成会明院士/李峰/谭军最新综述：用于电池研究的原位成像技术！

当前，清洁能源替代化石能源的需求急剧增加，推动了锂电池等高能量/功率密度、安全性好、价格低廉的先进电池系统的快速发展。在实验室走向市场的过程中，首先要克服不同材料和电池系统的问题。因此，迫切需要在真实电池工作条件下运行的定性和定量技术来确定这些限制的原因，并揭示电化学反应的动力学和机制。

在此，中科院金属研究所成会明院士、李峰研究员及季华实验室的谭军研究员等人重点介绍了用于电池开发的原位成像技术的最新进展，包括原位光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线断层扫描（XRT）、原子力显微镜（AFM）等。

作者总结了原位成像技术的主要优点如下：首先，该技术可通过材料及其界面的形态和结构变化直接观察电化学反应。原位OM、SEM和TEM覆盖从毫米到埃的尺寸，而原位AFM和XRT通过增加表面高度和截面剖面来补充这些信息。第二个优点是这些技术可部分再现真实电池中的运行条件，目前不仅在 OM、XRT和AFM中实现了液体电解质环境，而且也已经实现了使用离子液体作为电解质的SEM和使用MEMS-TEM支架的TEM。此外，还可使用这些系统中的冷却或加热装置来实现温度控制。

图1. 不同成像技术的分辨率和功能

最后，作者展望了未来原位成像技术的发展方向：

（1）更高的准确性。大尺度原位成像技术无法提供详细信息，而小尺度技术检查区域小导致主观性和不准确性，收集具有统计意义的数据是克服这一问题的方法；

（2）更智能。AI对于帮助重复数据分析、收集和统计分析以避免主观性是必要的，可做出更准确的结论并节省时间；

（3）速度更快。尽管原位成像技术可监测电化学反应过程，但目前数据收集速度不可能与电化学反应相匹配。为提高数据收集速度，需要增加信号源强度；

（4）样品匹配。样品适配的原位成像技术可更好地表征材料，考虑三个步骤：样品制备、转移和表征；

（5）控制观察区域的尺寸。这方面存在以下三种情况：在电池内部构建不同规模的反应室、进一步提高成像分辨率及改进原位观察单元等。

图2. 原位成像技术的未来发展方向

In-situ imaging techniques for advanced battery development, Materials Today 2022. DOI: 10.1016/j.mattod.2022.05.021

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