Lithium-ionbatterijen hebben een lange weg afgelegd sinds hun introductie eind jaren negentig. Ze worden gebruikt in veel alledaagse apparaten, zoals laptopcomputers, mobieltjes, en medische apparaten, evenals auto- en ruimtevaartplatforms, en anderen. Echter, de prestaties van lithium-ionbatterijen kunnen na verloop van tijd nog steeds afnemen, laadt mogelijk niet volledig op na vele laad-/ontlaadcycli, en kan snel ontladen, zelfs bij inactiviteit. Onderzoekers van de Universiteit van Illinois pasten een techniek toe met behulp van 3D-röntgentomografie van een elektrode om beter te begrijpen wat er aan de binnenkant van een lithium-ionbatterij gebeurt en uiteindelijk batterijen te bouwen met meer opslagcapaciteit en een langere levensduur.

Simpel gezegd, wanneer een lithiumbatterij wordt opgeladen, lithiumionen nestelen zich in gastheerdeeltjes die zich in de anode-elektrode van de batterij bevinden en daar worden opgeslagen totdat ze nodig zijn om energie te produceren tijdens de ontlading van de batterij. Het meest gebruikte gastheerdeeltjesmateriaal in commerciële lithium-ionbatterijen is grafiet. De grafietdeeltjes zetten uit als de lithiumionen erin komen tijdens het opladen, en samentrekken wanneer de ionen ze verlaten tijdens het ontladen.

"Elke keer dat een batterij wordt opgeladen, de lithiumionen komen het grafiet binnen, waardoor het met ongeveer 10 procent groter wordt, wat veel spanning op de grafietdeeltjes legt, " zei John Lambros, professor in de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek en directeur van het Advanced Materials Testing and Evaluation Laboratory (AMTEL) bij U of I. "Omdat dit expansie-contractieproces doorgaat met elke opeenvolgende laad-ontlaadcyclus van de batterij, de gastheerdeeltjes beginnen te fragmenteren en verliezen hun vermogen om het lithium op te slaan en kunnen zich ook scheiden van de omringende matrix, wat leidt tot verlies van geleidbaarheid.

"Als we kunnen bepalen hoe de grafietdeeltjes in het inwendige van de elektrode falen, we kunnen deze problemen mogelijk onderdrukken en leren hoe we de levensduur van de batterij kunnen verlengen. Dus we wilden in een werkende anode zien hoe de grafietdeeltjes uitzetten als het lithium erin komt. Je kunt het proces zeker laten gebeuren en dan meten hoeveel de elektrode groeit om de globale spanning te zien, maar met de röntgenstralen kunnen we in de elektrode kijken en interne lokale metingen krijgen van de uitzetting naarmate de lithiëring vordert."

Het team bouwde eerst een oplaadbare lithiumcel die transparant was voor röntgenstralen. Echter, toen ze de werkende elektrode maakten, naast grafietdeeltjes, ze voegden nog een ingrediënt toe aan het recept:zirkonia-deeltjes.

"De zirkoniumdeeltjes zijn inert voor lithiëring; ze absorberen of slaan geen lithiumionen op, "Zei Lambros. "Echter, voor ons experiment, de zirkoniumdeeltjes zijn onmisbaar:ze dienen als markeringen die als kleine puntjes in de röntgenstralen verschijnen die we vervolgens kunnen volgen in volgende röntgenscans om te meten hoeveel de elektrode op elk punt in het binnenste is vervormd."

Lambros zei dat interne veranderingen in het volume worden gemeten met behulp van een Digital Volume Correlation-routine - een algoritme in een computercode die wordt gebruikt om de röntgenfoto's voor en na lithiëring te vergelijken.

De software is ongeveer 10 jaar geleden gemaakt door Mark Gates, een U of I-promovendus in computerwetenschappen, mede geadviseerd door Lambros en Michael Heath, die in U van I's Department of Computer Science zit. Gates verbeterde bestaande DVC-schema's door enkele cruciale wijzigingen in het algoritme aan te brengen. In plaats van alleen zeer kleinschalige problemen op te lossen met een beperkte hoeveelheid data, De versie van Gates bevat parallelle berekeningen die verschillende delen van het programma allemaal tegelijkertijd uitvoeren en in korte tijd resultaten kunnen opleveren. over een groot aantal meetpunten.

"Onze code werkt veel sneller en in plaats van slechts een paar datapunten, het stelt ons in staat om ongeveer 150 te krijgen, 000 gegevenspunten, of meetlocaties, binnen de elektrode, " zei Lambros. "Het geeft ons ook een extreem hoge resolutie en hoge betrouwbaarheid."

Lambros zei dat er waarschijnlijk maar een handvol onderzoeksgroepen wereldwijd zijn die deze techniek gebruiken.

"Digitale volumecorrelatieprogramma's zijn nu commercieel verkrijgbaar, zodat ze vaker voorkomen, " zei hij. "We gebruiken deze techniek nu al tien jaar, maar de nieuwigheid van deze studie is dat we deze techniek hebben toegepast waarmee interne 3D-meting van spanning aan functionerende batterij-elektroden mogelijk is om hun interne degradatie te kwantificeren."

De krant, "Driedimensionale studie van grafiet-composietelektrode Chemo-mechanische respons met behulp van digitale volumecorrelatie, " was co-auteur van Joseph F. Gonzalez, Dimitrios A. Antartis, Manu Martinez, Shen J. Dillon, Ioannis Chasiotis, en John Lambros. Het artikel is gepubliceerd in Experimentele mechanica .