给电池单颗粒配上“专属行车记录仪”，实现充放电全过程单颗粒级“直播”的创新突破！
发布日期：2025-10-11
长期以来，锂电池研发，尤其是快充技术的突破，面临着一个核心痛点：我们难以“看见”电池在工作时内部真正发生了什么。电极材料在充放电过程中的离子迁移、相变反应和结构变化，直接决定了电池的性能、寿命与安全。而这些关键动态发生在纳米-介观的尺度，且处于封闭的电池内部，如同一个无法观测的“黑箱”。
针对这一困境，剑桥大学 Alice J. Merryweather、Christoph Schnedermann 等研究者另辟蹊径，他们创新性的将电荷光度法技术应用于锂电池研究领域。基于此技术，illumion公司研发了高分辨原位电池电荷成像系统illumionOne，成功构建了一个低成本、高通量的单颗粒离子动态追踪平台，成功破解了传统表征技术 “难实时、高成本、低通量” 的行业痛点，为锂电池快充技术研发与材料优化打开全新视野。
illumionOne能帮助研究人员做什么？
实现“所见即所得”的真实工况研究：illumionOne系统允许研究者在电池正常充放电的过程中，以单颗粒分辨率对电极进行实时动态成像。设备可以直观地看到锂离子在单个颗粒中嵌入和脱出的全过程，精准呈现每个颗粒的荷电状态与形貌的局部变化，而非数千个颗粒的平均行为。
解析材料失效的根本机理：电池的失效往往始于个别颗粒，但传统方法只能提供宏观的性能衰减结果，无法定位“罪魁祸首”。电荷光度技术能够精准定位最先失效的颗粒，并实时观察其失效过程（如破裂、锂滞留、相变不均等），从而将材料特性与电极性能及失效机制直接联系起来，为设计更长寿命的电池提供明确方向。
大幅加速研发与测试进程：该平台结构紧凑，易于集成到任何实验室环境中。同时，设备可在一次测试中同步获取单颗粒行为、形貌变化和标准电化学数据，避免了多次繁琐实验，将材料研发周期从“十年级”大幅缩短，实现了真正的高通量筛选与验证。
优化关键工艺：通过直接观察不同充电速率下锂离子在颗粒中的输运行为，研究者可以清晰地看到哪些材料或颗粒结构在高倍率下更容易出现不均匀、副反应或损伤，从而找到“快速充电”与“长使用寿命”之间的最佳平衡点。
illumionOne与其他技术的区别：
illumionOne 的核心技术 “电荷光度法”为电池材料表征工具库填补了一项空白，它与X 射线衍射（XRD，用于获取晶体学信息）、扫描电子显微镜（SEM，用于高分辨率形貌分析）、电化学阻抗谱（EIS，用于界面过程研究）以及拉曼光谱等技术相互补充，能够提供电池实际工作过程中关键的、具有空间分辨能力和时间依赖性的信息。
XRD和电化学分析等技术，仅能大量颗粒的平均数据。然而，在电池电极材料中：
a. 并非所有颗粒都以相同速率进行充放电
b. 有些颗粒的降解速度比其他颗粒更快
c. 失效往往先从特定颗粒开始，随后才扩散开来
如果没有单颗粒分辨率，这些不均匀性将无法被观测到。当电池失效时，传统测量仅能表征容量已经衰减或阻抗有所增加，但很少能揭示其原因。借助基于电荷光度法的illumionOne，研究者可以直接观察到循环过程中哪些颗粒先出现破裂，识别出脱锂速度过快的颗粒，还能在单颗粒层面实时观察相变过程。在电池进行动态循环时，电荷光度法能同时追踪颗粒的荷电状态和形貌变化。这意味着，用户不仅能观测到非原位技术无法探测到的瞬态现象，还能建立循环过程中电化学状态与结构演变之间的直接关联。这些见解将材料特性与电极性能及失效机制直接联系起来。
什么是电荷光度技术？—基于反射散射光的实时观测
电荷光度技术可实时观察工作状态下电池内部单个颗粒的充放电过程。不同于传统方法只能获取数千个混合颗粒的平均数据，该技术可精准呈现每个颗粒的动态变化，同时还能同步监测电池的电化学性能。
应用案例：
案例研究：钴酸锂（LiCoO₂）双相转变过程中的相边界监测
脱锂：收缩核机制，扩散受限
富锂相中的锂扩散较慢
贫锂相在所有活性表面周围形成
电荷转移速率 > 锂离子扩散速率
锂化：嵌入波机制，电荷转移受限
光散射 ∝ 样品极化率
一个相前沿在颗粒中传播
散射光强度随荷电状态（SoC）变化
图2 脱锂与嵌锂过程中的双相相变行为
Merryweather et al., Nature (2021)
案例研究：NMC（Ni₀.₈Mn₀.₁Co₀.₁O₂）单晶颗粒，表征电极荷电状态（SoC）的非均一性
颗粒间（脱）嵌锂速率存在差异
在更高充电速率下，观察到更显著的非均一性
样本中（脱）嵌锂速率性能的比较
Xu et al., Joule (2022)
案例研究：NWO（Nb₁₄W₃O₄₄）高倍率负极，监测开裂现象与惰性颗粒
快速脱锂过程中观察到的颗粒开裂现象
在电绝缘的颗粒碎片中检测到滞留锂，导致容量损失
对多轮循环过程中颗粒群体的开裂现象进行追踪，并将其与形貌特征相关联
Merryweather et al., Nature Materials (2022)
动态数据展示：
通过光强度跟踪电荷状态
颗粒光强度的变化可追踪局部荷电状态的变化
在多颗粒或单颗粒层面捕捉荷电状态的变化
电极均一性观测
高镍 NMC 活性颗粒间的充 / 放电速率差异
在 2C的充电倍率下，颗粒 B 的脱锂过程滞后于颗粒 A：颗粒 B 的信号强度开始上升前存在一段延迟，随后其强度增速加快并追上颗粒 A。
这一现象表明，更快的充电倍率会导致电极中相邻活性颗粒的（脱）锂过程不同步，进而使电极的（放）充电速率产生不均匀性。
该分析方法可扩展到对数百个颗粒的研究，从而评估材料的倍率性能。
快充导致（电池）衰减
在锂化过程的最初 60 秒内（以 2C 倍率循环），信号强度梯度沿棒状 NWO 颗粒形成，从颗粒两端开始逐步向中心延伸。此阶段，活性颗粒仍保持机械完整性。
将循环倍率提升至 5C 会引发颗粒快速开裂。与之前类似，沿颗粒会形成离子浓度梯度；但在此情况下，由富锂区域与贫锂区域形成所导致的内部应力与应变，足以使颗粒发生断裂。
部分发表文章
[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
……
部分使用用户
