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Verwenden von 3-D-Röntgenstrahlen zur Messung der Teilchenbewegung in Lithium-Ionen-Batterien
Jun 06, 2018

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Lithium-Ionen-Batterien haben seit ihrer Einführung in den späten 1990er Jahren einen langen Weg zurückgelegt. Sie werden in vielen alltäglichen Geräten verwendet, beispielsweise in Laptop-Computern, Mobiltelefonen und medizinischen Geräten sowie in Automobil- und Raumfahrtplattformen und anderen. Die Leistung der Lithium-Ionen-Batterie kann jedoch im Laufe der Zeit nachlassen, kann sich nach vielen Lade- / Entladezyklen nicht vollständig aufladen und kann sich sogar im Leerlauf schnell entladen. Forscher an der Universität von Illinois wendeten eine Technik an, die eine 3-D-Röntgen-Tomographie einer Elektrode verwendet, um besser zu verstehen, was im Inneren einer Lithium-Ionen-Batterie passiert und schließlich Batterien mit mehr Speicherkapazität und längerer Lebensdauer zu bauen.

 

Einfach gesagt, wenn eine Lithiumbatterie geladen wird, lagern sich Lithiumionen in Wirtspartikel ein , die sich in der Batterieanodenelektrode befinden und dort gespeichert werden, bis sie benötigt werden, um während der Batterieentladung Energie zu erzeugen. Das am häufigsten verwendete Wirtspartikelmaterial in kommerziellen Lithiumionenbatterien ist Graphit. Die Graphitpartikel dehnen sich aus, wenn die Lithiumionen während des Ladens in sie eintreten, und ziehen sich zusammen, wenn die Ionen während des Entladens aus ihnen austreten.

 

"Jedes Mal, wenn eine Batterie geladen wird, dringen die Lithiumionen in den Graphit ein, wodurch er sich um etwa 10 Prozent ausdehnt, was die Graphitpartikel stark belastet", sagte John Lambros, Professor an der Abteilung für Luft- und Raumfahrttechnik Direktor des Advanced Materials Testing and Evaluation Laboratory (AMTEL) in U of I ". Da dieser Expansions-Kontraktionsprozess mit jedem aufeinanderfolgenden Lade-Entlade-Zyklus der Batterie fortfährt, beginnen die Wirtspartikel zu fragmentieren und verlieren ihre Fähigkeit Lithium zu speichern und kann sich auch von der umgebenden Matrix trennen, was zu einem Verlust der Leitfähigkeit führt.

 

"Wenn wir feststellen können, wie die Graphitpartikel im Innern der Elektrode versagen, können wir diese Probleme möglicherweise unterdrücken und lernen, wie sich die Lebensdauer der Batterie verlängert. Wir wollten also in einer funktionierenden Anode sehen, wie sich die Graphitpartikel ausdehnen Wenn das Lithium in sie eindringt, können Sie den Prozess sicherlich passieren lassen und dann messen, wie stark die Elektrode wächst, um die globale Dehnung zu sehen - aber mit den Röntgenstrahlen können wir in die Elektrode schauen und interne lokale Messungen der Ausdehnung bei fortschreitender Lithiierung erhalten. "

 

Das Team baute zuerst eine wiederaufladbare Lithiumzelle, die für Röntgenstrahlen transparent war. Als sie jedoch die funktionierende Elektrode hergestellt haben, haben sie zusätzlich zu den Graphitteilchen einen weiteren Bestandteil zu den Rezept-Zirkoniumdioxid-Teilchen hinzugefügt.

 

"Die Zirkoniumdioxidpartikel sind gegenüber Lithiierung inert; sie absorbieren oder speichern keine Lithiumionen", sagte Lambros. "Für unser Experiment sind die Zirkoniumoxid-Partikel jedoch unentbehrlich: Sie dienen als Marker, die in den Röntgenstrahlen als kleine Punkte auftauchen, die wir dann in nachfolgenden Röntgenaufnahmen verfolgen können, um zu messen, wie stark sich die Elektrode an jedem Punkt in der Zelle verformt hat sein Inneres. "

 

Lambros sagte, dass interne Änderungen des Volumens mit einer digitalen Volumenkorrelationsroutine gemessen werden - einem Algorithmus in einem Computercode, der zum Vergleich der Röntgenbilder vor und nach der Lithiierung verwendet wird.

 

Die Software wurde vor etwa 10 Jahren von Mark Gates, einem Informatik-Doktoranden, der von Lambros kooperiert wird, und von Michael Heath, der an der Abteilung für Informatik der Universität arbeitet, erstellt. Gates verbesserte bestehende DVC-Schemata, indem es einige wichtige Änderungen am Algorithmus vornahm. Anstatt nur sehr kleine Probleme mit einer begrenzten Datenmenge zu lösen, enthält die Version von Gates parallele Berechnungen, die verschiedene Teile des Programms gleichzeitig ausführen und in kurzer Zeit Ergebnisse über eine große Anzahl von Ergebnissen liefern können von Messpunkten.

 

"Unser Code läuft viel schneller und ermöglicht uns nicht nur ein paar Datenpunkte, sondern etwa 150.000 Datenpunkte oder Messstellen innerhalb der Elektrode", sagte Lambros. "Es gibt uns auch eine extrem hohe Auflösung und hohe Wiedergabetreue."

 

Lambros sagte, es gebe wahrscheinlich nur eine Handvoll Forschungsgruppen weltweit, die diese Technik anwenden.

 

"Digital Volume Correlation Programme sind jetzt im Handel erhältlich, so dass sie häufiger werden", sagte er. "Wir verwenden diese Technik nun seit einem Jahrzehnt, aber die Neuheit dieser Studie ist, dass wir diese Technik angewendet haben, die eine interne 3-D-Messung der Belastung funktionierender Batterieelektroden ermöglicht , um deren interne Degradation zu quantifizieren."

 

Die Arbeit, "Dreidimensionale Studie der Chemo-mechanischen Reaktion der Graphit-Composite-Elektrode mit digitaler Volumenkorrelation", wurde gemeinsam verfasst von Joseph F. Gonzalez, Dimitrios A. Antartis, Manue Martinez, Shen J. Dillon, Ioannis Chasiotis und John Lambros. Der Artikel ist in Experimental Mechanics veröffentlicht.