高分辨原位电池电荷成像系统-illumionONE由剑桥大学团队研发，可实现单颗粒原位动态观测、毫秒级瞬态过程捕捉、联动微观 - 宏观数据开展一体化分析，告别了传统大型仪器成本高、操作复杂、无法追踪单颗粒行为等难题，让电池内部离子运动、颗粒形貌变化等微观过程直观可测。目前，高分辨原位电池电荷成像系统-illumionONE样机已正式入驻 Quantum Design 中国科学实验中心，面向全行业开放样机免费体验活动，本次仅限50个席位，名额有限、先到先得，诚邀广大电池领域科研与技术人员前来体验试用，借助前沿技术破解研发难题、加速成果转化。
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日前，围绕该设备开展的原位电池单颗粒动态成像技术-电荷光度法研讨会已圆满落幕，本次会议汇聚了清华大学、复旦大学、上海交通大学等国内多所高校的学者，现场交流氛围热烈。剑桥大学资深技术团队亲临现场，深度讲解电荷光度法、光学干涉散射显微镜核心原理，并完整演示了设备实操与数据分析流程。参会人员互动踊跃、积极提问，围绕技术应用、实验方案、研发难点展开深入探讨，高效的交流碰撞为电池领域前沿技术落地与行业创新发展注入了强劲动力。
图1. 研讨会现场照片
作为聚焦电池材料精准分析的前沿设备，illumionONE以单颗粒水平实时光学跟踪为核心突破，彻底打破传统检测设备的技术桎梏。区别于传统检测需依赖同步加速器X光或电子显微镜等大型昂贵仪器，且无法实现原位动态观测的弊端，该设备基于创新的电荷光度法（charge photometry），通过光学干涉散射（iSCAT）显微镜技术，可在电池运行过程中，实时捕捉活性颗粒内的电荷分布、锂离子/钠离子扩散及形态变化，让原本不可见的电池内部动力学过程变得清晰可溯，为研发工作提供直观、精准的核心数据支撑。
核心优势：
突破传统技术缺陷，捕捉毫秒级动态过程：解决了非原位表征（如 SEM）无法捕捉动态瞬态过程、和整体平均测试（如 XRD）无法分辨单颗粒行为差异的问题，其颠覆性的实时观测能力，如同“超高速度的显微镜”，可同步追踪电池充放电过程中颗粒的荷电状态与形貌变化，能够在单颗粒层面捕捉毫秒级的快速动态过程；
多维度同步检测，实现分析闭环：可同时获取活性颗粒信息与集成恒电位仪同步采集的电化学数据；
普适性强：不受电池底层化学体系限制，可广泛应用于多种电极材料研究；
台式设计，操作简易方便：台式光学成像系统，通过磁性卡盒实现扣式电池的快速、简便装夹，和实验室扣式电池测试模式及性能一致。
图2. 高分辨原位电池电荷成像系统-illumionONE
主要检测与分析对象：
活性颗粒内部局域离子不均匀性
离子动力学
颗粒开裂
单颗粒体积变化
单颗粒层面充放电速率差异
其核心价值在于，能够在电池运行过程中，将颗粒尺度的电化学活性与形貌和电芯尺度的循环性能深度关联，为电池材料性能衰减机理、快充性能优化、电极材料改性等核心研发方向，提供全新的研究视角与数据支撑，开辟了电池材料精细化研发的广泛潜在应用场景。
典型应用案例简介：
1. 不同充电速率下电极电化学活性差异的可视化
图3. (a) 两个代表性活性颗粒 A 和颗粒 B；(b) C/3 倍率（3 小时）充电条件下颗粒 A 与颗粒 B 的电压 - 时间曲线及对比度曲线；(c) 2C 倍率（30 分钟）充电条件下颗粒 A 与颗粒 B 的电压 - 时间曲线及对比度曲线。在快充倍率下，可明显观察到两个颗粒之间 （脱）嵌锂速率存在显著差异 。
2. 锂离子浓度梯度的形成及其导致的容量衰减
图4. 嵌锂接近结束时，从电荷光度法视频中截取的单晶 NMC 颗粒图像。对于 NMC 材料，检测到的光强越高（红色标示），代表材料脱锂程度越高；光强越低（蓝色标示），则代表嵌锂程度越高。可以清晰观察到在嵌锂末期，颗粒内部富锂区与贫锂区的形成过程。
3. 钠离子动力学与充放电速率差异
图5. 电荷光度法可追踪 O3→P3 相变在单个 NFM 颗粒中的传播过程。在 C/10 倍率充电期间拍摄的电荷光度法视频快照显示，相界从颗粒顶部向底部推进。对于该特定颗粒，相变在 5 分钟内完成，时间尺度远短于整体电化学所反映的结果。这凸显了电荷光度法能够捕捉到整体平均分析无法察觉的单颗粒充电差异。
4. 锂离子动力学与老化
图 6. 脱锂初期从电荷光度法视频中截取的 NMC 单晶颗粒快照显示，新鲜 NMC 活性颗粒（a、b）呈现对称脱锂行为（红色表示归一化光强变化更高，即脱锂程度更高）。相比之下，老化后的 NMC 活性颗粒（c、d）脱锂行为不对称。
5. 容量衰减机理推导 —— 力学性能衰减
图7. 利用电荷光度法实时观测颗粒开裂过程的连续图像。
图 8. 对于 NWO 材料，散射更亮的碎片中含有更高浓度的被捕获锂。
6. Si负极体积膨胀
图 9. 电荷光度法实验中，被标记的硅颗粒 P1、P2 和 P3（上图）在循环过程中随时间（下图）表现出明显的体积变化（中图）。
部分文章发表：
Nature, 2021, 594, 522-528
Joule, 2022, 6, 2535-2546
Nat. Mater., 2022, 21, 1306-1313
Energy Environ. Sci., 2025,18, 6032-6042
Energy Environ. Sci., 2025, 18, 4097-4107
J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 4, 4097–4109
J. Electrochem. Soc. 2026, 173, 010505
Energy Environ. Sci., 2026,19, 1341-1351
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