Energy Environ. Sci. & Joule重磅成果，揭秘锂电池衰减机制，原位电池电荷成像系统助力高稳定锂电研发
发布日期：2026-05-07
在新能源汽车与储能产业高速发展的背景下，高能量密度镍基正极材料的性能瓶颈与寿命短板，已成为制约锂电池技术迭代的核心痛点。illumion公司自主研发的高分辨原位电池电荷成像系统illumionOne光学表征设备，依托创新的电荷光度法，实现单颗粒尺度下锂电池关键动态过程的实时可视化观测，为破解电池容量衰减机理、加速下一代高性能电池研发提供了革命性表征解决方案。
illumionOne核心技术优势
illumionOne 搭载的电荷光度法，突破传统表征技术局限，具备两大颠覆性能力：
单颗粒级动态可视化：突破宏观表征的空间分辨率限制，实现纳米尺度锂离子传输行为的毫秒级实时追踪，可精准捕捉颗粒内部锂离子浓度梯度演化，完整还原电池充放电过程中的微观动力学细节。
无损原位表征能力：无需复杂样品前处理，规避同步辐射等技术的光束损伤与束流时间限制，可在电池真实工作状态下完成测试，保障实验数据的真实性与可靠性。
高分辨原位电池电荷成像系统-illumionONE
关键科研突破：精准定位锂电池容量衰减根源
富镍层状（NMC）正极材料因高能量密度、高性价比成为电动汽车与储能锂电池的主流选择，但其首圈不可逆容量损失率居高不下、长期循环稳定性差的问题，始终是制约锂电研究的关键瓶颈。此前，传统表征技术如 XRD 仅能实现宏观整体样品测量，无法空间分辨单颗粒尺度的锂离子传输行为；同步辐射等高端技术则存在时间有限、易造成样品损伤的缺陷，锂异质性的形成机制始终处于研究盲区。而电荷光度法的出现，彻底打破了这一技术桎梏，凭借其原位、无损、单颗粒分辨的优势，成为破解锂电核心痛点的关键利器。
研究团队依托该设备在知名期刊发表两项重磅成果，突破性的从单颗粒层面揭示了富镍层状正极（NMC）容量衰减与首圈不可逆损失的核心机制。
1．Energy Environ. Sci. 非对称离子流诱导老化 NMC 正极容量衰减
电荷光度法基于NMC材料锂含量与介电特性的关联，将光学信号变化转化为锂离子分布的实时可视化信号，实现毫秒级时间分辨率与单颗粒空间分辨率的双重突破。
新鲜 NMC 颗粒：脱锂初期呈对称 “收缩核” 行为，锂贫区由颗粒表面均匀向核心扩散；
老化 NMC 颗粒：经 200 次循环后，锂离子浓度梯度呈现显著不对称，锂富核心偏离颗粒质心，该现象占比达 71%；
衰减机理：颗粒表面形成不均匀岩盐相层，厚岩盐层（约 4 nm）严重阻碍锂离子传输，薄 / 无岩盐层区域保持高离子通量，结构异质性最终引发容量衰减，高倍率工况下加剧。
脱锂初期从电荷光度法视频中截取的 NMC 单晶颗粒快照显示，新鲜 NMC 活性颗粒（a、b）呈现对称脱锂行为（红色表示归一化光强变化更高，即脱锂程度更高）。相比之下，老化后的 NMC 活性颗粒（c、d）脱锂行为不对称。
参考：Energy Environ. Sci., 2025, 18, 4097–4107
2．Joule 动力学诱导锂异质性是首圈容量损失主因
以 LiNi₀.₈₇Mn₀.₀₅Co₀.₀₈O₂单晶颗粒为研究对象，结合电荷光度法、固态核磁共振（ssNMR）与有限元建模，构建了从微观动态观测到机理模拟验证的完整研究体系，颠覆单颗粒均匀脱嵌锂的传统认知。
充电初期：全锂化状态下锂扩散系数极低（≈10⁻¹⁴ cm²/s），锂离子由颗粒外围优先脱嵌，形成 “锂贫外壳 - 锂富核心” 的核壳结构，该异质性为动力学控制而非热力学相分离；
放电末期：低锂扩散系数与慢电荷转移动力学叠加，颗粒表面快速锂饱和，阻碍锂离子向核心嵌入，导致核心嵌锂不完全，直接造成首圈不可逆容量损失；
实验验证：C/3 倍率下库伦效率仅 84.0%；放电末期 3 V 恒压持压 2 h，额外释放 16.4 mAh/g 容量，库伦效率提升至 91.2%，颗粒内锂分布恢复均匀，直观证实动力学限制为核心影响因素。
参考：Joule, 2022, 6, 2535-2546
技术价值与应用价值
相较于 XRD、同步辐射、非原位表征等传统手段，基于电荷光度法的illumionOne 兼具原位无损、实时动态、单颗粒分辨、操作便捷四大核心优势，为电池材料研发提供全新解决方案：
无需高真空与复杂制样，适配电池真实工况，无样品损伤；
毫秒级时间分辨率，捕捉充电初期、放电末期等瞬态锂异质性，填补非原位技术观测空白；
单颗粒空间分辨率，实现锂离子分布微观可视化，突破宏观整体测试的局限性；
摆脱同步辐射束流时间限制，支持实验室规模化、常态化材料研发与机理研究。
illumionOne 以突破性表征能力，深化锂电池衰减机制科学认知，为高能量密度、长循环寿命锂电池材料的开发与优化提供关键技术支撑，全面推动储能与新能源汽车产业的技术革新。
样机体验，解锁前沿研发技术
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