Las baterías de iones de litio han recorrido un largo camino desde su introducción a fines de la década de 1990. Se usan en muchos dispositivos cotidianos, como computadoras portátiles, teléfonos móviles y dispositivos médicos, así como en plataformas automotrices y aeroespaciales, y otras.Sin embargo, el rendimiento de la batería de iones de litio aún puede decaer con el tiempo, puede no cargarse completamente después de muchos ciclos de carga / descarga, y puede descargarse rápidamente incluso cuando está inactivo. Los investigadores de la Universidad de Illinois aplicaron una técnica usando tomografía de rayos X 3D de un electrodo paraComprenda mejor lo que está sucediendo en el interior de una batería de iones de litio y, en última instancia, construya baterías con más capacidad de almacenamiento y mayor vida útil.
En pocas palabras, cuando se carga una batería de litio, los iones de litio se incrustan en las partículas del huésped que residen en el electrodo del ánodo de la batería y se almacenan allí hasta que sea necesario para producir energía durante la descarga de la batería.las baterías de iones de litio son de grafito. Las partículas de grafito se expanden a medida que los iones de litio ingresan a ellas durante la carga, y se contraen cuando los iones salen de ellas durante la descarga.
"Cada vez que se carga una batería, los iones de litio ingresan al grafito, lo que hace que se expanda en aproximadamente un 10 por ciento de tamaño, lo que ejerce una gran presión sobre las partículas de grafito", dijo John Lambros, profesor del Departamento de AerospaceIngeniería y director del Laboratorio de Pruebas y Evaluación de Materiales Avanzados AMTEL en 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 de almacenarel litio y también puede 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, podríamos suprimir estos problemas y aprender a extender la vida útil de la batería. Por lo tanto, queríamos ver en un ánodo de trabajo cómo funciona el grafitolas partículas se expanden cuando el litio entra en ellas. Ciertamente puede dejar que el proceso suceda 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 comola litiación progresa "
El equipo construyó por primera vez una celda de litio recargable que era transparente a los rayos X. Sin embargo, cuando hicieron el electrodo funcional, además de las partículas de grafito, agregaron otro ingrediente a la receta: partículas de circonia.
"Las partículas de zirconia son inertes a la litiación; no absorben ni almacenan iones de litio", dijo Lambros. "Sin embargo, para nuestro experimento, las partículas de zirconia son indispensables: sirven como marcadores que aparecen como pequeños puntos enlos rayos X que luego podemos rastrear en escaneos de rayos X posteriores para medir la deformación del 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 de I co-asesorado por Lambros y por Michael Heath, quien está en el Departamento de Ciencias de la Computación de la U de I. Gates mejoró los esquemas de DVC existenteshaciendo 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 enpoco tiempo, en una gran cantidad de puntos de medición.
"Nuestro código se ejecuta mucho más rápido y en lugar de 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 altafidelidad."
Lambros dijo que probablemente solo haya un puñado de grupos de investigación en todo el mundo que usen esta técnica.
"Los programas de correlación de volumen digital ahora están disponibles comercialmente, por lo que pueden volverse más comunes", dijo. "Hemos estado usando esta técnica durante una década, pero la novedad de este estudio es que aplicamos esta técnica que permitemedición 3D interna de la tensión de los electrodos de batería en funcionamiento para cuantificar su degradación interna "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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