Исследователи из Иллинойского университета использовали трехмерную рентгеновскую томографию, чтобы лучше понять процессы внутри литий-ионных батарей и , возможно, создать в будущем более эффективные и долговечные аккумуляторы.

При зарядке ионы лития встраиваются в частицы-носители анода, где находятся, пока не понадобится энергия. Самым распространенным материалом для их содержания является графит. Его частицы расширяются и сокращаются при входе и выходе ионов, сообщает eurekalert.org.

«Графит увеличивается в размерах примерно на 10%, что оказывает сильное давление на структуру, — сказал профессор Джон Ламброс. – При повторении процесса расширения-сжатия, частицы постепенно разрушаются, теряя способность удерживать ионы. Они также могут оторваться от окружающей матрицы, что ведет к потере проводимости. Если мы поймем, как графит разрушается внутри электрода, то найдем способ продлить срок службы батареи. Чтобы заглянуть в анод и произвести измерения, мы использовали рентгеновские лучи».

Сначала команда создала литиевый аккумулятор, прозрачный для рентгена. В электрод, помимо графита, добавили частицы циркония.

«Этот материал инертен к литию, он не поглощает и не хранит его ионы, — сказал Ламброс. – Циркониевые частицы служили маркером, заметным в рентгеновских лучах и позволяющим измерить деформацию электрода в каждой точке».

Для этого команда использовала алгоритм Digital Volume Correlation. Он сравнивает рентгеновские изображения до и после литиирования. Программа была разработана около 10 лет назад Марком Гейтсом и Майклом Хитом. Авторы улучшили алгоритм, позволив работать не только с небольшими объемами данных за счет параллельных вычислений. Процесс позволяет быстро получать результаты по множеству точек измерений.

«Наш код дает возможность одновременно работать примерно с 150 000 участками в электроде, — сказал Ламброс. – Мы также получаем высокое разрешение и точность».

Выводы проекта представлены в Experimental Mechanics.