自20世紀90年代后期推出以來，鋰離子電池已經走過了很長一段路。它們被用于許多日常設備中，如筆記本電腦，手機和醫療設備，以及汽車和特種航天平臺等。但是，鋰離子電池的性能仍然會隨著時間而衰減，在充電/放電循環之后可能無法完全充電，并且即使在閑置時也可能會快速放電。伊利諾伊大學的研究人員應用了一種使用電極的3DX射線層析成像技術，以更好地了解鋰離子電池內部正在發生的事情，并最終構建具有更多存儲容量和更長使用壽命的電池。

簡而言之，當鋰電池正在充電時，鋰離子嵌入到駐留在電池陽極電極中的主體顆粒中，并存儲在那里直到電池放電期間需要產生能量。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程中進入而膨脹，并且在離子在放電過程中離開它們時收縮。

“每當電池充電時，鋰離子就會進入石墨，使其膨脹大小約10％，這給石墨顆粒帶來了很大的壓力，”特種航天工程系教授JohnLambros說。先進材料測試和評估實驗室（AMTEL）的負責人在I的U.“隨著這種膨脹-收縮過程繼續進行，隨著電池的每個連續的充電-放電循環，主體顆粒開始碎裂并失去其儲存鋰的能力并且也可能與周圍的基體分離導致導電性的喪失。

“如果我們能夠確定石墨顆粒在電極內部如何失效，我們可能能夠抑制這些問題并學習如何延長電池的使用壽命，所以我們希望看到在工作陽極中石墨顆粒如何膨脹當鋰進入它們時，你當然可以讓這個過程發生，然后測量電極的長大程度以觀察全局應變-但是利用X射線，我們可以在電極內部看到內部局部測量值，隨著鋰化進程“。

該團隊首先定制了一種可透過X射線的可充電鋰電池。但是，當他們制造功能電極時，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。

“氧化鋯顆粒對鋰化是惰性的，它們不吸收或儲存任何鋰離子，”Lambros說。“然而，對于我們的實驗來說，氧化鋯顆粒是不可或缺的：它們用作X射線中顯示為小點的標記，然后我們可以在隨后的X射線掃描中跟蹤以測量電極在每個點處變形的程度它的內部。“

Lambros表示，體積的內部變化是使用數字體積相關程序測量的-這是計算機代碼中的一種算法，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創建的，我是計算機科學博士生之一，由Lambros和MichaelHeath共同推薦，他是我計算機科學系的U.通過對算法進行一些關鍵性的改變，蓋茨改進了現有的DVC方案。Gates的版本不僅能夠用有限的數據量解決非常小規模的問題，而且還包含并行計算，可以同時運行程序的不同部分，并且可以在很短的時間內產生大量的結果的測量點。

“我們的代碼運行速度快得多，而不僅僅是幾個數據點，它使我們能夠在電極內獲得大約150,000個數據點或測量位置，”Lambros說。“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，全世界可能只有少數幾個研究小組使用這種技術。

“數字音量關聯程序現在可以在商業上獲得，所以它們可能會變得更加普遍，”他說。“我們已經使用這種技術已有十年了，但這項研究的新穎之處在于，我們應用了這種技術，該技術允許通過內部三維測量電池電極的應變來量化其內部劣化。”