技术线上论坛 I 9月24日《利用单颗粒原位成像揭示锂离子与钠离子层状过渡金属氧化物正极材料容量及倍率衰减背后的原因》

——单颗粒尺度突破！高分辨原位电池电荷成像系统揭示 NMC 与 NFM 正极性能衰减关键路径

报告简介：

高镍层状锂离子正极与钠离子层状过渡金属氧化物正极虽具备高理论容量与能量密度，但性能快速衰减问题严重制约其实际应用。要从机理层面明晰驱动衰减的离子传输过程，需依托能在单颗粒尺度探测局部非平衡动态过程的原位表征技术。本次讲座将重点介绍电荷光度法（高分辨原位电池电荷成像系统 illumionONE）如何在真实工作条件下对高镍层状氧化物正极（LiNixMnyCo (1−x−y) O₂，简称 NMC）与钠离子层状过渡金属氧化物正极（NaNi₁/₃Fe₁/₃Mn₁/₃O₂，简称 NFM）实现精 准、高效的研究。

针对高镍 NMC 正极，借助 illumionONE可直接观测到：充电初期因脱锂初期锂扩散系数骤增，快速形成陡峭锂浓度梯度；长期循环后，老化颗粒锂通量较原始颗粒呈现显著不对称性，而这一不对称性会引发传输限制，加速倍率性能衰减。

对于NFM 正极，illumionONE能捕捉到单颗粒内对应 O3–P3 相转变的光强变化，同时发现反复循环会在相转变期间引发颗粒内开裂，且开裂与脱钠过程中的结构转变直接相关；此外，通过该系统的观测可验证，用钙部分取代钠能有效减小结构变化程度、抑 制开裂，进而提升循环稳定性。

综上，illumionONE 凭借其高分辨、单颗粒尺度的原位观测能力，成为可视化电池材料非平衡离子动态过程的核心工具，不仅为揭示层状正极界面与结构层面的衰减路径提供了直接依据，更能为解决制约锂 / 钠离子电池层状正极寿命的关键问题提供精准技术支撑 。

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报告时间：

2025年9月24日 19:00

主讲人介绍：

爱丽丝・梅里韦瑟博士（Dr. Alice Merryweather）是 illumion 公司的联合创始人兼研发负责人。illumion 是一家初创企业，致力于通过先进光学显微技术推动电池研究变革。在剑桥大学攻读博士学位期间，爱丽丝开发了一种用于电池材料离子传输实时成像的新方法，该方法能够在单颗粒尺度、以亚秒级时间分辨率观测动态过程。2022 年 12 月，她与联合创始人克里斯托夫・施内德曼（Christoph Schnedermann）、克莱尔・格雷（Clare Grey）及阿克沙伊・拉奥（Akshay Rao）共同创立了 illumion 公司，旨在将这一技术转化为台式科学仪器，使其能被电池研究界广泛使用。

动态数据展示：

通过光强度跟踪电荷状态

颗粒光强度的变化可追踪局部荷电状态的变化

在多颗粒或单颗粒层面捕捉荷电状态的变化

电极均一性观测

高镍 NMC 活性颗粒间的充 / 放电速率差异

在 2C的充电倍率下，颗粒 B 的脱锂过程滞后于颗粒 A：颗粒 B 的信号强度开始上升前存在一段延迟，随后其强度增速加快并追上颗粒 A。

这一现象表明，更快的充电倍率会导致电极中相邻活性颗粒的（脱）锂过程不同步，进而使电极的（放）充电速率产生不均匀性。

该分析方法可扩展到对数百个颗粒的研究，从而评估材料的倍率性能。

快充导致（电池）衰减

在锂化过程的最初 60 秒内（以 2C 倍率循环），信号强度梯度沿棒状 NWO 颗粒形成，从颗粒两端开始逐步向中心延伸。此阶段，活性颗粒仍保持机械完整性。

将循环倍率提升至 5C 会引发颗粒快速开裂。与之前类似，沿颗粒会形成离子浓度梯度；但在此情况下，由富锂区域与贫锂区域形成所导致的内部应力与应变，足以使颗粒发生断裂。

参考文献

1.    C. Xu, A.J. Merryweather et al., Operando visualization of kinetically induced lithium heterogeneities in single-particle layered Ni-rich cathodes, Joule, 6, 11, 2535-2546 (2022).

2.    Z. Lun, A.J. Merryweather et al., Operando single-particle imaging reveals that asymmetric ion flux contributes to capacity degradation in aged Ni-rich layered cathode, Energy Environ. Sci., 18, 4097-4107 (2025)

3.    W. Li, Z. Li, L. Li, A.J. Merryweather et al., Navigating low state of charge phase transitions in layered cathodes for long-life sodium-ion batteries, Energy Environ. Sci., 18, 6032-6042 (2025)