Las baterías de iones de litio han recorrido un largo camino desde su introducción a fines de la década de 1990. Se utilizan en muchos dispositivos cotidianos, como computadoras portátiles, teléfonos móviles, y dispositivos médicos, así como plataformas automotrices y aeroespaciales, y otros. Sin embargo, El rendimiento de la batería de iones de litio aún puede decaer con el tiempo, puede que no se cargue completamente después de muchos ciclos de carga / descarga, y puede descargarse rápidamente incluso cuando está inactivo. Investigadores de la Universidad de Illinois aplicaron una técnica que utiliza tomografía de rayos X en 3D de un electrodo para comprender mejor lo que está sucediendo en el interior de una batería de iones de litio y, en última instancia, construir baterías con más capacidad de almacenamiento y una vida útil más prolongada.

En pocas palabras, cuando se carga una batería de litio, Los iones de litio se incrustan en las partículas huésped que residen en el electrodo del ánodo de la batería y se almacenan allí hasta que se necesitan para producir energía durante la descarga de la batería. El material de partículas huésped más comúnmente utilizado en las baterías comerciales de iones de litio es el grafito. Las partículas de grafito se expanden cuando los iones de litio entran en ellas durante la carga, y se contraen cuando los iones salen de ellos durante la descarga.

"Cada vez que se carga una batería, los iones de litio entran en el grafito, haciendo que se expanda en aproximadamente un 10 por ciento en tamaño, que ejerce mucha presión sobre las partículas de grafito, "dijo John Lambros, profesor en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial y director del Laboratorio de Evaluación y Ensayos de Materiales Avanzados (AMTEL) en la U de I. "A medida que este proceso de expansión-contracción continúa con cada ciclo sucesivo de carga-descarga de la batería, las partículas del huésped comienzan a fragmentarse y pierden su capacidad para almacenar el litio y también pueden separarse de la matriz circundante, lo que lleva a una pérdida de conductividad.

"Si podemos determinar cómo fallan las partículas de grafito en el interior del electrodo, es posible que podamos eliminar estos problemas y aprender a extender la vida útil de la batería. Así que queríamos ver en un ánodo de trabajo cómo se expanden las partículas de grafito cuando el litio entra en ellas. Ciertamente puede dejar que suceda el proceso y luego medir cuánto crece el electrodo para ver la tensión global, pero con los rayos X podemos mirar dentro del electrodo y obtener medidas locales internas de expansión a medida que avanza la litiación ".

El equipo construyó por primera vez a medida una celda de litio recargable que era transparente a los rayos X. Sin embargo, cuando hicieron el electrodo funcional, además de partículas de grafito, agregaron otro ingrediente a la receta:partículas de circonio.

"Las partículas de zirconia son inertes a la litiación; no absorben ni almacenan iones de litio, "Lambros dijo." Sin embargo, para nuestro experimento, las partículas de zirconia son indispensables:sirven como marcadores que aparecen como pequeños puntos en los rayos X que luego podemos rastrear en escaneos de rayos X posteriores para medir cuánto se deformó el electrodo en cada punto de su interior ".

Lambros dijo que los cambios internos en el volumen se miden usando una rutina de correlación de volumen digital, un algoritmo en un código de computadora que se usa para comparar las imágenes de rayos X antes y después de la litiación.

El software fue creado hace unos 10 años por Mark Gates, un estudiante de doctorado en ciencias de la computación de la U of I co-asesorado por Lambros y por Michael Heath, que está en el Departamento de Ciencias de la Computación de la U de I. Gates mejoró los esquemas DVC existentes al realizar algunos cambios críticos en el algoritmo. En lugar de solo poder resolver problemas a muy pequeña escala con una cantidad limitada de datos, La versión de Gates incorpora cálculos paralelos que ejecutan diferentes partes del programa al mismo tiempo y pueden producir resultados en poco tiempo. sobre un gran número de puntos de medición.

"Nuestro código se ejecuta mucho más rápido y, en lugar de solo unos pocos puntos de datos, nos permite obtener alrededor de 150, 000 puntos de datos, o ubicaciones de medición, dentro del electrodo, ", Dijo Lambros." También nos da una resolución extremadamente alta y alta fidelidad ".

Lambros dijo que probablemente solo hay un puñado de grupos de investigación en todo el mundo que utilizan esta técnica.

"Los programas de correlación de volumen digital ya están disponibles comercialmente, para que se vuelvan más comunes ", dijo." Hemos estado usando esta técnica durante una década, pero la novedad de este estudio es que aplicamos esta técnica que permite la medición interna en 3-D de la tensión a los electrodos de la batería en funcionamiento para cuantificar su degradación interna ".

El papel, "Estudio tridimensional de la respuesta quimio-mecánica de electrodos compuestos de grafito usando correlación de volumen digital, "fue coautor de Joseph F. González, Dimitrios A. Antartis, Manue martinez Shen J. Dillon, Ioannis Chasiotis, y John Lambros. El artículo se publica en Mecánica experimental .