锂离子电池自上世纪90年代末问世以来，已经取得了长足的进步。它们被广泛应用于许多日常设备中，如笔记本电脑、手机和医疗设备，甚至被应用于汽车和航空航天领域。但是，锂离子电池锂的性能会随着时间发生衰减，甚至经过多次充放电循环后无法充满电，而且闲置的电池也会发生自放电。

为了更好地了解锂离子电池内部电化学反应过程，最终生产出更高存储容量和更长寿命的锂电池，来自伊利诺伊大学的研究人员采用了一种电极3D X射线断层扫描的技术。(实验力学，“利用数字体积相关的石墨复合电极化学-机械响应的三维研究”)

伊利诺伊大学的研究人员正在研究如何延长锂离子电池的使用寿命。(图片来源：伊利诺伊大学航空航天工程系)

简而言之，就是当锂电池正在充电时，锂离子将其自身嵌入在电池阳极电极中的主体颗粒中，并存储在那里直到电池放电期间才会脱出主体颗粒。商用锂离子电池中最常用的主体颗粒材料是石墨。石墨颗粒随着锂离子在充电过程中的嵌入而膨胀，并且在放电过程中锂离子脱出而收缩。

伊利诺伊大学航天工程系教授，美国先进材料测试与评估实验室(AMTEL)主任John Lambros说道：“每当电池充电时，锂离子就会嵌入石墨，导致石墨发生约10%的体积膨胀，这使得石墨颗粒产生了较大的应力。随着电池的每个充放电循环过程中石墨颗粒的体积膨胀收缩，这种主体颗粒开始碎裂并逐渐失去其储存锂离子的能力，并且也可能发生主体颗粒与周围的基体分离进而导致导电性的丧失。”

“如果我们能够确定石墨颗粒在电极内部时如何失效的，那么我们就可能找到抑制这些问题的方法，并学会如何延长电池的使用寿命，所以我们希望看到在电池循环工作中当锂离子进入阳极时，阳极石墨颗粒的膨胀变化。你当然可以让这个过程完全发生，然后通过测量电极的膨胀程度以观察全部的应变程度。但通过X射线，我们实时的观测电极内部，并在锂化过程中获得内部局部扩展测量值。”

该团队首先定制了一种可透过X射线的可充电锂电池。但当他们制造功能电极时，除了石墨颗粒之外，他们还在配方中添加了另一种成分——氧化锆颗粒。

“氧化锆颗粒对锂化反应显然是惰性的，它们不吸收或储存任何锂离子，”Lambros说道。“然而，对于我们的实验来说，氧化锆颗粒是不可或缺的：它们作为标记物在X射线中显示为小点，然后我们可以在随后的X射线扫描中跟踪这些点以测量电极在其内部的每个点处变形的程度。”

Lambros表示，体积的内部变化是使用数字体积相关法程序测量的，这是计算机代码中的一种算法程序，用于比较锂化前后的X射线图像。

该软件是Mark Gates在大约10年前编写的，Mark Gates是伊利诺伊大学计算机科学系博士生，他是由计算机科学系的Lambros和Michael Heath共同推荐的博士。通过对算法进行一些关键性的改变，Gates改进了现有的数字体积相关法方案。Gates改进的版本不仅能够用有限的数据量解决非常小的问题，而且还可以进行并行计算，可以同时运行程序的不同部分，并可在短时间内在大量测量点上生成结果。

“我们的代码运行速度很快，它使我们不仅仅局限于测量几个数据点，而是能够在电极内获得大约150,000个数据点或测量位置，”Lambros说。“同时，它也为我们提供了极高的分辨率和保真度。”

Lambros说，全世界可能只有少数几个研究小组使用这种技术。

他接着说：“数字体积相关法程序现在可以通过商业方式获得，所以它们可能会变得更加普遍，我们使用这种技术已经有十年了，但这项研究的新颖之处仍然在于我们应用了这种技术，该技术允许通过内部三维测量电池电极的应变来进一步量化电池内部衰退程度。”