同一颗粒“前‑中‑后”全周期观测，原位电池电荷成像系统，打通锂电池观测黑箱

发布日期：2026-09-17

导语：

扫描电子显微镜（SEM）能告诉我们电池颗粒"长什么样"，却始终无法回答一个更关键的问题：在真实充放电工况下，同一颗颗粒内部究竟发生了什么。英国剑桥电池表征技术企业illumion Ltd发布创新关联表征工作流，将高分辨原位电池电荷成像系统-illumionONE与扫描电子显微镜（SEM）静态形貌表征深度结合，使科研人员能够在同一颗电池颗粒上，实现对电池同一颗粒循环前、充放电过程中、循环后的完整追踪，为锂电池材料机理研究提供“结构‑电化学行为”一体化分析新范式。

被"平均"掉的微观世界：电池研究中的观测黑箱

长期以来，扫描电子显微镜（SEM）是电池材料研发的核心工具，能够提供颗粒形貌、电极微观结构、裂纹、循环衰减等高分辨率静态图像。但传统SEM仅能完成循环前、循环结束后的非原位观测，无法捕捉电池真实充放电工况下，单颗颗粒内部嵌锂、脱锂、相变演化的动态过程；常规电化学测试仅获得电极整体平均信号，看不到颗粒之间、颗粒内部的反应非均质性，电池微观反应始终存在“观测黑箱”。

illumionONE：把电化学过程"点亮"在单颗粒尺度

illumion公司自研的高分辨原位电池电荷成像系统-illumionONE基于电荷光度技术，在电化学循环过程中，可在单颗粒尺度实时采集局部荷电状态变化。锂离子嵌入或脱出活性颗粒会改变材料光学散射强度，光学信号直接对应颗粒实时锂化状态，无需同步辐射大科学装置，即可在实验室条件下完成operando原位动态成像，实时采集单颗粒尺度的局部荷电状态变化，直观展现相变传播、局部反应异质性等微观过程，捕捉亚秒级离子输运、快充析锂、颗粒膨胀、材料失效等动态行为，填补传统表征手段的短板。

三步工作流：让"同一颗颗粒"开口作证

本次双方联合开发的关联工作流，依靠激光刻蚀基准定位标记，实现多轮实验对完全同一观测区域精准复现定位，整套流程分为三步：

第一步丨利用日立SEM完成循环前电极大视场高分辨成像，建立微观结构基线；

第二步丨将电极组装至illumionONE光学可视扣式电池，开展充放电循环，通过电荷光度法实时记录目标颗粒的嵌脱锂相变动力学；

第三步丨循环结束拆解电池后，再次回到SEM开展失效后（post‑mortem）表征，直接对比颗粒初始形貌、原位电化学响应与循环之后微观结构变化。

电荷光度法‑扫描电镜关联表征工作流程示意图

石墨负极验证：相变自边缘成核，向颗粒中心传播

在石墨负极验证实验中，该工作流完整捕捉石墨颗粒典型阶跃相变全过程。测试清晰观测到：嵌锂相变优先从石墨颗粒暴露边缘成核，再逐步向颗粒中心向内传播，直观揭示颗粒内部显著的锂化空间非均质性，这类局部反应路径信息无法通过普通电化学测试或单纯SEM获得。同时SEM结果证实，该石墨颗粒在多倍率循环后，没有发生明显开裂破碎，实现形貌与电化学数据的一一对应，直接建立微观形貌与电化学性能之间的因果关联。

扫描电镜（SEM）测试结果。(a) 用于在SEM与illumionONE测试间复现定位测量区域的基准标记网格（插图：用于SEM成像的装夹电极）；黄色虚线框标出用于关联分析的石墨颗粒，分别为 (b) 循环前、(c) 循环后（失效态）的观测结果。

专家观点：

illumion联合创始人Dr. Christoph Schnedermann表示：“SEM告诉我们颗粒长什么样，电荷光度法告诉我们颗粒在电池工作时如何‘行动’。这套组合方案最大的价值，就是把静态形貌和原位电化学动力学绑定在同一颗粒上，不再将不同颗粒的数据拼凑推论，帮助科研人员真正理解电极异质性、衰减失效机理，加速新材料筛选与模型仿真验证。该工作流具备通用性，不仅限于石墨负极，同样适用于正极、硅基等各类电池活性材料。”

日立高新产品专家 Hiroyuki Chiba 谈到：“扫描电镜在电池领域应用十分广泛，但静态成像存在天然局限。与illumion电荷光度技术结合，拓展了SEM的能力边界。客户可以沿用现有的日立SEM设备，搭配这套关联实验方案，获得从静态结构到原位动态的多维数据，赋能下一代高性能电池研发。”

目前，该工作流完整应用笔记现已对外公开。整套表征方案面向高校、科研院所与电池企业研发部门，可用于快充机理研究、材料衰减机制解析、电极非均质性评估、电化学仿真模型校验等场景，助力加速储能与动力电池材料创新迭代。

目标石墨颗粒的电荷光度法测试结果。(a、b) C/10 倍率循环下的电化学响应信号与同步采集的电荷光度强度；(c) 代表性电荷光度图像，展现空间非均一嵌锂行为；标记 A‑F 对应图 b 中的各个时间节点。比例尺：10 μm。

电荷光度法：电荷光度技术（Charge‑Photometry）即原位光学散射显微镜技术，由剑桥大学团队开发，依靠材料锂化状态与光学散射信号的对应关系，实现电池充放电工况下，单颗粒内部电荷状态动态成像，捕捉亚秒级离子输运、快充机理、材料失效、颗粒膨胀、相变动力学等微观行为，填补传统表征手段的技术空白，助力新一代高性能锂离子电池机理探索与材料迭代优化。