Le batterie agli ioni di litio hanno fatto molta strada dalla loro introduzione alla fine degli anni '90. Sono utilizzati in molti dispositivi di tutti i giorni, come computer portatili, cellulari, e dispositivi medici, così come piattaforme automobilistiche e aerospaziali, e altri. Però, le prestazioni della batteria agli ioni di litio possono ancora decadere nel tempo, potrebbe non caricarsi completamente dopo molti cicli di carica/scarica, e può scaricarsi rapidamente anche quando è inattivo. I ricercatori dell'Università dell'Illinois hanno applicato una tecnica che utilizza la tomografia a raggi X 3-D di un elettrodo per capire meglio cosa sta succedendo all'interno di una batteria agli ioni di litio e, infine, costruire batterie con maggiore capacità di stoccaggio e maggiore durata.

In poche parole, quando si carica una batteria al litio, gli ioni di litio si incorporano nelle particelle ospiti che risiedono nell'elettrodo anodico della batteria e vengono immagazzinati lì fino a quando non è necessario per produrre energia durante la scarica della batteria. Il materiale particellare ospite più comunemente usato nelle batterie commerciali agli ioni di litio è la grafite. Le particelle di grafite si espandono quando gli ioni di litio vi entrano durante la carica, e si contraggono quando gli ioni escono da loro durante la scarica.

"Ogni volta che si carica una batteria, gli ioni di litio entrano nella grafite, facendolo espandere di circa il 10% in termini di dimensioni, che sollecita molto le particelle di grafite, " disse John Lambros, professore nel Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e direttore dell'Advanced Materials Testing and Evaluation Laboratory (AMTEL) presso l'U of I. "Poiché questo processo di espansione-contrazione continua con ogni successivo ciclo di carica-scarica della batteria, le particelle ospiti iniziano a frammentarsi e perdono la loro capacità di immagazzinare il litio e possono anche separarsi dalla matrice circostante portando alla perdita di conduttività.

"Se possiamo determinare come le particelle di grafite si guastano all'interno dell'elettrodo, potremmo essere in grado di sopprimere questi problemi e imparare come prolungare la durata della batteria. Quindi volevamo vedere in un anodo funzionante come le particelle di grafite si espandono quando il litio vi entra. Puoi certamente lasciare che il processo avvenga e quindi misurare quanto cresce l'elettrodo per vedere la deformazione globale, ma con i raggi X possiamo guardare all'interno dell'elettrodo e ottenere misurazioni locali interne dell'espansione man mano che la litiazione progredisce".

Il team ha prima costruito su misura una cella al litio ricaricabile trasparente ai raggi X. Però, quando hanno realizzato l'elettrodo funzionante, oltre alle particelle di grafite, hanno aggiunto un altro ingrediente alla ricetta:particelle di zirconio.

"Le particelle di zirconia sono inerti alla litiazione; non assorbono né immagazzinano ioni di litio, " Disse Lambros. "Tuttavia, per il nostro esperimento, le particelle di zirconia sono indispensabili:servono come marker che si presentano come piccoli punti nei raggi X che possiamo poi tracciare nelle successive scansioni a raggi X per misurare quanto l'elettrodo si è deformato in ogni punto al suo interno."

Lambros ha affermato che i cambiamenti interni nel volume vengono misurati utilizzando una routine di correlazione del volume digitale, un algoritmo in un codice informatico utilizzato per confrontare le immagini a raggi X prima e dopo la litiazione.

Il software è stato creato circa 10 anni fa da Mark Gates, uno studente di dottorato in informatica U of I co-consultato da Lambros e da Michael Heath, che è in U del Dipartimento di Informatica di I. Gates ha migliorato gli schemi DVC esistenti apportando alcune modifiche critiche all'algoritmo. Piuttosto che essere in grado di risolvere solo problemi su scala molto ridotta con una quantità limitata di dati, La versione di Gates incorpora calcoli paralleli che eseguono diverse parti del programma contemporaneamente e possono produrre risultati in breve tempo, su un gran numero di punti di misura.

"Il nostro codice viene eseguito molto più velocemente e invece di pochi punti dati, ci permette di ottenere circa 150, 000 punti dati, o luoghi di misura, all'interno dell'elettrodo, " Ha detto Lambros. "Ci dà anche una risoluzione estremamente alta e un'alta fedeltà".

Lambros ha affermato che probabilmente ci sono solo una manciata di gruppi di ricerca in tutto il mondo che utilizzano questa tecnica.

"I programmi di correlazione del volume digitale sono ora disponibili in commercio, così possono diventare più comuni, " ha detto. "Usiamo questa tecnica da un decennio ormai, ma la novità di questo studio è che abbiamo applicato questa tecnica che consente la misurazione 3D interna della deformazione degli elettrodi della batteria funzionanti per quantificare il loro degrado interno".

La carta, "Studio tridimensionale della risposta chemio-meccanica dell'elettrodo grafite-composito utilizzando la correlazione del volume digitale, " è stato co-autore di Joseph F. Gonzalez, Dimitrios A. Antartis, Manue Martinez, Shen J. Dillon, Ioannis Chasiotis, and John Lambros. The article is published in Experimental Mechanics .