锂离子电池的性能会随着时间的推移而衰减，在多次充电/放电循环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。研究人员应用了一种使用电极 3D X 射线断层扫描的技术，以更好地了解锂离子电池内部发生的情况，并最终制造出存储容量更大、寿命更长的电池。

锂离子电池自 1990 年代后期问世以来已经取得了长足的进步。它们用于许多日常设备，例如笔记本电脑、手机和医疗设备，以及汽车和航空航天平台等。然而，锂离子电池的性能仍然会随着时间的推移而衰减，在多次充电/放电循环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 3D X 射线断层扫描的技术，以更好地了解锂离子电池内部发生的情况，并最终制造出存储容量更大、寿命更长的电池。

简而言之，当锂电池充电时，锂离子会嵌入到位于电池阳极电极中的主体颗粒中，并储存在那里，直到需要在电池放电期间产生能量。商用锂离子电池中最常用的主体颗粒材料是石墨。当锂离子在充电过程中进入石墨颗粒时，石墨颗粒会膨胀，而当离子在放电过程中离开时，石墨颗粒会收缩。

 

“每次电池充电时，锂离子都会进入石墨，导致其尺寸膨胀约 10%，这会给石墨颗粒带来很大压力，”航空航天工程系教授约翰·兰布罗斯 (John Lambros) 说。伊利诺伊大学先进材料测试与评估实验室 (AMTEL) 主任。也可能与周围的基质分离，导致导电性损失。

 

“如果我们能够确定电极内部的石墨颗粒是如何失效的，我们或许能够抑制这些问题并了解如何延长电池的寿命。所以我们想在工作阳极中了解石墨颗粒是如何膨胀的当锂进入它们时。你当然可以让这个过程发生，然后测量电极的生长量以查看整体应变——但是通过 X 射线，我们可以观察电极内部并获得随着锂化过程进行的内部局部膨胀测量”

 

该团队首先定制了一个对 X 射线透明的可充电锂电池。然而，当他们制造功能性电极时，除了石墨颗粒外，他们还在配方中添加了另一种成分——氧化锆颗粒。

 

“氧化锆颗粒对锂化呈惰性；它们不吸收或储存任何锂离子，”Lambros 说。“然而，对于我们的实验，氧化锆颗粒是不可或缺的：它们充当标记，在 X 射线中显示为小点，然后我们可以在随后的 X 射线扫描中跟踪这些点，以测量电极在每个点的变形程度它的内部。”

 

Lambros 说体积的内部变化是使用数字体积相关程序测量的——计算机代码中的一种算法，用于比较锂化前后的 X 射线图像。

 

该软件大约在 10 年前由伊利诺伊大学计算机科学博士生马克·盖茨 (Mark Gates) 开发，他由兰布罗斯 (Lambros) 和伊利诺伊大学计算机科学系的迈克尔·希思 (Michael Heath) 共同指导。盖茨通过对算法进行一些关键更改来改进现有的 DVC 方案。盖茨的版本不是只能用有限的数据解决非常小规模的问题，而是结合了并行计算，可以同时运行程序的不同部分，并且可以在短时间内产生大量结果的测量点。

 

“我们的代码运行得更快，它让我们能够在电极内部获得大约 150,000 个数据点或测量位置，而不仅仅是几个数据点，”Lambros 说。“它还为我们提供了极高的分辨率和高保真度。”

 

Lambros 说，全世界可能只有少数几个研究小组使用这种技术。

 

“数字音量相关程序现在可以在市场上买到，因此它们可能会变得更加普遍，”他说。“我们已经使用这项技术十年了，但这项研究的新颖之处在于，我们应用了这种技术，允许对功能电池电极进行内部 3D 应变测量，以量化其内部退化。”