登載 EES、Nat. Mater.！原位電池電荷成像系統(tǒng)，實時捕獲單顆粒失效機理！

在電池技術全面滲透消費電子、新能源汽車等領域的當下，更快充電、更高容量、更長壽命成為行業(yè)核心訴求。傳統(tǒng)分析表征技術雖然能識別電池整體的性能衰減，卻難以捕獲單個活性顆粒的降解機制。而單個電極顆粒所處的局部環(huán)境、應力和電化學條件存在顯著差異，直接影響電池失效模式。若能觀測單顆粒級別的原位變化過程，將加速電池研發(fā)進程。

針對這一技術空白，劍橋大學研究人員開發(fā)了高分辨原位電池電荷成像系統(tǒng)illumionONE，以變革性的電荷光度法技術，實現(xiàn)了單顆粒水平材料降解的實時可視化，為電池研發(fā)提供了一種全新的觀測維度，破解了傳統(tǒng)技術的觀測瓶頸。

高分辨原位電池電荷成像系統(tǒng)-illumionONE

設備核心優(yōu)勢：四大特性重構全新觀測邏輯

實時深度洞察，捕捉瞬態(tài)動態(tài)

illumionONE 如同 “超高速度的顯微鏡”，可同步追蹤電池工作時顆粒的荷電狀態(tài)與形貌變化。其成像技術能精準捕捉 1 分鐘內發(fā)生的快速動態(tài)過程，包括形貌演變、離子運輸、相變等非平衡過程，這些瞬態(tài)變化是傳統(tǒng)技術無法企及的。

簡易的原位成像，降低研究門檻

無需復雜樣品制備，即可輕松洞悉材料變化的具體過程、關鍵位置與時間節(jié)點。簡化的操作流程讓常規(guī)實驗室無需專業(yè)團隊，也能開展高水平原位觀測研究。

材料普適性強，覆蓋多元體系

兼容鋰離子電池及鈉離子電池等新興電池化學體系，打破了專項觀測設備的應用局限，為不同類型電池的研發(fā)提供統(tǒng)一高效的分析工具。

緊湊的臺式系統(tǒng)，適配常規(guī)場景

采用緊湊化臺式結構，無需特殊實驗室改造，可直接融入現(xiàn)有研發(fā)環(huán)境，大幅降低設備部署與使用成本。

實證案例：高水平文獻驗證技術價值

Energy Environ. Sci.：鈉離子電池正極NFM (NaNi_0.33Fe_0.33Mn_0.33O₂)相變研究

常規(guī)的相變表征方法（如XRD）只能觀測活性顆粒的集體行為，表明 NFM材料相變發(fā)生在幾個小時內。而illumionONE提供了單顆粒級別的實時觀測視角。下圖展示了C/10慢速充電條件下的原位電荷光度法圖像，結果表明，在某些粒子中，相變可以在幾分鐘內發(fā)生，而這種行為是常規(guī)方法無法觀測到的。

參考：NFM data in the figures above and below were captured in collaboration with Professor Chao Xu, Shanghai Tech University

在近期發(fā)表的Energy Environ. Sci.中，研究人員通過illumionONE觀察了在較快的充電速率 （1C）下電池內部活性顆粒的實時圖像，如下圖所示，充電到A點時顆粒完整，到B點時出現(xiàn)斷裂，捕獲了斷裂發(fā)生的確切時間點和電化學條件。開裂發(fā)生于O3-P3 兩相共存區(qū)內，表明兩相的結構差異導致晶粒內部開裂。

Nat. Mater.：鋰離子電池負極Nb₁₆W₅O₅₅（NWO）快充研究

活性顆粒原位體積伸縮：

如下圖所示，在鋰化過程中，NWO顆粒最初會變得略暗，然后散射強度逐漸增加；而在脫鋰過程中，強度變化趨勢相反。除亮度變化外，鋰化還導致顆粒沿c軸（即長軸方向）發(fā)生顯著的體積膨脹，而脫鋰過程中則發(fā)生相反的變化。據(jù)此，可實現(xiàn)在單粒子水平上定量監(jiān)測鋰濃度的變化。

顆粒破裂機理：

充放電循環(huán)過程中，沿顆粒形成離子濃度梯度。在5C倍率的快充條件下，由富鋰和貧鋰結構域的形成引起的內應力和應變足以使顆粒斷裂。顆粒斷裂會耗盡鋰庫存，從而導致容量損失。下圖顯示了脫鋰電極的圖像，其中斷裂的顆粒含有更亮的碎片，表明它們含有捕獲的鋰，這意味著它們已與電極的其余部分斷連，最終導致容量損失。

高通量觀測：

將電池在5C和20C倍率下進行快速脫鋰的連續(xù)“開裂循環(huán)”，并同時觀察數(shù)百個顆粒。如下圖所示，最初，裂紋顆粒的數(shù)量隨著每個連續(xù)的5C循環(huán)而增加，在第五個循環(huán)后逐漸達到平臺期。然而，當脫鋰速率提高到20C時，觀察到裂紋顆粒急劇上升，表明快速脫鋰會顯著加速顆粒破碎。除了裂紋檢測外，還可以從光學圖像中提取形態(tài)參數(shù)，例如顆粒長度和寬度。較長長度（>3 μm）的NWO顆粒更容易開裂（開裂與顆粒寬度之間沒有相關性）。這些信息為優(yōu)化顆粒形態(tài)提供了參考依據(jù)，以降低顆粒在更快充電速率下降解的可能性。

參考文獻：

[1]. Navigating low state of charge phase transitions in layered cathodes for long-life sodium-ion batteries, Energy Environ. Sci., 2025

[2]. Operando monitoring of single-particle kinetic state-of-charge heterogeneities and cracking in high-rate Li-ion anodes, Nat. Mater., 2022