劍橋大學 Alice J. Merryweather、Christoph Schnedermann 等研究者率先將電荷光度法引入鋰電池研究領域，illumion公司在此基礎上成功研發(fā)了高分辨原位電池電荷成像系統(tǒng)illumionOne。該系統(tǒng)構建了一個低成本、高通量的單顆粒離子動態(tài)追蹤平臺，一舉攻克傳統(tǒng)表征技術 “難實時、高成本、低通量” 的行業(yè)瓶頸，為鋰電池快充技術研發(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. 深化對電極材料作用機理的認知

• 繪制顆粒內部離子梯度分布，探究離子傳輸機制，明確容量衰減與倍率性能受限的根源
• 精準定位相變成核與轉變發(fā)生的位置和時機
• 識別顆粒破裂現象及材料退化的誘因
• 實時追蹤循環(huán)過程中單顆粒的體積變化

2. 單次樣品測試可獲取多維度參數：

• 降低實驗復雜度：通過單一系統(tǒng)實時采集電池工作狀態(tài)下的荷電狀態(tài)（SoC）、形貌特征及電化學性能數據
• 提升研究效率

3. 簡化工作流程集成：

• 臺式系統(tǒng)，可在任意實驗室安裝部署
• 操作便捷易用

電荷光度技術：實時觀測單顆粒動態(tài)的創(chuàng)新手段

電荷光度技術以反射散射光為觀測基礎，可實時對工作狀態(tài)下電池內部單個顆粒的充放電過程進行可視化觀測。不同于傳統(tǒng)方法只能獲取數千個混合顆粒的平均數據，該技術可精準呈現每個顆粒的動態(tài)變化，同時同步監(jiān)測電池電化學性能：

將電池電極置于光學可觀測的紐扣電池結構中，在電池循環(huán)過程中，檢測活性顆粒散射的光線；由于光散射強度與樣品極化率成正比，而離子嵌入 / 脫出會引發(fā)極化率的局部變化，因此散射光強度會隨荷電狀態(tài)（SoC）動態(tài)改變，進而實現對單顆粒微觀行為的精準捕捉。

典型應用案例：全新技術在負極材料研究中的實踐價值

1. 顆粒內離子動力學研究

近日，劍橋大學研究團隊借助原位光學散射顯微鏡結合隨機場伊辛模型（RFIM），首次揭示了鋰離子電池核心負極材料— 石墨在稀釋階段的鋰嵌入動力學新機制：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行。這一發(fā)現顛覆了人們對石墨鋰化過程的傳統(tǒng)認知，為設計更高性能、更穩(wěn)定的鋰離子電池提供了全新理論支撐。相關研究成果已發(fā)表于權威學術期刊。

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

為破解這一難題，劍橋大學團隊搭建了一套創(chuàng)新研究體系：采用自主研發(fā)的原位光學散射顯微鏡，構建溫控光學可及扣式電池，以 2Hz 的高幀速率（時間分辨率達亞秒級）直接觀測單個石墨顆粒的鋰化過程。該技術通過光學散射強度的變化實時反映局部鋰化狀態(tài) —— 稀釋階段強度隨鋰嵌入單調下降，且穿透深度精準覆蓋石墨顆粒表層約 100 層晶格，有效規(guī)避了傳統(tǒng)技術的局限性。

實驗示意圖及空間局域離散強度變化的觀測

動態(tài)數據展示

2. 體積膨脹研究

對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
• 驗證循環(huán)過程中顆粒結構完整性是否保持
• 將材料特有的行為與電池級體積變化相關聯

硅基負極：單顆粒體積膨脹與收縮

研究發(fā)現，Si進行碳材料改性后，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

• 實時識別顆粒開裂發(fā)生的位置與時機
• 可視化呈現導致顆粒開裂的顆粒內應力成因：離子濃度梯度的形成、結構變化（例如：相變）

NWO（Nb??W?O??）高倍率負極，監(jiān)測開裂現象與惰性顆粒

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

將循環(huán)倍率提升至 5C 會引發(fā)顆粒快速開裂。與之前類似，沿顆粒會形成離子濃度梯度；但在此情況下，由富鋰區(qū)域與貧鋰區(qū)域形成所導致的內部應力與應變，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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