鋰電池（尤其是快充技術）性能的突破，核心在于實時掌握真實工況下材料內部納米 - 介觀尺度的離子輸運與相變動態。在此需求下，illumion公司研發的高分辨原位電池電荷成像系統-illumionONE（基于自研的電荷光度法），成功突破了傳統電池材料表征技術的局限，實現了電池充放電過程中單顆粒級別的電荷狀態與形態變化的實時動態成像。這一創新技術不僅將電池材料的研發周期從“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據維度，成為推動鋰電池技術革新的關鍵工具。

劍橋團隊登 Nature，破解行業痛點

基于illumionONE前沿技術，劍橋大學 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，為鋰電池快充技術研發與材料優化打開全新視野。該成果以“Operando optical tracking of single-particle ion dynamics in batteries”為題，發表于Nature期刊上。

該團隊以illumionONE系統構建出的低成本、高通量的單顆粒離子動態追蹤平臺，精準破解了傳統表征技術的三大痛點：

• 難實時：無法捕捉電池工作過程中離子遷移與相變的動態過程；

• 高成本：同步光源、電子顯微鏡等技術設備昂貴，且需專業化電池設計；

• 低通量：難以同時觀測多個顆粒，且易受光束輻照導致樣品降解。

illumionOne賦能亞 5 nm“超分辨”動態觀測

illumionOne系統的核心優勢源于光學干涉散射顯微鏡（iSCAT）技術，其基于可見光彈性散射原理，利用鋰電池正極材料LixCoO₂（LCO）中 “鋰含量與電子結構（介電特性）” 的內在關聯，通過捕捉顆粒散射光與反射光的干涉信號，實現了對離子動態的實時量化。該技術無需光學吸收，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研究場景，為高通量材料篩選奠定基礎。

鈷酸鋰（LCO）電極的電化學性能及干涉散射顯微鏡表征

充放電相變機制差異：為快充優化提供 “精準靶點”

作為典型的層狀正極材料，LCO的鋰擴散系數報道差異曾達6個數量級，單顆粒內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“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，嵌鋰時又精準恢復，5 次循環后仍保持優異可逆性，證明介電特性變化可精準“翻譯”（脫）嵌鋰過程。更關鍵的是，作者發現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“收縮生長”，形成環形相邊界，屬于“擴散限制”機制；而嵌鋰時，新相從單個或少數成核點向全顆粒“波浪式擴散”，為“電荷轉移限制”機制。這種機制差異的根源，在于LCO中富鋰相的鋰擴散系數遠低于貧鋰相，這一發現為針對性優化快充性能提供了明確的機制指導。

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”：當電極整體以6C速率循環時，單個 LCO顆粒的雙相轉變速率最高可達23C（脫鋰）、13C（嵌鋰），遠超電極平均水平，證明 LCO本身具備優異的快充能力，為高倍率鋰電池設計提供了關鍵依據。

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

電荷轉移速率 > 鋰離子擴散速率

鋰化：嵌入波機制，電荷轉移受限

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（SoC）變化

脫鋰與嵌鋰過程中的雙相相變行為

捕捉“疇結構記憶”，為循環穩定性研究添新證

團隊還聚焦于LCO在Li_0.5CoO₂組成時的鋰有序轉變（伴隨晶體結構從菱面體向單斜的轉變，直接影響電池循環穩定性），實時捕捉到與單斜晶格畸變相關的 “疇結構記憶” 現象：

• 第一次循環時，LCO 顆粒為單一單斜疇，強度均勻變化；

• 第 4 次循環時，顆粒內形成三個呈 120° 夾角的微米級單斜疇，疇邊界以高散射亮線清晰呈現（因對稱破缺相變中，不同取向新相無法融合，顆粒 “記住” 成核條件，實現疇的動態形成與穩定存在）。

值得注意的是，這些單斜疇并未影響LCO的循環穩定性，核心原因是單斜畸變僅導致微小的晶胞形變。這一發現為理解LCO優異的循環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

從鋰電池到多領域，illumionOne潛力無限

illumionOne 的 iSCAT 技術不僅為鋰電池領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構變化” 的核心原理，具備廣泛的通用性，可廣泛應用于所有電池電極材料，納米離子膜、離子導電聚合物、光催化材料、憶阻器等 “離子輸運伴隨電子/結構變化” 的系統，推動多領域動態機制研究。

正如劍橋團隊所言：“iSCAT將成為電池領域bukehuoque的高通量研究工具，與同步輻射技術互補，為能源存儲材料創新乃至多領域材料研究注入新動能。”

illumionOne與其他技術的區別

對于電池材料研究而言，illumionOne 的核心技術 “電荷光度法”為表征工具庫填補一項空白，它與X 射線衍射（XRD，用于獲取晶體學信息）、掃描電子顯微鏡（SEM，用于高分辨率形貌分析）、電化學阻抗譜（EIS，用于界面過程研究）以及拉曼光譜等技術相互補充，能夠提供電池實際工作過程中關鍵的、具有空間分辨能力和時間依賴性的信息。

像XRD和電化學分析這類技術，所提供的是大量顆粒的平均數據。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。當電池失效時，傳統測量僅能表征容量已經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過程中哪些顆粒先出現破裂，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。在電池進行動態循環時，電荷光度法能同時追蹤顆粒的荷電狀態和形貌變化。這意味著，用戶不僅能觀測到非原位技術無法探測到的瞬態現象，還能建立循環過程中電化學狀態與結構演變之間的直接關聯。這些見解將材料特性與電極性能及失效機制直接聯系起來。

illumionOne應用領域

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

• 解析材料失效原因：借助電荷光度技術，能精準定位 “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據（如顆粒行為、形貌變化、標準電化學數據），無需通過大量實驗就能得到所需結論，大幅縮短測試周期。

• 優化充電方案：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。

	臺式光學成像系統 結構緊湊，易于集成到任何實驗室中		透光式扣式電池 通過磁性卡盒實現扣式電池的快速、簡便裝夾
	全集成式電化學控制 實時同步分析電荷分布與電化學性能		單顆粒分辨率成像 逐顆粒解析電池材料實時信息