10 秒级弯曲诱发电池颗粒开裂，《EES Batteries》揭示失效新机制，原位电池电荷成像系统捕获全过程

发布日期：2026-10-23

高倍率快充时，电池负极颗粒内部究竟发生了什么？长期以来，这近乎一个"黑箱"：颗粒内部的锂浓度梯度、晶格应变、弯曲与裂纹，都知道存在，却没人能在真实充放电过程中看清它们的来龙去脉。

近日发表于《EES Batteries》的一项合作研究，打开了这个黑箱。法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学、英国剑桥大学的联合团队，在棒状铌钨氧化物（Nb₁₄W₃O₄₄，NWO）快充负极颗粒的脱锂过程中，直接观测到一次 10 秒内完成、弯曲角度达 2.5° 的极速弯曲，并眼睁睁看着它当场把颗粒"掰"出了裂纹，更意外的是，这类弯曲在慢速嵌锂时竟然是完全可逆的。一弯一裂之间，团队突破性地建立了"颗粒快速弯曲导致开裂"的直接因果证据，也由此提出：晶体弯曲是快充负极力学失效中一条过去被严重低估的路径。

而捕捉到这一切的，正是由剑桥大学衍生企业 Illumion 开发的高分辨原位电池电荷成像系统-illumionONE。在这项研究中，该设备与同步辐射原位微劳厄衍射（µLaue）搭配，illumionONE在实验室里守着颗粒"全程录像"，后者在光束线上解析晶格应变，实现了单颗粒失效的完整闭合证据链。

高分辨原位电池电荷成像系统-illumionONE

难点不在"看见"，而在"一直看着它失效"

研究团队面临的第一道坎，是时间尺度与观测方式的错位。

颗粒弯曲和裂纹萌生是秒级甚至更快的瞬态事件，而它们又嵌套在长达数小时乃至数百圈的充放电循环里。想抓住这样的过程，设备必须同时满足两件事：足够快（亚秒级成像，否则弯曲瞬间即逝）、足够久（连续跟踪完整循环，且对样品无损伤，否则裂纹从何来无从追溯）。

这两条恰好不是传统手段的强项：传统电镜手段难以对充放电全过程进行无损连续观测；同步辐射微劳厄衍射可以获得晶体取向、晶胞参数与亚微米应变，但设备稀缺、机时紧张，无法常态化开展；过去失效分析之所以长期聚焦"浓度梯度致裂"，很大程度上不是因为没有别的机制，而是别的机制根本没机会被看见。

illumionONE恰好补上了这个缺口。基于自研的电荷光度法，这台台式设备无需大型科学装置，在普通实验室即可对真实工况下的单颗粒进行亚秒级、全过程的无损成像，实时捕捉棒状 NWO 颗粒充放电过程中三维形貌、弯曲形变、裂纹产生，同时通过光学散射信号反演单颗粒内部锂浓度分布与局部等效 C‑rate 变化，实现形貌、力学、电化学信息同步采集。

图 1：本研究两大原位表征技术实验原理与原始观测结果。左侧展示 Nb₁₄W₃O₄₄ 晶体结构、原位电化学电池结构；中间为 illumionONE 电荷光度 + 干涉显微镜光路；右侧为同步辐射微劳厄衍射光路；下方展示光学干涉条纹捕捉颗粒弯曲，以及劳厄衍射光斑反映晶体旋转、应变变化。

一弯一裂：两种失效模式被同时"抓现行"

研究发现，NWO 颗粒存在两类弯曲行为：嵌锂末期，无论倍率高低完整颗粒均可发生可逆弯曲；脱锂中期（1.8‑1.9 V）高倍率条件下可发生10秒量级的极速弯曲，最大弯曲角度可达2.5°，快速弯曲直接诱发颗粒开裂。

研究同时区分两种失效模式：一类由快速弯折直接驱动裂纹；另一类是高倍率恒压保持循环中，仅由锂浓度梯度引发开裂，无显著颗粒弯曲。颗粒碎裂之后，不同碎片出现动力学分化，碎片之间锂浓度差可达0.16，碎片局部等效充放电倍率与电极宏观倍率并不一致。

图3 illumionONE 原位光学记录单颗粒完整演化历史。1C 慢循环、5C 快循环条件下，干涉条纹捕捉颗粒弯曲位移；5C 高倍率脱锂阶段观测到 10 s 快速弯曲同步催生 A、B 两条裂纹。

研究提出，颗粒弯曲主要来自两大诱因：一是材料本征晶体缺陷，NWO 晶体内部存在不同尺寸 Wadsley‑Roth 结构块，不同结构块嵌脱锂膨胀、锂扩散速率存在差异，带来颗粒两侧不对称形变；二是颗粒与导电碳网络接触不均匀，造成颗粒两侧嵌脱锂不同步，诱发弯曲变形。

案例启示

这项研究充分体现电荷光度与干涉成像的特殊价值。同步辐射擅长晶格层面解析，而 illumionONE 可以在普通实验室持续观测颗粒完整生命周期，捕捉瞬态弯曲、裂纹萌生这类动态事件。二者联用，打通‘晶体缺陷‑颗粒形变‑宏观电池衰减’完整证据链。过去我们更多关注浓度梯度致裂；现在证明，晶体弯曲是快充负极力学失效不可忽视的重要路径。”

illumionONE 作为商业化台式原位电池成像平台，依托电荷光度技术，在真实电池工况下实现单颗粒级别原位观测，可同步记录荷电状态演变、颗粒膨胀收缩、弯曲形变、裂纹生成；无电子束损伤风险，适配锂离⼦、钠离⼦等多种电池体系，广泛应用于正负极材料机理研究、快充失效分析、电极配方优化，已经支撑多篇Nature、Nature Materials、Joule高水平论文产出，帮助全球科研机构加速下一代储能材料研发进程。

图4 illumionONE 记录多次 “开裂循环” 时序演化。随循环推进，颗粒不断产生新裂纹，裂纹周边发生局部弯曲，最终颗粒完全碎裂为多个独立片段。

关于 Illumion Ltd

Illumion 是剑桥大学衍生高科技企业，2022 年成立，由 Clare Grey 院士、Akshay Rao 教授、Alice Merryweather 博士、Christoph Schnedermann 博士共同创立，专注电池单颗粒原位光学表征设备开发。核心产品 illumionONE 将电荷光度法与干涉散射成像商业化，让科研人员在普通实验室 “看见” 电池充放电时单颗粒内部离子输运、相变、形变与失效过程，为新能源汽车、大规模储能的电池材料创新提供全新表征工具。