全新電池電荷成像技術，顆粒膨脹、開裂全程可視化

時間：2026/1/15閱讀：129

劍橋大學 Alice J. Merryweather、Christoph Schnedermann 等研究者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了高分辨原位電池電荷成像系統illumionOne。該系統構建了一個低成本、高通量的單顆粒離子動態追蹤平臺，一舉攻克傳統表征技術 “難實時、高成本、低通量" 的行業瓶頸，為鋰電池快充技術研發與材料優化打開全新視野。

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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：通過單一系統實時采集電池工作狀態下的荷電狀態（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，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的創新手段

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變化，同時同步監測電池電化學性能：

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 / 脫出會引發極化率的局部變化，因此散射光強度會隨荷電狀態（SoC）動態改變，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），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。這一發現改變了人們對石墨鋰化過程的傳統認知，為設計更高性能、更穩定的鋰離子電池提供了全新理論支撐。相關研究成果已發表于學術期刊。

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。

為破解這一難題，劍橋大學團隊搭建了一套創新研究體系：采用自主研發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 —— 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，有效規避了傳統技術的局限性。