Les batteries lithium-ion ont parcouru un long chemin depuis leur introduction à la fin des années 1990. Ils sont utilisés dans de nombreux appareils de tous les jours, tels que les ordinateurs portables, téléphones portables, et dispositifs médicaux, ainsi que des plateformes automobiles et aérospatiales, et d'autres. Cependant, les performances de la batterie lithium-ion peuvent encore se dégrader avec le temps, peut ne pas se charger complètement après de nombreux cycles de charge/décharge, et peut se décharger rapidement même au ralenti. Des chercheurs de l'Université de l'Illinois ont appliqué une technique utilisant la tomographie aux rayons X 3D d'une électrode pour mieux comprendre ce qui se passe à l'intérieur d'une batterie lithium-ion et finalement construire des batteries avec une plus grande capacité de stockage et une durée de vie plus longue.

Mettre tout simplement, lorsqu'une batterie au lithium est en charge, les ions lithium s'incorporent dans les particules hôtes qui résident dans l'électrode d'anode de la batterie et y sont stockés jusqu'à ce qu'ils soient nécessaires pour produire de l'énergie pendant la décharge de la batterie. Le matériau particulaire hôte le plus couramment utilisé dans les batteries lithium-ion commerciales est le graphite. Les particules de graphite se dilatent lorsque les ions lithium y pénètrent pendant la charge, et se contractent lorsque les ions les sortent pendant la décharge.

"Chaque fois qu'une batterie est chargée, les ions lithium pénètrent dans le graphite, l'amenant à s'étendre d'environ 10 pour cent en taille, ce qui met beaucoup de stress sur les particules de graphite, " dit John Lambros, professeur au Département de génie aérospatial et directeur du Laboratoire d'essai et d'évaluation des matériaux avancés (AMTEL) à l'Université de l'I. les particules hôtes commencent à se fragmenter et perdent leur capacité à stocker le lithium et peuvent également se séparer de la matrice environnante entraînant une perte de conductivité.

"Si nous pouvons déterminer comment les particules de graphite échouent à l'intérieur de l'électrode, nous pourrons peut-être supprimer ces problèmes et apprendre à prolonger la durée de vie de la batterie. Nous voulions donc voir dans une anode de travail comment les particules de graphite se dilatent lorsque le lithium y pénètre. Vous pouvez certainement laisser le processus se dérouler, puis mesurer la croissance de l'électrode pour voir la déformation globale, mais avec les rayons X, nous pouvons regarder à l'intérieur de l'électrode et obtenir des mesures locales internes de l'expansion au fur et à mesure que la lithiation progresse. »

L'équipe a d'abord construit sur mesure une pile au lithium rechargeable transparente aux rayons X. Cependant, quand ils ont fait l'électrode de fonctionnement, en plus des particules de graphite, ils ont ajouté un autre ingrédient à la recette :des particules de zircone.

« Les particules de zircone sont inertes à la lithiation; elles n'absorbent ni ne stockent les ions lithium, " dit Lambros. " Cependant, pour notre expérience, les particules de zircone sont indispensables :elles servent de marqueurs qui apparaissent sous la forme de petits points dans les rayons X que nous pouvons ensuite suivre lors de balayages radiographiques ultérieurs pour mesurer à quel point l'électrode s'est déformée en chaque point de son intérieur. »

Lambros a déclaré que les changements internes du volume sont mesurés à l'aide d'une routine de corrélation de volume numérique, un algorithme dans un code informatique utilisé pour comparer les images radiographiques avant et après la lithiation.

Le logiciel a été créé il y a environ 10 ans par Mark Gates, un doctorant en informatique de l'U of I co-dirigé par Lambros et par Michael Heath, qui est dans le département d'informatique de l'Université de I. Gates a amélioré les schémas DVC existants en apportant des modifications critiques à l'algorithme. Plutôt que de pouvoir résoudre des problèmes à très petite échelle avec une quantité limitée de données, La version de Gates intègre des calculs parallèles qui exécutent différentes parties du programme en même temps et peuvent produire des résultats en peu de temps, sur un grand nombre de points de mesure.

"Notre code s'exécute beaucoup plus rapidement et au lieu de quelques points de données, ça nous permet d'en avoir environ 150, 000 points de données, ou des lieux de mesure, à l'intérieur de l'électrode, " a déclaré Lambros. " Cela nous donne également une résolution et une fidélité extrêmement élevées. "

Lambros a déclaré qu'il n'y avait probablement qu'une poignée de groupes de recherche dans le monde qui utilisent cette technique.

« Les programmes de corrélation de volume numérique sont maintenant disponibles dans le commerce, afin qu'ils puissent devenir plus fréquents, " a-t-il dit. " Nous utilisons cette technique depuis une décennie maintenant, mais la nouveauté de cette étude est que nous avons appliqué cette technique qui permet une mesure interne en 3D de la contrainte aux électrodes de batterie en fonctionnement pour quantifier leur dégradation interne."

Le papier, "Étude tridimensionnelle de la réponse chimio-mécanique de l'électrode composite graphite à l'aide de la corrélation de volume numérique, " a été co-écrit par Joseph F. Gonzalez, Dimitrios A. Antartis, Manue Martinez, Shen J. Dillon, Ioannis Chasiotis, et John Lambros. L'article est publié dans Mécanique expérimentale .