全新電池電荷成像技術(shù)，顆粒膨脹、開裂全程可視化

劍橋大學(xué) Alice J. Merryweather、Christoph Schnedermann 等研究者將電荷光度法引入鋰電池研究領(lǐng)域，illumion公司在此基礎(chǔ)上成功研發(fā)了高分辨原位電池電荷成像系統(tǒng)illumionOne。該系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)低成本、高通量的單顆粒離子動(dòng)態(tài)追蹤平臺(tái)，一舉攻克傳統(tǒng)表征技術(shù) “難實(shí)時(shí)、高成本、低通量" 的行業(yè)瓶頸，為鋰電池快充技術(shù)研發(fā)與材料優(yōu)化打開全新視野。

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核心功能賦能電池材料深度研究：

1. 深化對(duì)電極材料作用機(jī)理的認(rèn)知

• 繪制顆粒內(nèi)部離子梯度分布，探究離子傳輸機(jī)制，明確容量衰減與倍率性能受限的根源

• 精準(zhǔn)定位相變成核與轉(zhuǎn)變發(fā)生的位置和時(shí)機(jī)

• 識(shí)別顆粒破裂現(xiàn)象及材料退化的誘因

• 實(shí)時(shí)追蹤循環(huán)過程中單顆粒的體積變化

2. 單次樣品測(cè)試可獲取多維度參數(shù)：

• 降低實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度：通過單一系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集電池工作狀態(tài)下的荷電狀態(tài)（SoC）、形貌特征及電化學(xué)性能數(shù)據(jù)

• 提升研究效率

3. 簡(jiǎn)化工作流程集成：

• 臺(tái)式系統(tǒng)，可在任意實(shí)驗(yàn)室安裝部署

• 操作便捷易用

電荷光度技術(shù)：實(shí)時(shí)觀測(cè)單顆粒動(dòng)態(tài)的創(chuàng)新手段

電荷光度技術(shù)以反射散射光為觀測(cè)基礎(chǔ)，可實(shí)時(shí)對(duì)工作狀態(tài)下電池內(nèi)部單個(gè)顆粒的充放電過程進(jìn)行可視化觀測(cè)。不同于傳統(tǒng)方法只能獲取數(shù)千個(gè)混合顆粒的平均數(shù)據(jù)，該技術(shù)可精準(zhǔn)呈現(xiàn)每個(gè)顆粒的動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)同步監(jiān)測(cè)電池電化學(xué)性能：

將電池電極置于光學(xué)可觀測(cè)的紐扣電池結(jié)構(gòu)中，在電池循環(huán)過程中，檢測(cè)活性顆粒散射的光線；由于光散射強(qiáng)度與樣品極化率成正比，而離子嵌入 / 脫出會(huì)引發(fā)極化率的局部變化，因此散射光強(qiáng)度會(huì)隨荷電狀態(tài)（SoC）動(dòng)態(tài)改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)單顆粒微觀行為的精準(zhǔn)捕捉。

典型應(yīng)用案例：全新技術(shù)在負(fù)極材料研究中的實(shí)踐價(jià)值

1. 顆粒內(nèi)離子動(dòng)力學(xué)研究

近日，劍橋大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)借助原位光學(xué)散射顯微鏡結(jié)合隨機(jī)場(chǎng)伊辛模型（RFIM），揭示了鋰離子電池核心負(fù)極材料— 石墨在稀釋階段的鋰嵌入動(dòng)力學(xué)新機(jī)制：鋰離子并非連續(xù)嵌入石墨晶格，而是以 “雪崩式" 局域化快速填充的方式進(jìn)行。這一發(fā)現(xiàn)改變了人們對(duì)石墨鋰化過程的傳統(tǒng)認(rèn)知，為設(shè)計(jì)更高性能、更穩(wěn)定的鋰離子電池提供了全新理論支撐。相關(guān)研究成果已發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊。

此前，研究人員僅能通過電化學(xué)方法或 X 射線、中子衍射等技術(shù)間接推測(cè)稀釋階段的行為，但這些方法要么時(shí)空分辨率不足，要么易對(duì)樣品造成光束損傷，無法精準(zhǔn)捕捉單顆粒層面的微觀動(dòng)態(tài)。

為破解這一難題，劍橋大學(xué)團(tuán)隊(duì)搭建了一套創(chuàng)新研究體系：采用自主研發(fā)的原位光學(xué)散射顯微鏡，構(gòu)建溫控光學(xué)可及扣式電池，以 2Hz 的高幀速率（時(shí)間分辨率達(dá)亞秒級(jí)）直接觀測(cè)單個(gè)石墨顆粒的鋰化過程。該技術(shù)通過光學(xué)散射強(qiáng)度的變化實(shí)時(shí)反映局部鋰化狀態(tài) —— 稀釋階段強(qiáng)度隨鋰嵌入單調(diào)下降，且穿透深度精準(zhǔn)覆蓋石墨顆粒表層約 100 層晶格，有效規(guī)避了傳統(tǒng)技術(shù)的局限性。

實(shí)驗(yàn)示意圖及空間局域離散強(qiáng)度變化的觀測(cè)

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)展示

2. 體積膨脹研究

對(duì)比不同膨脹抑制策略的有效性

• 追蹤并量化循環(huán)過程中的顆粒體積變化

• 驗(yàn)證循環(huán)過程中顆粒結(jié)構(gòu)完整性是否保持

• 將材料的行為與電池級(jí)體積變化相關(guān)聯(lián)

硅基負(fù)極：?jiǎn)晤w粒體積膨脹與收縮

研究發(fā)現(xiàn)，Si進(jìn)行碳材料改性后，在嵌鋰過程中體積膨脹 41%，并在脫鋰過程中收縮至原始尺寸，這表明其具有良好的可逆性。

3. 顆粒降解研究

明確顆粒開裂的成因

• 實(shí)時(shí)識(shí)別顆粒開裂發(fā)生的位置與時(shí)機(jī)

• 可視化呈現(xiàn)導(dǎo)致顆粒開裂的顆粒內(nèi)應(yīng)力成因：離子濃度梯度的形成、結(jié)構(gòu)變化（例如：相變）

NWO（Nb??W?O??）高倍率負(fù)極，監(jiān)測(cè)開裂現(xiàn)象與惰性顆粒

在鋰化過程的最初 60 秒內(nèi)（以 2C 倍率循環(huán)），信號(hào)強(qiáng)度梯度沿棒狀 NWO 顆粒形成，從顆粒兩端開始逐步向中心延伸。此階段，活性顆粒仍保持機(jī)械完整性。

將循環(huán)倍率提升至 5C 會(huì)引發(fā)顆?？焖匍_裂。與之前類似，沿顆粒會(huì)形成離子濃度梯度；但在此情況下，由富鋰區(qū)域與貧鋰區(qū)域形成所導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力與應(yīng)變，足以使顆粒發(fā)生斷裂

部分發(fā)表文章

Nature, 2021, 594, 522-528
Joule, 2022, 6, 2535-2546
Nat. Mater., 2022, 21, 1306-1313
Energy Environ. Sci., 2025,18, 6032-6042

Energy Environ. Sci., 2025, 18, 4097-4107

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