長(zhǎng)期以來，鋰電池研發(fā)，尤其是快充技術(shù)的突破，面臨著一個(gè)核心痛點(diǎn)：我們難以“看見"電池在工作時(shí)內(nèi)部真正發(fā)生了什么。電極材料在充放電過程中的離子遷移、相變反應(yīng)和結(jié)構(gòu)變化，直接決定了電池的性能、壽命與安全。而這些關(guān)鍵動(dòng)態(tài)發(fā)生在納米-介觀的尺度，且處于封閉的電池內(nèi)部，如同一個(gè)無法觀測(cè)的“黑箱"。

針對(duì)這一困境，劍橋大學(xué) Alice J. Merryweather、Christoph Schnedermann 等研究者另辟蹊徑，他們創(chuàng)新性的將電荷光度法技術(shù)應(yīng)用于鋰電池研究領(lǐng)域。基于此技術(shù)，illumion公司研發(fā)了高分辨原位電池電荷成像系統(tǒng)illumionOne，成功構(gòu)建了一個(gè)低成本、高通量的單顆粒離子動(dòng)態(tài)追蹤平臺(tái)，成功破解了傳統(tǒng)表征技術(shù) “難實(shí)時(shí)、高成本、低通量" 的行業(yè)痛點(diǎn)，為鋰電池快充技術(shù)研發(fā)與材料優(yōu)化打開全新視野。

illumionOne能幫助研究人員做什么？

• 實(shí)現(xiàn)“所見即所得"的真實(shí)工況研究：illumionOne系統(tǒng)允許研究者在電池正常充放電的過程中，以單顆粒分辨率對(duì)電極進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像。設(shè)備可以直觀地看到鋰離子在單個(gè)顆粒中嵌入和脫出的全過程，精準(zhǔn)呈現(xiàn)每個(gè)顆粒的荷電狀態(tài)與形貌的局部變化，而非數(shù)千個(gè)顆粒的平均行為。

• 解析材料失效的根本機(jī)理：電池的失效往往始于個(gè)別顆粒，但傳統(tǒng)方法只能提供宏觀的性能衰減結(jié)果，無法定位“罪魁禍?zhǔn)?。電荷光度技術(shù)能夠精準(zhǔn)定位最先失效的顆粒，并實(shí)時(shí)觀察其失效過程（如破裂、鋰滯留、相變不均等），從而將材料特性與電極性能及失效機(jī)制直接聯(lián)系起來，為設(shè)計(jì)更長(zhǎng)壽命的電池提供明確方向。

• 大幅加速研發(fā)與測(cè)試進(jìn)程：該平臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成到任何實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。同時(shí)，設(shè)備可在一次測(cè)試中同步獲取單顆粒行為、形貌變化和標(biāo)準(zhǔn)電化學(xué)數(shù)據(jù)，避免了多次繁瑣實(shí)驗(yàn)，將材料研發(fā)周期從“十年級(jí)"大幅縮短，實(shí)現(xiàn)了真正的高通量篩選與驗(yàn)證。

• 優(yōu)化關(guān)鍵工藝：通過直接觀察不同充電速率下鋰離子在顆粒中的輸運(yùn)行為，研究者可以清晰地看到哪些材料或顆粒結(jié)構(gòu)在高倍率下更容易出現(xiàn)不均勻、副反應(yīng)或損傷，從而找到“快速充電"與“長(zhǎng)使用壽命"之間的最佳平衡點(diǎn)。

illumionOne與其他技術(shù)的區(qū)別：

illumionOne 的核心技術(shù) “電荷光度法"為電池材料表征工具庫彌補(bǔ)了一項(xiàng)空白，它與X 射線衍射（XRD，用于獲取晶體學(xué)信息）、掃描電子顯微鏡（SEM，用于高分辨率形貌分析）、電化學(xué)阻抗譜（EIS，用于界面過程研究）以及拉曼光譜等技術(shù)相互補(bǔ)充，能夠提供電池實(shí)際工作過程中關(guān)鍵的、具有空間分辨能力和時(shí)間依賴性的信息。

XRD和電化學(xué)分析等技術(shù)，僅能大量顆粒的平均數(shù)據(jù)。然而，在電池電極材料中：

a. 并非所有顆粒都以相同速率進(jìn)行充放電

b. 有些顆粒的降解速度比其他顆粒更快

c. 失效往往先從特定顆粒開始，隨后才擴(kuò)散開來

如果沒有單顆粒分辨率，這些不均勻性將無法被觀測(cè)到。當(dāng)電池失效時(shí)，傳統(tǒng)測(cè)量?jī)H能表征容量已經(jīng)衰減或阻抗有所增加，但很少能揭示其原因。借助基于電荷光度法的illumionOne，研究者可以直接觀察到循環(huán)過程中哪些顆粒先出現(xiàn)破裂，識(shí)別出脫鋰速度過快的顆粒，還能在單顆粒層面實(shí)時(shí)觀察相變過程。在電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)循環(huán)時(shí)，電荷光度法能同時(shí)追蹤顆粒的荷電狀態(tài)和形貌變化。這意味著，用戶不僅能觀測(cè)到非原位技術(shù)無法探測(cè)到的瞬態(tài)現(xiàn)象，還能建立循環(huán)過程中電化學(xué)狀態(tài)與結(jié)構(gòu)演變之間的直接關(guān)聯(lián)。這些見解將材料特性與電極性能及失效機(jī)制直接聯(lián)系起來。

什么是電荷光度技術(shù)？—基于反射散射光的實(shí)時(shí)觀測(cè)

電荷光度技術(shù)可實(shí)時(shí)觀察工作狀態(tài)下電池內(nèi)部單個(gè)顆粒的充放電過程。不同于傳統(tǒng)方法只能獲取數(shù)千個(gè)混合顆粒的平均數(shù)據(jù)，該技術(shù)可精準(zhǔn)呈現(xiàn)每個(gè)顆粒的動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)還能同步監(jiān)測(cè)電池的電化學(xué)性能。

應(yīng)用案例：

案例研究：鈷酸鋰（LiCoO?）雙相轉(zhuǎn)變過程中的相邊界監(jiān)測(cè)

脫鋰：收縮核機(jī)制，擴(kuò)散受限

富鋰相中的鋰擴(kuò)散較慢

貧鋰相在所有活性表面周圍形成

電荷轉(zhuǎn)移速率 > 鋰離子擴(kuò)散速率

鋰化：嵌入波機(jī)制，電荷轉(zhuǎn)移受限

光散射 ∝ 樣品極化率

一個(gè)相前沿在顆粒中傳播

散射光強(qiáng)度隨荷電狀態(tài)（SoC）變化

圖2 脫鋰與嵌鋰過程中的雙相相變行為

Merryweather et al., Nature (2021)

案例研究：NMC（Ni?.?Mn?.?Co?.?O?）單晶顆粒，表征電極荷電狀態(tài)（SoC）的非均一性

顆粒間（脫）嵌鋰速率存在差異

在更高充電速率下，觀察到更顯著的非均一性

樣本中（脫）嵌鋰速率性能的比較

Xu et al., Joule (2022)

案例研究：NWO（Nb??W?O??）高倍率負(fù)極，監(jiān)測(cè)開裂現(xiàn)象與惰性顆粒

快速脫鋰過程中觀察到的顆粒開裂現(xiàn)象

在電絕緣的顆粒碎片中檢測(cè)到滯留鋰，導(dǎo)致容量損失

對(duì)多輪循環(huán)過程中顆粒群體的開裂現(xiàn)象進(jìn)行追蹤，并將其與形貌特征相關(guān)聯(lián)

Merryweather et al., Nature Materials (2022)

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)展示：

通過光強(qiáng)度跟蹤電荷狀態(tài)

顆粒光強(qiáng)度的變化可追蹤局部荷電狀態(tài)的變化

在多顆?；騿晤w粒層面捕捉荷電狀態(tài)的變化

電極均一性觀測(cè)

高鎳 NMC 活性顆粒間的充 / 放電速率差異

在 2C的充電倍率下，顆粒 B 的脫鋰過程滯后于顆粒 A：顆粒 B 的信號(hào)強(qiáng)度開始上升前存在一段延遲，隨后其強(qiáng)度增速加快并追上顆粒 A。

這一現(xiàn)象表明，更快的充電倍率會(huì)導(dǎo)致電極中相鄰活性顆粒的（脫）鋰過程不同步，進(jìn)而使電極的（放）充電速率產(chǎn)生不均勻性。

該分析方法可擴(kuò)展到對(duì)數(shù)百個(gè)顆粒的研究，從而評(píng)估材料的倍率性能。

快充導(dǎo)致（電池）衰減

在鋰化過程的最初 60 秒內(nèi)（以 2C 倍率循環(huán)），信號(hào)強(qiáng)度梯度沿棒狀 NWO 顆粒形成，從顆粒兩端開始逐步向中心延伸。此階段，活性顆粒仍保持機(jī)械完整性。

將循環(huán)倍率提升至 5C 會(huì)引發(fā)顆?？焖匍_裂。與之前類似，沿顆粒會(huì)形成離子濃度梯度；但在此情況下，由富鋰區(qū)域與貧鋰區(qū)域形成所導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力與應(yīng)變，足以使顆粒發(fā)生斷裂。

部分發(fā)表文章

[1]. Nature, 2021, 594, 522-528

[2]. Joule, 2022, 6, 2535-2546

[3]. Nat. Mater., 2022, 21, 1306-1313

[4]. Energy Environ. Sci., 2025,18, 6032-6042

[5]. Energy Environ. Sci., 2025, 18, 4097-4107

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