电荷光度测量系统

电荷光度测量系统—illumionONE

单颗粒电化学原位实时动态成像系统

锂电池原位动力学光学成像系统

随着对更可持续的能源解决方案的追求，对充电速度更快、容量更大、寿命更长的电池的需求从未像现在这样强烈。然而，确定合适的新电极材料可能是一个人工密集型的过程，需要使用多种技术和昂贵的非现场设施来解开电池性能的复杂性。传统上，优化电极配方需要对材料进行耗时、广泛的修改测试，以提高性能和稳定性，并确保大规模生产的可扩展性。

电荷光度测量系统是一项突破性的技术，可在电池运行过程中提供材料行为和性能的关键信息。可以在单粒子水平上实时观测到材料中电荷分布和粒子形态的变化。illumionONE是一种台式电荷测量设备，将这种强大的材料分析带入每个电池材料实验室。使您能够：

• 通过更深入地了解材料行为和性能之间的关系，加快有潜力的新电极材料的开发。

• 通过识别限制电极速率性能、寿命和容量的因素，加速材料配方的优化，避免昂贵的试验和降低失败率。

兼容锂离子和超越锂离子化学和同步电化学数据，电荷光度测量法可以适用于各种应用，提供数据：

• 通过评估电荷分布如何影响速率来了解限制性能的因素

• 通过评估材料膨胀和机械完整性来评估结构稳定性

• 实时观察不均匀的电荷分布和裂纹形成导致的性能下降

• 通过识别限制储能效率的因素来优化容量

• 通过评估充电均匀性和电极体积变化来优化配方提高充电性能和稳定性

通过揭示这些过程，illumionONE可以帮助电池开发人员通过有针对性的材料改进来创造更耐用、更高效、更持久的电池。

锂离子电池的可快充性能对智能电网系统和电动汽车至关重要。然而，高速充电会导致粒子和电极层面的问题，包括粒子间或粒子内荷电状态（SOC）不均匀性、极化驱动的副反应、电解质分解和涉及粒子开裂的机械降解。这些复杂的非平衡过程可能会对电池的整体性能产生深远影响，但在运行中的电池中揭示这些现象是挑战性的。由于缺乏能够在纳米尺度和相关充电倍率下监测锂离子动力学的操作数表征技术，这一挑战更加严峻。

目前，推进锂离子电池技术（特别是快速充电技术）的关键是能够实时跟踪和研究在现实条件下以及纳米尺度到中等尺度范围内发生在功能材料中的动态过程。目前，电池运行期间锂离子动力学主流的成像技术(运行过程中的成像)需要复杂的同步加速器X光或电子显微镜技术，这些技术根本就不适用于高通量材料筛选。因此，这限制了材料的快速合理的改进。剑桥大学研究人员利用光学干涉散射（iSCAT）显微镜技术，实现锂离子电池中单粒子离子动力学的实时光学跟踪，该技术可以直接观察了绝缘体到金属、固溶体和锂有序相变过程，并在单粒子水平上确定锂的扩散速率，同时确定了不同的充电和放电机制。

剑桥大学将该技术成熟应用，并推出商业化的产品—电荷光度测量系统illumionONE。通过operando光学干涉散射显微镜技术，用于解析电池材料中的纳米级锂离子动力学，追踪电极矩阵中原型阴极材料、LixCoO2的单个粒子的循环过程。电荷光度测量系统illumionONE可以直接观察绝缘体到金属、固溶体和锂有序相变过程，并在单粒子水平上确定锂的扩散速率，同时确定了不同的充电和放电机制。还可以捕获与Li0.5CoO2组分的单斜晶格畸变相关的不同晶体取向之间的磁场的动态形成过程。应用方向包括：快速充电（发现活性颗粒充放电水平的限速因素）、电极优化（发现活性材料百分比占比&性能在哪里损失的）、材料讲解（发现导致电池容量加速衰减的过程）等领域。

电荷光度测量系统illumionONE应用案例-1：可视化不同充电速率下电极电化学活性的变化

评估电极速率性能是开发新型快速充电电池材料的关键考虑因素。

电荷光度法可用于通过比较电极上电化学活性的变化来研究不同充电速率下电化学性能的差异。单个活性颗粒在循环过程中电荷光度对比度的变化可以直接显示其电化学活性，散射强度的变化可以衡量活性颗粒的（脱）锂速率。电极上充电状态（SoC）的较大变化通常会导致电池性能较差和循环稳定性降低。

富镍NMC（LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2）因其高容量而成为下一代锂离子电池的关键阴极材料。在该案例研究中，分别以C/3和2C的速率对具有富镍NMC阴极的纽扣电池充电，并收集视场内活性粒子的后续对比度变化。图2（a）突出显示了两个示例活性颗粒，颗粒a和颗粒B，图2（B）和2（c）描绘了两种充电速率下它们各自的电化学和对比轨迹。活性粒子散射的光强度与局部SoC和锂离子浓度有关：活性粒子的对比度在脱锂过程中增加，在锂化过程中降低。图2（c）显示，在较快的充电速率下，与颗粒a相比，颗粒B的脱锂速率明显滞后，而在较慢的充电速率上没有观察到这一点。因此，更快的充电速率导致这两个粒子之间电化学活性的异质性增加。

图3（a）说明了如何将这种分析扩展到视野内包含大量活性粒子。这允许量化电极上活性颗粒之间（脱锂）速率的异质性。图3（b）中的饼图显示，在本案例研究中，发现所分析的10%的NMC颗粒的脱锂率低于人群平均水平，8%的颗粒脱锂率更快，12%的颗粒表现出不规则脱锂率。

关键要点：本研究强调了使用电荷光度法生成指标的前景，这些指标可用于表征和筛选电极组合物在以下条件下的性能。

图2：(a)两个活性粒子示例，粒子a和粒子B;(b) C/3(3小时)充电速率下粒子a和粒子B的电压-时间图和对比图;(c)粒子a和粒子
B在2C(30分钟)充电速率下的电压-时间图和对比图。在更快的充电速率下，观察到两种颗粒之间的(去)锂化率明显不均一性。

图3：(a)宽视场下拍摄的电荷光度学图像；(b)粒子衰减率 表征。

电荷光度测量系统illumionONE应用案例-2：推断容量损失机制-锂不完QUAN全重新插入

，富锂镍NMC的不完 QUAN全重新插入会导致循环容量损失。在这个案例研究中，使用电荷光度法来研究单晶NMC电极中导致这种容量损失的机制[7]。 对于富镍NMC，活性颗粒内的对比度越大，局部锂离子浓度越低，反之，局部锂浓度越高，对比度越低。

图4显示了NMC单个活性粒子中电荷光度对比度的变化，并表明在锂化结束时，富锂表面在相对贫锂的核心周围形成。颗粒内的这种SoC异质性归因于在接近锂化状态下较低的Li扩散系数引起的动力学限制。由此产生的Li表面饱和导致电池达到截止电压，而颗粒核心仍处于Li不足状态，导致观察到的容量损失。

关键要点：这项研究展示了电荷光度法如何在空间上分辨粒子内锂化状态的局部变化，从而能够研究容量损失背后的机制。

电荷光度测量系统illumionONE应用案例-3：锂离子电池快充中电极原位监测-机械退化

循环过程中活性颗粒内富锂和贫锂畴的发展可能会导致颗粒不同区域的晶格常数不同，从而导致内应力和应变。在快速充电和放电条件下，这可能会导致活性颗粒的机械降解和加速容量损失。

在本案例研究中，高速率阳极材料Nb14W3O44（NWO）以高达30C的速率循环[8]。图5提供了棒状活性颗粒的一系列图像，说明了在施加高脱锂率下引起的快速开裂，使用电荷光度法实时观察到。

对单个活性颗粒的研究表明，颗粒断裂是快速脱锂过程中诱导的颗粒内SoC异质性的结果。 图6（a）显示了断裂颗粒的进一步示例图像。如图6（b）所示，单个碎片之间的对比变化表明，一些碎片已经断开电连接，并含有被捕获的锂。这将导致锂库存的损失和电池容量的损失。

关键要点：本研究说明了电荷光度法如何在快速充电速率下实时观察活性粒子的机械降解，以及随后检测到电断开的碎片，从而促进对电极材料的速率性能和容量损失的研究。

电荷光度测量系统illumionONE应用案例-4：评估机械退化程度

形态信息，如粒径，也可以从电荷光度图像中提取。这提供了跟踪电极上粒子群的粒子形态变化和趋势以及电化学活性变化的能力。

电荷光度法用于监测连续循环和不同C速率下NWO颗粒群中裂纹颗粒的比例。如图7（a）所示，观察到的裂纹数量随着循环次数的增加而增加，在脱锂率从5C增加到20C的点上表现出明显的增加。如图7（b）所示，确定了群体中颗粒的长度，以揭示较长颗粒更容易开裂的趋势。

关键要点：这展示了如何使用电荷光度法根据新电极材料和电池对机械降解的敏感性来筛选它们，并用于确定降解行为与特定颗粒形态之间是否存在相关性。

电荷光度测量系统illumionONE技术参数

一种具有多种应用的通用技术

电荷光度法可以在操作过程中可视化单个活性粒子内的电荷状态变化，同时还可以捕获形态信息——所有这些都可以在一个简单易用的台式设备上完成。

在操作过程中将颗粒级电化学活性和形态与电池级循环性能联系起来的能力解锁了广泛的潜在应用，例如：

• 探究电极材料行为的基本问题

• 从机械层面了解电池性能和退化

• 表征和筛选新电极材料的性能