鋰電池（尤其是快充技術(shù)）性能的突破，核心在于實時掌握真實工況下材料內(nèi)部納米 - 介觀尺度的離子輸運與相變動態(tài)。在此需求下，illumion公司研發(fā)的高分辨原位電池電荷成像系統(tǒng)-illumionONE（基于自研的電荷光度法），成功突破了傳統(tǒng)電池材料表征技術(shù)的局限，實現(xiàn)了電池充放電過程中單顆粒級別的電荷狀態(tài)與形態(tài)變化的實時動態(tài)成像。這一創(chuàng)新技術(shù)不僅將電池材料的研發(fā)周期從“十年級”大幅縮短，更為電池材料的深度研究提供了全新的數(shù)據(jù)維度，成為推動鋰電池技術(shù)革新的關(guān)鍵工具。

劍橋團隊登 Nature，破解行業(yè)痛點

基于illumionONE前沿技術(shù)，劍橋大學(xué) Alice J. Merryweather、Christoph Schnedermann 等研究者以LixCoO2層狀正極材料為例，直接觀測到了絕緣體到金屬轉(zhuǎn)變、固溶體和鋰有序相變，并確定單粒子水平的鋰擴散速率，從而確定了充電和放電過程的不同機制，為鋰電池快充技術(shù)研發(fā)與材料優(yōu)化打開全新視野。該成果以“Operando optical tracking of single-particle ion dynamics in batteries”為題，發(fā)表于Nature期刊上。

該團隊以illumionONE系統(tǒng)構(gòu)建出的低成本、高通量的單顆粒離子動態(tài)追蹤平臺，精準(zhǔn)破解了傳統(tǒng)表征技術(shù)的三大痛點：

• 難實時：無法捕捉電池工作過程中離子遷移與相變的動態(tài)過程；

• 高成本：同步光源、電子顯微鏡等技術(shù)設(shè)備昂貴，且需專業(yè)化電池設(shè)計；

• 低通量：難以同時觀測多個顆粒，且易受光束輻照導(dǎo)致樣品降解。

illumionOne賦能亞 5 nm“超分辨”動態(tài)觀測

illumionOne系統(tǒng)的核心優(yōu)勢源于光學(xué)干涉散射顯微鏡（iSCAT）技術(shù)，其基于可見光彈性散射原理，利用鋰電池正極材料LixCoO2（LCO）中 “鋰含量與電子結(jié)構(gòu)（介電特性）” 的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，通過捕捉顆粒散射光與反射光的干涉信號，實現(xiàn)了對離子動態(tài)的實時量化。該技術(shù)無需光學(xué)吸收，空間精度可達亞 5 nm，且能同時觀測電極中多個顆粒，有效適配實驗室常規(guī)研究場景，為高通量材料篩選奠定基礎(chǔ)。

鈷酸鋰（LCO）電極的電化學(xué)性能及干涉散射顯微鏡表征

充放電相變機制差異：為快充優(yōu)化提供 “精準(zhǔn)靶點”

作為典型的層狀正極材料，LCO的鋰擴散系數(shù)報道差異曾達6個數(shù)量級，單顆粒內(nèi)部的相變機制更是長期不明。借助illumionOne，研究團隊突破性地清晰捕捉到 LCO 單顆粒在充放電過程中的動態(tài)“全景圖”：

在2C充放電速率下，LCO顆粒的iSCAT強度隨脫鋰過程增加1.6倍，嵌鋰時又精準(zhǔn)恢復(fù)，5 次循環(huán)后仍保持優(yōu)異可逆性，證明介電特性變化可精準(zhǔn)“翻譯”（脫）嵌鋰過程。更關(guān)鍵的是，作者發(fā)現(xiàn)脫鋰與嵌鋰的相變機制存在顯著差異：脫鋰時，新相從顆粒邊緣向內(nèi)“收縮生長”，形成環(huán)形相邊界，屬于“擴散限制”機制；而嵌鋰時，新相從單個或少數(shù)成核點向全顆?！安ɡ耸綌U散”，為“電荷轉(zhuǎn)移限制”機制。這種機制差異的根源，在于LCO中富鋰相的鋰擴散系數(shù)遠低于貧鋰相，這一發(fā)現(xiàn)為針對性優(yōu)化快充性能提供了明確的機制指導(dǎo)。

高倍率潛力突破：LCO 本身具備 “超快充” 能力

研究通過提取單個顆粒的倍率性能和相界面移動速度，揭示了LCO的“高倍率潛力”：當(dāng)電極整體以6C速率循環(huán)時，單個 LCO顆粒的雙相轉(zhuǎn)變速率最高可達23C（脫鋰）、13C（嵌鋰），遠超電極平均水平，證明 LCO本身具備優(yōu)異的快充能力，為高倍率鋰電池設(shè)計提供了關(guān)鍵依據(jù)。

脫鋰：收縮核機制，擴散受限

富鋰相中的鋰擴散較慢

貧鋰相在所有活性表面周圍形成

電荷轉(zhuǎn)移速率 > 鋰離子擴散速率

鋰化：嵌入波機制，電荷轉(zhuǎn)移受限

光散射 ∝ 樣品極化率

一個相前沿在顆粒中傳播

散射光強度隨荷電狀態(tài)（SoC）變化

脫鋰與嵌鋰過程中的雙相相變行為

捕捉“疇結(jié)構(gòu)記憶”，為循環(huán)穩(wěn)定性研究添新證

團隊還聚焦于LCO在Li0.5CoO2組成時的鋰有序轉(zhuǎn)變（伴隨晶體結(jié)構(gòu)從菱面體向單斜的轉(zhuǎn)變，直接影響電池循環(huán)穩(wěn)定性），實時捕捉到與單斜晶格畸變相關(guān)的 “疇結(jié)構(gòu)記憶” 現(xiàn)象：

• 首次循環(huán)時，LCO 顆粒為單一單斜疇，強度均勻變化；

• 第 4 次循環(huán)時，顆粒內(nèi)形成三個呈 120° 夾角的微米級單斜疇，疇邊界以高散射亮線清晰呈現(xiàn)（因?qū)ΨQ破缺相變中，不同取向新相無法融合，顆粒 “記住” 成核條件，實現(xiàn)疇的動態(tài)形成與穩(wěn)定存在）。

值得注意的是，這些單斜疇并未影響LCO的循環(huán)穩(wěn)定性，核心原因是單斜畸變僅導(dǎo)致微小的晶胞形變。這一發(fā)現(xiàn)為理解LCO優(yōu)異的循環(huán)性能提供了全新視角。

Li?.?CoO?組分下（含疇形成與不含疇形成）的單斜畸變動力學(xué)

從鋰電池到多領(lǐng)域，illumionOne潛力無限

illumionOne 的 iSCAT 技術(shù)不僅為鋰電池領(lǐng)域提供革新性表征工具，更憑借 “通過光散射探測電荷傳輸和電子結(jié)構(gòu)變化” 的核心原理，具備廣泛的通用性，可廣泛應(yīng)用于所有電池電極材料，納米離子膜、離子導(dǎo)電聚合物、光催化材料、憶阻器等 “離子輸運伴隨電子/結(jié)構(gòu)變化” 的系統(tǒng)，推動多領(lǐng)域動態(tài)機制研究。

正如劍橋團隊所言：“iSCAT將成為電池領(lǐng)域不可或缺的高通量研究工具，與同步輻射技術(shù)互補，為能源存儲材料創(chuàng)新乃至多領(lǐng)域材料研究注入新動能?！?/p>

illumionOne與其他技術(shù)的區(qū)別

對于電池材料研究而言，illumionOne 的核心技術(shù) “電荷光度法”為表征工具庫填補了一項空白，它與X 射線衍射（XRD，用于獲取晶體學(xué)信息）、掃描電子顯微鏡（SEM，用于高分辨率形貌分析）、電化學(xué)阻抗譜（EIS，用于界面過程研究）以及拉曼光譜等技術(shù)相互補充，能夠提供電池實際工作過程中關(guān)鍵的、具有空間分辨能力和時間依賴性的信息。

像XRD和電化學(xué)分析這類技術(shù)，所提供的是大量顆粒的平均數(shù)據(jù)。然而，在電池電極材料中：

a. 并非所有顆粒都以相同速率進行充放電

b. 有些顆粒的降解速度比其他顆粒更快

c. 失效往往先從特定顆粒開始，隨后才擴散開來

如果沒有單顆粒分辨率，這些不均勻性將無法被觀測到。當(dāng)電池失效時，傳統(tǒng)測量僅能表征容量已經(jīng)衰減或阻抗有所增加，但很少能揭示其原因。借助電荷光度法，研究者可以直接觀察到循環(huán)過程中哪些顆粒先出現(xiàn)破裂，識別出脫鋰速度過快的顆粒，還能在單顆粒層面實時觀察相變過程。在電池進行動態(tài)循環(huán)時，電荷光度法能同時追蹤顆粒的荷電狀態(tài)和形貌變化。這意味著，用戶不僅能觀測到非原位技術(shù)無法探測到的瞬態(tài)現(xiàn)象，還能建立循環(huán)過程中電化學(xué)狀態(tài)與結(jié)構(gòu)演變之間的直接關(guān)聯(lián)。這些見解將材料特性與電極性能及失效機制直接聯(lián)系起來。

illumionOne應(yīng)用領(lǐng)域

• 實時捕捉問題發(fā)生過程：無需在測試結(jié)束后猜測 “哪里出了問題”，可以實時觀察問題的發(fā)展。

• 解析材料失效原因：借助電荷光度技術(shù)，能精準(zhǔn)定位 “哪些顆粒最先失效” 以及 “失效原因是什么”。

• 加速測試進程：單次測試即可獲取多種數(shù)據(jù)（如顆粒行為、形貌變化、標(biāo)準(zhǔn)電化學(xué)數(shù)據(jù)），無需通過大量實驗就能得到所需結(jié)論，大幅縮短測試周期。

• 優(yōu)化充電方案：觀察不同充電速度對材料的影響，找到 “快速充電” 與 “長使用壽命” 之間的最佳平衡點。

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