自20世紀(jì)90年代后期推出以來(lái)，鋰離子電池已經(jīng)走過(guò)了很長(zhǎng)一段路。它們被用于許多日常設(shè)備中，如筆記本電腦，手機(jī)和醫(yī)療設(shè)備，以及汽車和特種航天平臺(tái)等。但是，鋰離子電池的性能仍然會(huì)隨著時(shí)間而衰減，在充電/放電循環(huán)之后可能無(wú)法完全充電，并且即使在閑置時(shí)也可能會(huì)快速放電。伊利諾伊大學(xué)的研究人員應(yīng)用了一種使用電極的3DX射線層析成像技術(shù)，以更好地了解鋰離子電池內(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)使用壽命的電池。

簡(jiǎn)而言之，當(dāng)鋰電池正在充電時(shí)，鋰離子嵌入到駐留在電池陽(yáng)極電極中的主體顆粒中，并存儲(chǔ)在那里直到電池放電期間需要產(chǎn)生能量。商用鋰離子電池中最常用的主體顆粒材料是石墨。石墨顆粒隨著鋰離子在充電過(guò)程中進(jìn)入而膨脹，并且在離子在放電過(guò)程中離開它們時(shí)收縮。

“每當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子就會(huì)進(jìn)入石墨，使其膨脹大小約10％，這給石墨顆粒帶來(lái)了很大的壓力，”特種航天工程系教授JohnLambros說(shuō)。先進(jìn)材料測(cè)試和評(píng)估實(shí)驗(yàn)室（AMTEL）的負(fù)責(zé)人在I的U.“隨著這種膨脹-收縮過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，隨著電池的每個(gè)連續(xù)的充電-放電循環(huán)，主體顆粒開始碎裂并失去其儲(chǔ)存鋰的能力并且也可能與周圍的基體分離導(dǎo)致導(dǎo)電性的喪失。

“如果我們能夠確定石墨顆粒在電極內(nèi)部如何失效，我們可能能夠抑制這些問(wèn)題并學(xué)習(xí)如何延長(zhǎng)電池的使用壽命，所以我們希望看到在工作陽(yáng)極中石墨顆粒如何膨脹當(dāng)鋰進(jìn)入它們時(shí)，你當(dāng)然可以讓這個(gè)過(guò)程發(fā)生，然后測(cè)量電極的長(zhǎng)大程度以觀察全局應(yīng)變-但是利用X射線，我們可以在電極內(nèi)部看到內(nèi)部局部測(cè)量值，隨著鋰化進(jìn)程“。

該團(tuán)隊(duì)首先定制了一種可透過(guò)X射線的可充電鋰電池。但是，當(dāng)他們制造功能電極時(shí)，除了石墨顆粒之外，他們還在配方中添加了另一種成分-氧化鋯顆粒。

“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，”Lambros說(shuō)。“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：它們用作X射線中顯示為小點(diǎn)的標(biāo)記，然后我們可以在隨后的X射線掃描中跟蹤以測(cè)量電極在每個(gè)點(diǎn)處變形的程度它的內(nèi)部。“

Lambros表示，體積的內(nèi)部變化是使用數(shù)字體積相關(guān)程序測(cè)量的-這是計(jì)算機(jī)代碼中的一種算法，用于比較鋰化之前和之后的X射線圖像。

該軟件是由大約10年前由MarkGates創(chuàng)建的，我是計(jì)算機(jī)科學(xué)博士生之一，由Lambros和MichaelHeath共同推薦，他是我計(jì)算機(jī)科學(xué)系的U.通過(guò)對(duì)算法進(jìn)行一些關(guān)鍵性的改變，蓋茨改進(jìn)了現(xiàn)有的DVC方案。Gates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，而且還包含并行計(jì)算，可以同時(shí)運(yùn)行程序的不同部分，并且可以在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的結(jié)果的測(cè)量點(diǎn)。

“我們的代碼運(yùn)行速度快得多，而不僅僅是幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，它使我們能夠在電極內(nèi)獲得大約150,000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)或測(cè)量位置，”Lambros說(shuō)。“它也為我們提供了極高的分辨率和高保真度。”

拉姆布羅斯說(shuō)，全世界可能只有少數(shù)幾個(gè)研究小組使用這種技術(shù)。

“數(shù)字音量關(guān)聯(lián)程序現(xiàn)在可以在商業(yè)上獲得，所以它們可能會(huì)變得更加普遍，”他說(shuō)。“我們已經(jīng)使用這種技術(shù)已有十年了，但這項(xiàng)研究的新穎之處在于，我們應(yīng)用了這種技術(shù)，該技術(shù)允許通過(guò)內(nèi)部三維測(cè)量電池電極的應(yīng)變來(lái)量化其內(nèi)部劣化。”