使用3-D X射线测量锂离子电池内部的粒子运动

　　自20世纪90年代后期推出以来，锂离子电池已经走过了很长一段路。它们被用于许多日常设备中，如笔记本电脑，手机和医疗设备，以及汽车和特种航天平台等。但是，锂离子电池的性能仍然会随着时间而衰减，在充电/放电循环之后可能无法完全充电，并且即使在闲置时也可能会快速放电。伊利诺伊大学的研究人员应用了一种使用电极的3DX射线层析成像技术，以更好地了解锂离子电池内部正在发生的事情，并最终构建具有更多存储容量和更长使用寿命的电池。

　　简而言之，当锂电池正在充电时，锂离子嵌入到驻留在电池阳极电极中的主体颗粒中，并存储在那里直到电池放电期间需要产生能量。商用锂离子电池中最常用的主体颗粒材料是石墨。石墨颗粒随着锂离子在充电过程中进入而膨胀，并且在离子在放电过程中离开它们时收缩。

　　“每当电池充电时，锂离子就会进入石墨，使其膨胀大小约10％，这给石墨颗粒带来了很大的压力，”特种航天工程系教授JohnLambros说。先进材料测试和评估实验室（AMTEL）的负责人在I的U.“随着这种膨胀-收缩过程继续进行，随着电池的每个连续的充电-放电循环，主体颗粒开始碎裂并失去其储存锂的能力并且也可能与周围的基体分离导致导电性的丧失。

　　“如果我们能够确定石墨颗粒在电极内部如何失效，我们可能能够抑制这些问题并学习如何延长电池的使用寿命，所以我们希望看到在工作阳极中石墨颗粒如何膨胀当锂进入它们时，你当然可以让这个过程发生，然后测量电极的长大程度以观察全局应变-但是利用X射线，我们可以在电极内部看到内部局部测量值，随着锂化进程“。

　　该团队首先定制了一种可透过X射线的可充电锂电池。但是，当他们制造功能电极时，除了石墨颗粒之外，他们还在配方中添加了另一种成分-氧化锆颗粒。

　　“氧化锆颗粒对锂化是惰性的，它们不吸收或储存任何锂离子，”Lambros说。“然而，对于我们的实验来说，氧化锆颗粒是不可或缺的：它们用作X射线中显示为小点的标记，然后我们可以在随后的X射线扫描中跟踪以测量电极在每个点处变形的程度它的内部。“

　　Lambros表示，体积的内部变化是使用数字体积相关程序测量的-这是计算机代码中的一种算法，用于比较锂化之前和之后的X射线图像。

　　该软件是由大约10年前由MarkGates创建的，我是计算机科学博士生之一，由Lambros和MichaelHeath共同推荐，他是我计算机科学系的U.通过对算法进行一些关键性的改变，盖茨改进了现有的DVC方案。Gates的版本不仅能够用有限的数据量解决非常小规模的问题，而且还包含并行计算，可以同时运行程序的不同部分，并且可以在很短的时间内产生大量的结果的测量点。

　　“我们的代码运行速度快得多，而不仅仅是几个数据点，它使我们能够在电极内获得大约150,000个数据点或测量位置，”Lambros说。“它也为我们提供了极高的分辨率和高保真度。”

　　拉姆布罗斯说，全世界可能只有少数几个研究小组使用这种技术。

　　“数字音量关联程序现在可以在商业上获得，所以它们可能会变得更加普遍，”他说。“我们已经使用这种技术已有十年了，但这项研究的新颖之处在于，我们应用了这种技术，该技术允许通过内部三维测量电池电极的应变来量化其内部劣化。”