剑桥团队，破解行业痛点！锂电池原位表征技术，登上Nature！
2025-09-18
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锂电池（尤其是快充技术）性能的突破，核心在于实时掌握真实工况下材料内部纳米 - 介观尺度的离子输运与相变动态。在此需求下，illumion公司研发的高分辨原位电池电荷成像系统-illumionONE（基于自研的电荷光度法），成功突破了传统电池材料表征技术的局限，实现了电池充放电过程中单颗粒级别的电荷状态与形态变化的实时动态成像。这一创新技术不仅将电池材料的研发周期从“十年级”大幅缩短，更为电池材料的深度研究提供了全新的数据维度，成为推动锂电池技术革新的关键工具。
基于illumionONE前沿技术，剑桥大学 Alice J. Merryweather、Christoph Schnedermann 等研究者以LixCoO2层状正极材料为例，直接观测到了绝缘体到金属转变、固溶体和锂有序相变，并确定单粒子水平的锂扩散速率，从而确定了充电和放电过程的不同机制，为锂电池快充技术研发与材料优化打开全新视野。该成果以“Operando optical tracking of single-particle ion dynamics in batteries”为题，发表于Nature期刊上。
该团队以illumionONE系统构建出的低成本、高通量的单颗粒离子动态追踪平台，精准破解了传统表征技术的三大痛点：
难实时：无法捕捉电池工作过程中离子迁移与相变的动态过程；
高成本：同步光源、电子显微镜等技术设备昂贵，且需专业化电池设计；
低通量：难以同时观测多个颗粒，且易受光束辐照导致样品降解。
illumionOne系统的核心优势源于光学干涉散射显微镜（iSCAT）技术，其基于可见光弹性散射原理，利用锂电池正极材料LixCoO2（LCO）中 “锂含量与电子结构（介电特性）” 的内在关联，通过捕捉颗粒散射光与反射光的干涉信号，实现了对离子动态的实时量化。该技术无需光学吸收，空间精度可达亚 5 nm，且能同时观测电极中多个颗粒，有效适配实验室常规研究场景，为高通量材料筛选奠定基础。
钴酸锂（LCO）电极的电化学性能及干涉散射显微镜表征
作为典型的层状正极材料，LCO的锂扩散系数报道差异曾达6个数量级，单颗粒内部的相变机制更是长期不明。借助illumionOne，研究团队突破性地清晰捕捉到 LCO 单颗粒在充放电过程中的动态“全景图”：
在2C充放电速率下，LCO颗粒的iSCAT强度随脱锂过程增加1.6倍，嵌锂时又精准恢复，5 次循环后仍保持优异可逆性，证明介电特性变化可精准“翻译”（脱）嵌锂过程。更关键的是，作者发现脱锂与嵌锂的相变机制存在显著差异：脱锂时，新相从颗粒边缘向内“收缩生长”，形成环形相边界，属于“扩散限制”机制；而嵌锂时，新相从单个或少数成核点向全颗粒“波浪式扩散”，为“电荷转移限制”机制。这种机制差异的根源，在于LCO中富锂相的锂扩散系数远低于贫锂相，这一发现为针对性优化快充性能提供了明确的机制指导。
研究通过提取单个颗粒的倍率性能和相界面移动速度，揭示了LCO的“高倍率潜力”：当电极整体以6C速率循环时，单个 LCO颗粒的双相转变速率最高可达23C（脱锂）、13C（嵌锂），远超电极平均水平，证明 LCO本身具备优异的快充能力，为高倍率锂电池设计提供了关键依据。
脱锂：收缩核机制，扩散受限
富锂相中的锂扩散较慢
贫锂相在所有活性表面周围形成
电荷转移速率 > 锂离子扩散速率
锂化：嵌入波机制，电荷转移受限
光散射 ∝ 样品极化率
一个相前沿在颗粒中传播
散射光强度随荷电状态（SoC）变化
脱锂与嵌锂过程中的双相相变行为
05捕捉“畴结构记忆”，为循环稳定性研究添新证
团队还聚焦于LCO在Li0.5CoO2组成时的锂有序转变（伴随晶体结构从菱面体向单斜的转变，直接影响电池循环稳定性），实时捕捉到与单斜晶格畸变相关的 “畴结构记忆” 现象：
首次循环时，LCO 颗粒为单一单斜畴，强度均匀变化；
第 4 次循环时，颗粒内形成三个呈 120° 夹角的微米级单斜畴，畴边界以高散射亮线清晰呈现（因对称破缺相变中，不同取向新相无法融合，颗粒 “记住” 成核条件，实现畴的动态形成与稳定存在）。
值得注意的是，这些单斜畴并未影响LCO的循环稳定性，核心原因是单斜畸变仅导致微小的晶胞形变。这一发现为理解LCO优异的循环性能提供了全新视角。
Li₀.₅CoO₂组分下（含畴形成与不含畴形成）的单斜畸变动力学
illumionOne 的 iSCAT 技术不仅为锂电池领域提供革新性表征工具，更凭借 “通过光散射探测电荷传输和电子结构变化” 的核心原理，具备广泛的通用性，可广泛应用于所有电池电极材料，纳米离子膜、离子导电聚合物、光催化材料、忆阻器等 “离子输运伴随电子/结构变化” 的系统，推动多领域动态机制研究。
正如剑桥团队所言：“iSCAT将成为电池领域不可或缺的高通量研究工具，与同步辐射技术互补，为能源存储材料创新乃至多领域材料研究注入新动能。”
对于电池材料研究而言，illumionOne 的核心技术 “电荷光度法”为表征工具库填补了一项空白，它与X 射线衍射（XRD，用于获取晶体学信息）、扫描电子显微镜（SEM，用于高分辨率形貌分析）、电化学阻抗谱（EIS，用于界面过程研究）以及拉曼光谱等技术相互补充，能够提供电池实际工作过程中关键的、具有空间分辨能力和时间依赖性的信息。
像XRD和电化学分析这类技术，所提供的是大量颗粒的平均数据。然而，在电池电极材料中：
并非所有颗粒都以相同速率进行充放电
有些颗粒的降解速度比其他颗粒更快
失效往往先从特定颗粒开始，随后才扩散开来
如果没有单颗粒分辨率，这些不均匀性将无法被观测到。当电池失效时，传统测量仅能表征容量已经衰减或阻抗有所增加，但很少能揭示其原因。借助电荷光度法，研究者可以直接观察到循环过程中哪些颗粒先出现破裂，识别出脱锂速度过快的颗粒，还能在单颗粒层面实时观察相变过程。在电池进行动态循环时，电荷光度法能同时追踪颗粒的荷电状态和形貌变化。这意味着，用户不仅能观测到非原位技术无法探测到的瞬态现象，还能建立循环过程中电化学状态与结构演变之间的直接关联。这些见解将材料特性与电极性能及失效机制直接联系起来。
实时捕捉问题发生过程：无需在测试结束后猜测 “哪里出了问题”，可以实时观察问题的发展。
解析材料失效原因：借助电荷光度技术，能精准定位 “哪些颗粒最先失效” 以及 “失效原因是什么”。
加速测试进程：单次测试即可获取多种数据（如颗粒行为、形貌变化、标准电化学数据），无需通过大量实验就能得到所需结论，大幅缩短测试周期。
优化充电方案：观察不同充电速度对材料的影响，找到 “快速充电” 与 “长使用寿命” 之间的最佳平衡点。
9月24日线上讲座I《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》
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）
illumion 公司联合创始人兼研发负责人
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。
01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
02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。
03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
李教授是国内外知名的电子信息领域专家，长期致力于电子信息技术的研究、教学和产业应用。他在多个国际知名学术期刊和会议上发表论文百余篇，并获得多项国际和国内专利。
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)
