab af ledningsevne.

"Hvis vi kan bestemme, hvordan grafitpartiklerne fejler i det indre af elektroden, vi kan muligvis undertrykke disse problemer og lære at forlænge batteriets levetid. Så vi ønskede at se i en arbejdsanode, hvordan grafitpartiklerne udvider sig, når lithium kommer ind i dem. Du kan helt sikkert lade processen ske og derefter måle, hvor meget elektroden vokser for at se den globale belastning - men med røntgenstrålerne kan vi se inde i elektroden og få interne lokale målinger af ekspansion, efterhånden som lithiation skrider frem."

Holdet byggede først en genopladelig lithiumcelle, der var gennemsigtig for røntgenstråler. Imidlertid, da de lavede den fungerende elektrode, ud over grafitpartikler, de tilføjede en anden ingrediens til opskriften - zirconia partikler.

"Zirconiumoxidpartiklerne er inerte over for lithiation; de absorberer eller opbevarer ikke lithiumioner, " sagde Lambros. "Men, til vores eksperiment, zirconia partiklerne er uundværlige:de tjener som markører, der viser sig som små prikker i røntgenstrålerne, som vi så kan spore i efterfølgende røntgenscanninger for at måle, hvor meget elektroden deformerede på hvert punkt i dens indre."

Lambros sagde, at interne ændringer i volumen måles ved hjælp af en Digital Volume Correlation-rutine - en algoritme i en computerkode, der bruges til at sammenligne røntgenbillederne før og efter lithiation.

Softwaren blev skabt for omkring 10 år siden af ​​Mark Gates, en U of I-ph.d.-studerende inden for datalogi, medrådgivet af Lambros og af Michael Heath, som er i U på I's Institut for Datalogi. Gates forbedrede eksisterende DVC-ordninger ved at foretage nogle kritiske ændringer i algoritmen. I stedet for kun at kunne løse meget små problemer med en begrænset mængde data, Gates' version inkorporerer parallelle beregninger, der kører forskellige dele af programmet på samme tid og kan producere resultater på kort tid, over et stort antal målepunkter.

"Vores kode kører meget hurtigere og i stedet for blot nogle få datapunkter, det giver os mulighed for at få omkring 150, 000 datapunkter, eller målesteder, inde i elektroden, " sagde Lambros. "Det giver os også en ekstrem høj opløsning og høj kvalitet."

Lambros sagde, at der sandsynligvis kun er en håndfuld forskningsgrupper verden over, der bruger denne teknik.

"Digital Volume Correlation-programmer er nu tilgængelige kommercielt, så de kan blive mere almindelige, " sagde han. "Vi har brugt denne teknik i et årti nu, men det nye ved denne undersøgelse er, at vi anvendte denne teknik, der tillader intern 3D-måling af belastning til fungerende batterielektroder for at kvantificere deres interne nedbrydning."

Papiret, "Tredimensionel undersøgelse af grafit-kompositelektrode kemo-mekanisk respons ved hjælp af digital volumenkorrelation, " var medforfatter af Joseph F. Gonzalez, Dimitrios A. Antartis, Manue Martinez, Shen J. Dillon, Ioannis Chasiotis, og John Lambros. Artiklen er publiceret i Eksperimentel mekanik .