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鋰離子電池的可快充性能對智能電網(wǎng)系統(tǒng)和電動汽車至關(guān)重要。然而，高速充電會導(dǎo)致粒子和電極層面的問題，包括粒子間或粒子內(nèi)荷電狀態(tài)（SOC）不均勻性、極化驅(qū)動的副反應(yīng)、電解質(zhì)分解和涉及粒子開裂的機械降解。這些復(fù)雜的非平衡過程可能會對電池的整體性能產(chǎn)生深遠影響，但在運行中的電池中揭示這些現(xiàn)象是挑戰(zhàn)性的。由于缺乏能夠在納米尺度和相關(guān)充電倍率下監(jiān)測鋰離子動力學(xué)的操作數(shù)表征技術(shù)，這一挑戰(zhàn)更加嚴峻。
目前，推進鋰離子電池技術(shù)（特別是快速充電技術(shù)）的關(guān)鍵是能夠?qū)崟r跟蹤和研究在現(xiàn)實條件下以及納米尺度到中等尺度范圍內(nèi)發(fā)生在功能材料中的動態(tài)過程。目前，電池運行期間鋰離子動力學(xué)主流的成像技術(shù)(運行過程中的成像)需要復(fù)雜的同步加速器X光或電子顯微鏡技術(shù)，這些技術(shù)根本就不適用于高通量材料篩選。因此，這限制了材料的快速合理的改進。劍橋大學(xué)研究人員利用光學(xué)干涉散射（iSCAT）顯微鏡技術(shù)，實現(xiàn)鋰離子電池中單粒子離子動力學(xué)的實時光學(xué)跟蹤，該技術(shù)可以直接觀察了絕緣體到金屬、固溶體和鋰有序相變過程，并在單粒子水平上確定鋰的擴散速率，同時確定了不同的充電和放電機制。
劍橋大學(xué)將該技術(shù)成熟應(yīng)用，并推出商業(yè)化的產(chǎn)品—電荷質(zhì)量光度計illumionONE。通過operando光學(xué)干涉散射顯微鏡技術(shù)，用于解析電池材料中的納米級鋰離子動力學(xué)，追蹤電極矩陣中原型陰極材料、LixCoO2的單個粒子的循環(huán)過程。
電荷質(zhì)量光度計illumionONE可以直接觀察絕緣體到金屬、固溶體和鋰有序相變過程，并在單粒子水平上確定鋰的擴散速率，同時確定了不同的充電和放電機制。還可以捕獲與Li0.5CoO2組分的單斜晶格畸變相關(guān)的不同晶體取向之間的磁場的動態(tài)形成過程。應(yīng)用方向包括：快速充電（發(fā)現(xiàn)活性顆粒充放電水平的限速因素）、電極優(yōu)化（發(fā)現(xiàn)活性材料百分比占比&性能在哪里損失的）、材料講解（發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致電池容量加速衰減的過程）等領(lǐng)域。
應(yīng)用案例-1：電池單顆粒鋰離子動力學(xué)原位可視化研究
通過illumionONE研究了電池單顆粒在脫鋰過程中（如下圖a，0-25分鐘），光散射強度增加（如下圖b，由A圖至D圖），隨后在鋰化后（25-50分鐘）出現(xiàn)了等效的降低，表明具有良好的可逆性。這表明（脫）鋰過程中由電池單顆粒底層電子結(jié)構(gòu)變化引起的介電性能變化可以通過illumionONE進行監(jiān)測。接下來，通過illumionONE研究了恒電流充放電循環(huán)過程中電池單顆?？臻g分辨離子動力學(xué)（如下圖b）。在脫鋰開始時電極電位急劇增加到約4.0 V期間，顆粒強度保持相對恒定和均勻（如下圖b，A）。然而，從3分鐘到12分鐘（如下圖b，B，10.2分鐘所示），光散射強度圖像顯示不均勻特征；從39分鐘到48分鐘（如下圖b，G，43.8分鐘所示），對應(yīng)于鋰化時的等效電荷狀態(tài)。垂直紅色區(qū)域?qū)?yīng)于雙相（貧鋰相/富鋰相）轉(zhuǎn)變時間段（如下圖b，典型圖A、B、G、H）；垂直藍色區(qū)域?qū)?yīng)于鋰有序轉(zhuǎn)變時間段（如下圖b，典型圖D、E）。
在脫鋰過程中（如下圖a），光散射強度變化最初發(fā)生在顆粒邊緣（4.3分鐘），并發(fā)展成環(huán)狀結(jié)構(gòu)（10.0分鐘），環(huán)狀結(jié)構(gòu)在富鋰貧鋰雙相結(jié)束時逐消失（11.0-11.7分鐘）。在鋰化過程中（如下圖b）觀察到，其中較高強度的區(qū)域首先出現(xiàn)在顆粒的右上角（39.3分鐘），然后擴散到整個顆粒（40.0-44.0分鐘）。為了進一步分析鈷酸鋰富鋰貧鋰兩相反應(yīng)，分別進行電池顆粒中的相分數(shù)計算（貧鋰相百分比和富鋰相百分比，如下圖c，d）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)貧鋰相百分比和脫鋰行為是一致的，富鋰相百分比和鋰化行為是一致的。通過相分數(shù)進一步推導(dǎo)得到顆粒兩相瞬時充電速率變化速率(Biphasic C-rate)（如下圖c，d），在脫鋰過程中，在兩相轉(zhuǎn)變時（11.0-11.7分鐘）， Biphasic C-rate能達到9C；在鋰化過程中，兩相充電速率變化速率波動較大，這與顆粒鋰化路徑不同相關(guān)。
以C/2至6C的充電速率監(jiān)測來自另一個電極的鈷酸鋰類似顆粒，以探索電池充電速率的依賴機制。在C/2的脫鋰過程中，顆粒散射強度（如下圖a）在富鋰貧鋰兩相轉(zhuǎn)變過程中（0-75 mA h g−1）出現(xiàn)峰值，在固溶體轉(zhuǎn)變過程中（75–155 mA h g−1）顆粒散射強度線性增加，然后在接下來的鋰化過程中具有類似的行為。在所有施加的不同C速率下，固溶過程中（75–155 mA h g−1）的散射強度都會發(fā)生變化，電化學(xué)反應(yīng)保持線性（隨時間）和可逆。Biphasic C-rate隨著充電速率的增加而急劇增加，在6C充電速率下，脫鋰過程中Biphasic C-rate達到13C（如下圖b、c） ，鋰化過程中Biphasic C-rate達到23C。在脫鋰和鋰化的雙相轉(zhuǎn)變過程中，不同充電速率的富鋰貧鋰相邊界可以顯示活性顆粒的脫鋰和鋰化進展（如下圖d）。
鋰有序化轉(zhuǎn)變過程中可能存在菱面體和單斜體共存，為了探索這種轉(zhuǎn)變，作者計算了充電速度2C下的（脫）鋰循環(huán)1和4。在循環(huán)1中（如下圖a） ，顆粒散射強度相對增加（減少）有序（無序）時均勻。相比之下，在循環(huán)中4（如下圖b），有序轉(zhuǎn)變產(chǎn)生了明亮銳利的線條，顯示顆粒中的三重對稱性；在循環(huán)1中的材料表明單斜相取向，在整個顆粒中，離子是一致的（如下圖c），相比之下，循環(huán)4中具有三重對稱性的線表明存在三個有序單斜晶疇，取向為120°，彼此之間，可以通過明亮來區(qū)分散射域邊界（如下圖d）。為了跟蹤這些結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變，illumionONE在循環(huán)1的鋰化過程中（如下圖e），識別出從相反方向出現(xiàn)的兩個相位前沿粒子的兩側(cè)相互迎面靠近，相比之下，在循環(huán)4的鋰化過程中（如下圖f），無序相從三個不同位置生長，由域邊界分隔。illumionONE能夠?qū)崟r動態(tài)觀察域的形成。
應(yīng)用案例-2：單顆粒層狀富鎳誘導(dǎo)鋰異質(zhì)性動力學(xué)原位可視化研究
通過illumionONE表征單顆粒NMC（LiNixMnyCo(1-x-y)O2鎳錳鈷酸鋰三元材料）中的空間分辨（Operando）脫鋰和鋰化過程。下圖A顯示了恒電流C/3充電倍率第一小時的電壓曲線和散射強度變化，下圖B顯示了5、15、25和35分鐘循環(huán)開始時的差分圖像。在C/3充電倍率下脫鋰5分鐘后，NMC顆粒的周邊開始脫鋰，中心仍然鋰化，NMC顆粒內(nèi)形成了明顯的鋰濃度異質(zhì)性。在進一步充電時，鋰化過程由顆粒周邊繼續(xù)向顆粒中心推進，而35分鐘后，整個顆粒的鋰濃度顯得相當均勻。作者對來自7個不同電極的50多種不同顆粒中觀察到了這一現(xiàn)象，證實了其可重復(fù)性。然后進行了電荷靜止實驗（下圖C），在20分鐘的充電期間，如上所述，NMC顆粒中開始出現(xiàn)鋰異質(zhì)性（下圖D）。然而，在停止電流后，顆粒上的散射強度不均勻性逐漸消失，到休息期結(jié)束時實現(xiàn)了均勻分布（下圖D）, 其中平衡狀態(tài)表現(xiàn)出均勻的鋰分布。
illumionONE除了表征MNC顆粒內(nèi)的異質(zhì)性外，也可以表征MNC顆粒間的異質(zhì)性。如下圖所示，同一電極內(nèi)多個顆粒以不同速率（C/3、1C和2C）的歸一化散射強度變化。所有顆粒都顯示出充電時強度增加、放電時強度降低的總體趨勢。此外，隨著速率從C/3增加到2C，最大歸一化散射強度（在充電結(jié)束時達到）降低。有趣的是，與2C速率下的其他顆粒相比，顆粒D在充電開始時的散射強度增加明顯較慢。另外請注意，不同顆粒之間的散射強度值不能直接比較，因為許多因素都會影響散射強度值，例如顆粒尺寸、表面粗糙度等。
應(yīng)用案例-3：鋰離子電池快充中電極原位監(jiān)測
下圖a顯示5C充電倍率下的恒電流循環(huán)，下圖b差分圖像顯示了恒電流鋰化開始后3、6和9秒散射強度空間異質(zhì)性。下圖c顯示了5C鋰化前50秒的差分切割線，約40秒后，強度變化沿顆粒長度變得均勻。下圖d、e、f顯示了在5C下的第二次恒電流充放電循環(huán)中，同一顆粒的電化學(xué)數(shù)據(jù)、差分圖像和切割線，其間沒有電壓保持（第一個循環(huán)在2.8 V的電壓下保持以去除更多的鋰）。與前一個周期相比，在鋰化開始時，顆粒中沒有出現(xiàn)明顯的移動鋒面，只觀察到散射強度較低，初始的空間均勻增亮。散射強度的空間異質(zhì)性表明顆粒內(nèi)存在SOC異質(zhì)性。為了探索這種可能性，使用相場模型在NWO棒中模擬了恒電流循環(huán)過程中的動態(tài)鋰濃度分布。下圖g和h顯示了5C早期鋰化過程中模擬的鋰濃度差分切割線，從x=0.08開始模擬再現(xiàn)了前沿運動，約20秒后，顆粒內(nèi)的成分變得均勻。相比之下，當從x=0.14的較高初始鋰濃度開始時，顆粒內(nèi)的SOC異質(zhì)性程度要小得多。將1C、5C和20C下的模擬鋰化前沿速度與相同循環(huán)充電倍率下的實驗測量速度進行了比較（下圖i），這一趨勢得到了很好的再現(xiàn)。
對NWO顆粒成像時（下圖a），在C/2的脫鋰過程中，散射強度沿顆粒長度的變化a是均勻的（下圖b）。然而，在5C脫鋰過程中的差分線切割分析顯示（下圖c），存在一個從顆粒底部向中心移動的明亮鋒面（0-260s）。經(jīng)過約280秒的脫鋰后，顆粒突然破裂?？梢钥吹搅鸭y是一條垂直穿過桿的微弱黑線（下圖d）。下圖e顯示了初始亮鋒的差分圖像，裂紋過程的差分圖像（下圖f，）顯示，暗裂紋最初始于顆粒的左側(cè)。新裂開的表面在脫鋰的剩余時間里充當了活性表面。持續(xù)的體積收縮導(dǎo)致破碎的顆粒進一步分離成兩個不同的碎片（如下圖i）。進一步的循環(huán)導(dǎo)致該顆粒進一步開裂（下圖j）。對四種不同的NWO顆粒實時觀察到類似的開裂，這些開裂總是在脫鋰過程中發(fā)生，而不是在鋰化過程中發(fā)生。這可能是由于晶格參數(shù)中的空間不均勻性引起的嚴重應(yīng)變。