登载 EES、Nat. Mater.！原位电池电荷成像系统，实时捕获单颗粒失效机理，推动电池研发进程
发布日期：2025-11-12
在电池技术全面渗透消费电子、新能源汽车等领域的当下，更快充电、更高容量、更长寿命成为行业核心诉求。传统分析表征技术虽然能识别电池整体的性能衰减，却难以捕获单个活性颗粒的降解机制。而单个电极颗粒所处的局部环境、应力和电化学条件存在显著差异，直接影响电池失效模式。若能观测单颗粒级别的原位变化过程，将加速电池研发进程。
针对这一技术空白，剑桥大学研究人员开发了高分辨原位电池电荷成像系统illumionONE，以变革性的电荷光度法技术，实现了单颗粒水平材料降解的实时可视化，为电池研发提供了一种全新的观测维度，破解了传统技术的观测瓶颈。
高分辨原位电池电荷成像系统-illumionONE
设备核心优势：四大特性重构全新观测逻辑
实时深度洞察，捕捉瞬态动态
illumionONE 如同 “超高速度的显微镜”，可同步追踪电池工作时颗粒的荷电状态与形貌变化。其成像技术能精准捕捉 1 分钟内发生的快速动态过程，包括形貌演变、离子运输、相变等非平衡过程，这些瞬态变化是传统技术无法企及的。
简易的原位成像，降低研究门槛
无需复杂样品制备，即可轻松洞悉材料变化的具体过程、关键位置与时间节点。简化的操作流程让常规实验室无需专业团队，也能开展高水平原位观测研究。
材料普适性强，覆盖多元体系
兼容锂离子电池及钠离子电池等新兴电池化学体系，打破了专项观测设备的应用局限，为不同类型电池的研发提供统一高效的分析工具。
紧凑的台式系统，适配常规场景
采用紧凑化台式结构，无需特殊实验室改造，可直接融入现有研发环境，大幅降低设备部署与使用成本。
实证案例：高水平文献验证技术价值
Energy Environ. Sci.：钠离子电池正极NFM (NaNi0.33Fe0.33Mn0.33O2)相变研究
常规的相变表征方法（如XRD）只能观测活性颗粒的集体行为，表明 NFM材料相变发生在几个小时内。而illumionONE提供了单颗粒级别的实时观测视角。下图展示了C/10慢速充电条件下的原位电荷光度法图像，结果表明，在某些粒子中，相变可以在几分钟内发生，而这种行为是常规方法无法观测到的。
参考：NFM data in the figures above and below were captured in collaboration with Professor Chao Xu, Shanghai Tech University
在近期发表的Energy Environ. Sci.中，研究人员通过illumionONE观察了在较快的充电速率 （1C）下电池内部活性颗粒的实时图像，如下图所示，充电到A点时颗粒完整，到B点时出现断裂，捕获了断裂发生的确切时间点和电化学条件。开裂发生于O3-P3 两相共存区内，表明两相的结构差异导致晶粒内部开裂。
Nat. Mater.：锂离子电池负极Nb16W5O55（NWO）快充研究
活性颗粒原位体积伸缩：
如下图所示，在锂化过程中，NWO颗粒最初会变得略暗，然后散射强度逐渐增加；而在脱锂过程中，强度变化趋势相反。除亮度变化外，锂化还导致颗粒沿c轴（即长轴方向）发生显著的体积膨胀，而脱锂过程中则发生相反的变化。据此，可实现在单粒子水平上定量监测锂浓度的变化。
颗粒破裂机理：
充放电循环过程中，沿颗粒形成离子浓度梯度。在5C倍率的快充条件下，由富锂和贫锂结构域的形成引起的内应力和应变足以使颗粒断裂。颗粒断裂会耗尽锂库存，从而导致容量损失。下图显示了脱锂电极的图像，其中断裂的颗粒含有更亮的碎片，表明它们含有捕获的锂，这意味着它们已与电极的其余部分断连，最终导致容量损失。
高通量观测：
将电池在5C和20C倍率下进行快速脱锂的连续“开裂循环”，并同时观察数百个颗粒。如下图所示，最初，裂纹颗粒的数量随着每个连续的5C循环而增加，在第五个循环后逐渐达到平台期。然而，当脱锂速率提高到20C时，观察到裂纹颗粒急剧上升，表明快速脱锂会显著加速颗粒破碎。除了裂纹检测外，还可以从光学图像中提取形态参数，例如颗粒长度和宽度。较长长度（>3 μm）的NWO颗粒更容易开裂（开裂与颗粒宽度之间没有相关性）。这些信息为优化颗粒形态提供了参考依据，以降低颗粒在更快充电速率下降解的可能性。
参考文献：
[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
