英国illumion公司新推出的高分辨原位电池电荷成像系统 illumionONE，基于电荷光度法，能够在电池循环过程中原位分析单颗粒活性材料在电极上的电荷状态和形态变化，是一款适用于多种电池体系材料研发的强大分析工具。
电荷光度法是一种基于Operando显微成像系统的散射光检测技术，在电化学充放电工作时，入射光聚焦存储或释放金属离子的电池颗粒上，电池活性颗粒中的局部电子浓度随着金属离子存储或释放而变化，从而引起散射光的变化，illumionONE可以有效检测到这种光学变化，因此，illumionONE可以深入了解材料行为与性能之间的联系，从而对电池材料进行精确、有针对性的改进，加快研发速度的同时降低成本。
illumionONE应用领域
✯ 适用于多种电池体系的电池材料研发，电池材料优化，以及电池新材料的筛选。
✯ 在电池工作期间对电极进行成像，以单颗粒分辨率捕捉充电状态和形态的局部变化，因此可深入了解材料行为与性能之间的联系，从而对电池材料进行精确、有针对性的改进，加快研发速度的同时降低成本。
illumionONE设备特点
✯ Operando原位显微观测：实时掌握电极反应的发生位置与过程
- 离子在电极材料中的迁移会改变其电子结构，进而使探测到的散射光强度发生变化；
- 定位性能劣化的颗粒位置；
- 实时追踪正 / 负极材料的老化过程；
- 识别材料降解机制；
- 从活性颗粒层面探究充电速率的限制因素。
✯ 台式实验室专用设备：集成化电化学控制系统，适配实验室桌面操作。
✯ 扣式电池适配结构：光学检测通道设计便捷，易实现光学观测。
✯ 完全集成的电化学控制：同时对电荷分布和电化学性能进行实时分析
✯ 单颗粒分辨率成像：逐个颗粒实时了解电池材料情况
✯ 材料普适性：兼容锂离子电池及非锂离子电池体系。
1. 离子浓度梯度的形成及其导致的容量衰减
图 1：嵌锂接近结束时，从电荷光度法视频中截取的单晶 NMC 颗粒图像。对于 NMC 材料，检测到的光强越高（红色标示），代表材料脱锂程度越高；光强越低（蓝色标示），则代表嵌锂程度越高。可以清晰观察到在嵌锂末期，颗粒内部富锂区与贫锂区的形成过程。
参考文献：Operando visualization of kinetically induced lithium heterogeneities in single-particle layered Ni-rich cathodes. Joule, 2022, 6, 2535-2546.
2. 钠离子动力学与充放电速率差异
图2：电荷光度法可追踪 O3→P3 相变在单个 NFM 颗粒中的传播过程。在 C/10 倍率充电期间拍摄的电荷光度法视频快照显示，相界从颗粒顶部向底部推进。对于该特定颗粒，相变在 5 分钟内完成，时间尺度远短于整体电化学所反映的结果。这凸显了电荷光度法能够捕捉到整体平均分析无法察觉的单颗粒充电差异。
参考文献：Navigating low state of charge phase transitions in layered cathodes for long-life sodium-ion batteries. Energy Environ. Sci., 2025,18, 6032-6042.
3. 锂离子动力学与老化
图 3：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。
参考文献：Operando single-particle imaging reveals that asymmetric ion flux contributes to capacity degradation in aged Ni-rich layered cathodes. Energy Environ. Sci., 2025, 18, 4097-4107.
4. 容量衰减机理推导 —— 力学性能衰减
图4：利用电荷光度法实时观测颗粒开裂过程的连续图像。
图 5：对于 NWO 材料，散射更亮的碎片中含有更高浓度的被捕获锂，Merryweather et al., Nature Materials, 2022.
参考文献：Operando monitoring of single-particle kinetic state-of-charge heterogeneities and cracking in high-rate Li-ion anodes. Nat. Mater., 2022, 21, 1306-1313
1. 电极均一性观测
2. 快充导致（电池）衰减
3. Si体积膨胀观测
4. O3-P3 相界面在单个钠离子 NFM 颗粒中的扩展过程
•Helmholtz Institute (Germany)
•University of Michigan (US)
•University of North Texas (US)
•Chinese Academy of Sciences, Beijing (China)
•Bayreuth University (Germany)
•Birmingham University (UK)
