全新电池电荷成像技术，像 “实时直播” 般研究电池，颗粒膨胀、开裂全程可视化，研发不盲猜

剑桥大学 Alice J. Merryweather、Christoph Schnedermann 等研究者率先将电荷光度法引入锂电池研究领域，illumion公司在此基础上成功研发了高分辨原位电池电荷成像系统illumionOne。该系统构建了一个低成本、高通量的单颗粒离子动态追踪平台，一举攻克传统表征技术 “难实时、高成本、低通量” 的行业瓶颈，为锂电池快充技术研发与材料优化打开全新视野。

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核心功能赋能电池材料深度研究：

1. 深化对电极材料作用机理的认知

• 绘制颗粒内部离子梯度分布，探究离子传输机制，明确容量衰减与倍率性能受限的根源
• 精准定位相变成核与转变发生的位置和时机
• 识别颗粒破裂现象及材料退化的诱因
• 实时追踪循环过程中单颗粒的体积变化

2. 单次样品测试可获取多维度参数：

• 降低实验复杂度：通过单一系统实时采集电池工作状态下的荷电状态（SoC）、形貌特征及电化学性能数据
• 提升研究效率

3. 简化工作流程集成：

• 台式系统，可在任意实验室安装部署
• 操作便捷易用

电荷光度技术：实时观测单颗粒动态的创新手段

电荷光度技术以反射散射光为观测基础，可实时对工作状态下电池内部单个颗粒的充放电过程进行可视化观测。不同于传统方法只能获取数千个混合颗粒的平均数据，该技术可精准呈现每个颗粒的动态变化，同时同步监测电池电化学性能：

将电池电极置于光学可观测的纽扣电池结构中，在电池循环过程中，检测活性颗粒散射的光线；由于光散射强度与样品极化率成正比，而离子嵌入 / 脱出会引发极化率的局部变化，因此散射光强度会随荷电状态（SoC）动态改变，进而实现对单颗粒微观行为的精准捕捉。

典型应用案例：全新技术在负极材料研究中的实践价值

1. 颗粒内离子动力学研究

近日，剑桥大学研究团队借助原位光学散射显微镜结合随机场伊辛模型（RFIM），首次揭示了锂离子电池核心负极材料— 石墨在稀释阶段的锂嵌入动力学新机制：锂离子并非连续嵌入石墨晶格，而是以 “雪崩式” 局域化快速填充的方式进行。这一发现颠覆了人们对石墨锂化过程的传统认知，为设计更高性能、更稳定的锂离子电池提供了全新理论支撑。相关研究成果已发表于权威学术期刊。

此前，研究人员仅能通过电化学方法或 X 射线、中子衍射等技术间接推测稀释阶段的行为，但这些方法要么时空分辨率不足，要么易对样品造成光束损伤，无法精准捕捉单颗粒层面的微观动态。

为破解这一难题，剑桥大学团队搭建了一套创新研究体系：采用自主研发的原位光学散射显微镜，构建温控光学可及扣式电池，以 2Hz 的高帧速率（时间分辨率达亚秒级）直接观测单个石墨颗粒的锂化过程。该技术通过光学散射强度的变化实时反映局部锂化状态 —— 稀释阶段强度随锂嵌入单调下降，且穿透深度精准覆盖石墨颗粒表层约 100 层晶格，有效规避了传统技术的局限性。

实验示意图及空间局域离散强度变化的观测

动态数据展示

2. 体积膨胀研究

对比不同膨胀抑制策略的有效性

• 追踪并量化循环过程中的颗粒体积变化
• 验证循环过程中颗粒结构完整性是否保持
• 将材料特有的行为与电池级体积变化相关联

硅基负极：单颗粒体积膨胀与收缩

研究发现，Si进行碳材料改性后，在嵌锂过程中体积膨胀 41%，并在脱锂过程中收缩至原始尺寸，这表明其具有良好的可逆性。

3. 颗粒降解研究

明确颗粒开裂的成因

• 实时识别颗粒开裂发生的位置与时机
• 可视化呈现导致颗粒开裂的颗粒内应力成因：离子浓度梯度的形成、结构变化（例如：相变）

NWO（Nb₁₄W₃O₄₄）高倍率负极，监测开裂现象与惰性颗粒

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

部分发表文章

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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