剑桥重磅Nature：用原位电池电荷成像系统，看见石墨负极嵌锂“雪崩效应”！

发布日期：2026-08-27

导语

近日，剑桥大学Akshay Rao 教授与 Clare P. Grey 教授团队，联合英国法拉第研究所（Faraday Institution）与 illumion 团队，在 Nature 发表题为《Avalanche-like intercalation and intraparticle correlations in graphite》的研究论文（Nature 656, 364–369, 2026），文章依托高分辨原位电池电荷成像系统 illumionONE 的电荷光度技术，创新性的在单颗粒水平捕捉到石墨稀阶嵌锂过程中特殊的“雪崩式”局部相变行为，刷新了学界对石墨嵌锂相变机制的传统认知。

本成果依托的高分辨原位电池电荷成像系统-illumionONE，由剑桥大学研究人员历经多年研发，是一台可在普通实验室直接部署的台式原位光学设备。相较传统依赖大型同步辐射光源或透射电镜的原位表征手段，该设备无需大型基建与大科学装置机时，即可实现单颗粒分辨、亚秒级动态成像；基于光学散射原理，无电子束辐照损伤风险，支持长时间连续原位循环测试；可同步输出颗粒局部荷电状态、形貌膨胀与电化学时序的多维度数据，可覆盖石墨、硅碳复合负极及各类正极材料等多元电池体系。更为关键的是，此技术已在Nature、 Nature Materials、Joule等高水平期刊的多项研究中得到应用，覆盖硅碳复合负极膨胀机理、老化富镍正极容量衰减、钠离子电池正极相变等多元体系与研究方向。

研究背景

锂离子电池石墨负极已大规模产业化三十余年，但颗粒内部、亚秒级的锂嵌脱微观动力学长期以来难以被直接观测。传统XRD、电化学测试获取的是海量颗粒的统计平均信号，只能看到宏观上近似连续的“伪固溶体”相变，无法分辨颗粒内部局部、瞬态反应；而扫描电镜等手段大多只能做非原位观测，难以捕捉充放电过程中毫秒‑秒级的动态演变过程。而illumionONE的出现，正好填补了这一“表征盲区”的空白。

研究进展

电荷光度技术基于光学散射原理：锂离子嵌入石墨会改变材料内部载流子浓度，进而改变材料光学反射与散射强度。光学信号直接对应颗粒局部实时锂化状态，探测深度可达近百层石墨烯，结合高速sCMOS相机，实现2 Hz帧率的亚秒级动态成像，同步采集电化学信号，真正做到电化学与微观光学成像时间同步，在普通实验室即可完成单颗粒原位观测，不依赖大科学装置机时。

图1 实验示意图及空间局域离散强度变化的观测

在本次石墨负极的研究中，技术展现出特殊的科研价值。实验发现，在低锂浓度稀阶嵌锂区间，锂离子并非均匀、连续地填入石墨晶格，也不同于高锂阶段整颗粒传播的两相相变波。取而代之的，是颗粒内部局部微米子区域的“雪崩式（avalanche‑like）”离散台阶式嵌脱锂事件：局部区域在数秒内快速完成锂的填充，大量局部雪崩事件叠加，宏观电化学曲线呈现出类似固溶体的连续变化特征。

研究进一步揭示，该雪崩行为来源于石墨材料本身的静态结构无序（堆叠缺陷、晶界、晶格畸变）。借助 EBSD 晶体学表征，颗粒内部不同子区域的雪崩事件的发生电压、时间分布差异，与局部晶体畸变程度高度相关。团队结合随机场伊辛模型（RFIM）模拟，证实材料无序会破坏层间长程关联，难以形成理想完整的石墨阶结构，形成大量亚稳态局部域，驱动雪崩式的离子嵌脱行为。实验还观测到温度对雪崩统计行为的显著影响，高温下雪崩事件频次提升，还会出现“反向雪崩”—嵌锂过程局部区域发生脱锂，证明体系在多个浅亚稳态之间发生热激活跃迁。

借助像素互相关数据分析方法，电荷光度的时序成像数据还可以挖掘颗粒内部复杂的时空关联特征：不同子区域的雪崩事件存在先后触发的因果联系；短时间延迟以近邻区域协同反应为主，大时间延迟出现跨区域长距离关联，并且嵌锂、脱锂的关联网络呈现明显不对称性，为理解颗粒内部离子输运、非平衡相变提供全新分析维度。

图2.与电池电位相关的光学阶跃变化。

论文作者引述

“过去我们依靠宏观电化学、衍射技术，只能看到数百万颗粒叠加之后的平均结果，颗粒内部这种短暂、局部的雪崩行为，完全被掩盖。电荷光度让我们直接看到单颗粒内部发生了什么。” 

——论文作者 Jiho Han。

参考文献：

[1]. Han, J., Phillips, G.S., Merryweather, A.J. et al. Avalanche-like intercalation and intraparticle correlations in graphite. Nature 656, 364–369 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10862-4