锂离子电池电极中的材料在充电和放电期间膨胀和收缩。这些体积变化会导致颗粒破裂，从而缩短电池寿命。一组ETH和PSI科学家首次使用瑞士光源的X射线断层扫描记录的高分辨率3D电影量化了这种效应。
锂离子电池包含在我们的手机，笔记本电脑和数码相机中。存在很少不依赖于这些能源的便携式电子设备。目前，电池电极含有称为插层化合物的活性材料。这些材料在其化学结构中存储电荷而不会发生显着的结构变化。这使得这些电池相对长寿和安全。然而，插层材料有一个缺点：它们有限的能量密度，它们每体积和质量可以储存的能量。
在寻找更高能量密度的电池方面，科学家们已经用20年多的时间对含有重复合金化和与锂脱合金的材料进行了实验。实验室规模的实验表明，具有这种材料的电池的能量密度是插层材料的数倍; 然而，这些合金材料尚未在工业中被开发，因为它们的寿命有限。Martin Ebner，博士 信息技术与电气工程系(D-ITET)纳米电子实验室的学生解释说：“它们的容量通常会在几次充电和放电循环后消失。” 这归因于在充电期间电极材料的大量 – 高达三倍的膨胀。在卸货期间，材料再次收缩，但是没有达到原来的状态。电极颗粒破裂，电极结构崩解，碎片与细胞的其余部分松散接触。
电池在运行期间进行X光检查
为了更好地理解电极的这种复杂的电化学和机械降解，并深入了解如何开发出更好的电池，Martin Ebner和ETH-DTH ITET纳米电子实验室负责人Vanessa Wood教授认识到需要研究电池在操作期间非侵入性地电极。为此，他们转向由ETH-Marco Stampanoni教授开发的成像工具，他在D-ITET的生物医学工程研究所担任教职，此外，他在瑞士光源处运行断层摄影X射线显微镜光束线， Paul Scherrer研究所的同步加速器设施。光谱纯净和强烈的同步加速器X射线辐射使得能够快速采集高分辨率的X射线图像，这些图像可以计算地组装成三维电影。
研究人员观察了电池内部的充电和放电时间超过15小时。他们收集了独特的三维电影，捕捉电池中发生的降解机制，并量化了电极中数千个粒子在每个粒子内发生的过程。这项研究的结果将发表在“ 科学 ”杂志上; Science Express提供在线预印版本。
不可逆转的结构变化
数据表明，由于锂离子的流入导致颗粒体积增加，氧化锡(SnO)颗粒在充电期间膨胀。科学家证明，材料锂化作为核 – 壳过程发生，从粒子表面到核心均匀地进行。经历该反应的材料随储存的电荷线性膨胀。X射线图像显示，充电破坏颗粒结构，不可逆地在颗粒内形成裂缝。“这种裂缝形成并非随意，”埃布纳强调说。裂纹在晶格包含预先存在的缺陷的位置处生长。在放电期间，颗粒体积减小; 然而，材料再次没有达到其原始状态; 因此，这个过程并非完全可逆。
单个颗粒的体积变化驱使整个电极的膨胀从50微米到120微米。然而，在放电期间，电极仅收缩至80微米。电极的这种永久变形表明，将电极保持在一起的聚合物粘合剂尚未针对高体积膨胀材料进行优化。这对于电池性能是至关重要的，因为粘合剂的变形导致单个颗粒与电极断开并且电池失去容量。
除了证明X射线断层扫描显微镜能够深入了解颗粒和电极的形态变化外，研究人员还表明，该技术还可用于获取定量和空间分辨的化学信息。例如，研究人员分析整个电池电极的化学成分，以观察单个粒子水平的锂化动力学差异，并将其与平均粒子行为进行比较。这种方法对于理解颗粒尺寸，形状和电极均匀性对电池性能的影响至关重要。
如果没有瑞士光源的高度先进的X射线断层摄影设置，那么对电池操作的这种见解是不可能的。“直到最近在X射线断层扫描方面取得进展才能实现电池的可视化。由于Stampanoni教授及其团队开发的世界级设施，我们可以在工作中观察电池，”Wood热情地补充道。
晶体材料的替代品
研究人员选择结晶氧化锡作为模型材料，因为它经历了一系列复杂的转换，也存在于其他材料中，从而能够更深入地了解各种电池材料的行为。这些见解为开发耐受体积膨胀的新电极材料和电极结构提供了基础。对于Wood，这项工作的结果表明使用无定形或纳米结构材料而不是结晶材料的好处。“在寻求新材料的同时，还必须牢记，只要能够以低成本大批量生产，它们才具有工业意义。但是，无定形和纳米结构材料为创新提供了充足的机会。” 强调伍德。
