在过去的二十年中，能源系统已发生了重大转变，转向可持续和绿色能源系统，而电池在实现无缝运行方面发挥着核心作用。监测电池运行过程中发生的电化学反应对于确保收集准确的数据至关重要。
原位成像已成为观察和理解电池行为的重要工具，支持下一代电池研究的持续进步并弥合理论概念与实际应用之间的差距。
什么是 Operando Imaging？
原位成像是一种用于研究电池系统的方法。它可以实时观察电池运行过程中的内部过程。该技术可以检测宏观尺度的结构变化和亚原子电化学动力学，比许多传统方法具有更高的精度。
原位/原位成像方法与现代电化学系统兼容，并提供高采样率，能够在原子水平上捕捉快速动力学和物理化学变化。这些非破坏性技术不需要与电池进行物理接触，从而降低了损坏风险。
展开剩余83%原位成像技术突破了传统动力学分析的局限性，能够详细观察电池的整个生命周期，包括循环、充电和放电过程。光谱、显微镜以及X射线衍射等体敏感方法等技术被用于全面监测电化学反应和界面变化。
关键的原位成像分析技术X射线成像
多种原位X射线成像技术被用于研究现代电池。例如，全场原位X射线显微镜使用毛细管冷凝器将同步加速器X射线束聚焦到微米级分辨率。该技术对于观察动态电化学反应（例如燃料电池和蓄电池中的相变）特别有效。
原位X射线荧光显微镜是另一种有价值的方法，它能够进行灵敏的元素分析，追踪材料分布和结构变化。此外，原位X射线纳米断层扫描技术可以捕捉电极的结构变化，包括运行过程中体积和比表面积的变化。
总之，这些原位 X 射线成像技术提供了对晶格动力学和材料结构变化的详细洞察，并提供了高时间和空间分辨率。
电子显微镜
原位电子显微镜用于研究电池界面的演变，为优化电池性能提供宝贵信息。它尤其适用于表面表征，能够直接观察电极，并在纳米尺度上详细分析局部形貌和结构。
原位/原位扫描电子显微镜 (SEM) 通常用于监测电池运行过程中活性材料的结构变化。这种实时观察有助于评估电池性能、识别衰减机制并改进电极材料的设计。这些方法对于研究可充电电池中的界面反应也非常有效，有助于提高电池性能和寿命。
光谱方法
原位光谱法用于研究电池材料中的分子变化和界面变化。
原位X射线吸收光谱(XAS) 是一种在亚原子和分子水平上分析电池材料电子结构的技术。原位拉曼光谱是另一种强大的光学技术，它能够提供电极表面的时间和空间分辨数据，从而能够详细监测电池单元内部电化学反应引起的变化。
这些技术有助于追踪纳米级电子状态的变化，有助于优化电池设计并支持先进可充电电池的开发。
不同阶段的申请
充电过程中电极的变化会直接影响电池性能。Operando 成像和分析技术用于研究这些变化，确保电池安全运行并延长其使用寿命。
例如，原位成像技术已被用于研究充电过程中锂离子的嵌入。日本的研究人员利用0℃和25℃的原位X射线衍射分析了锂离子电池中石墨电极的充电机制。
在25°C下，锂离子的嵌入产生了具有平面结构LiC 6的第一阶段化合物。相比之下，在0°C下，仅形成了具有平面结构LiC 9和LiC 6的第二阶段化合物。与25°C相比，石墨沿a轴、b轴和c轴的膨胀在0°C下较小，这突显了锂离子嵌入的温度依赖性行为。
原位成像还揭示了充电反应的三个关键阶段：电解质中的离子传导、电极-电解质界面处的锂离子转移以及锂离子嵌入活性材料颗粒。此外，高分辨率观测揭示了石墨中微观结构的相变。
电池循环
原位成像技术已成功应用于研究现代电池正极在循环过程中电子结构的演变。这些方法能够对正极材料进行形态分析，使研究人员能够识别缺陷、观察裂纹扩展并追踪形状和尺寸的变化。
原位表征技术是了解电池循环过程中退化过程最准确的工具之一。例如，由Natalia Canas领导的德国研究团队采用原位X射线衍射（XRD）分析了电池在正常和高温工作条件下的电化学和结构变化。
研究小组使用原位电池观察到，石墨阳极的第一次锂化由于固体电解质中间相（SEI）的形成而导致容量不可逆的损失。
在较高温度下，研究人员检测到溶剂分子分解加速，导致形成更厚或更不稳定的SEI膜，这对循环稳定性产生负面影响，并加速材料降解。锂嵌入石墨也会导致层间距扩大，这是锂化过程中的自然过程，但随着时间的推移，会导致结构降解。
原位成像进一步揭示，与室温相比，高温下的插层过程更加无序。这种不规则性加剧了局部不均匀性，加剧了材料降解。这些发现强调了使用原位技术监测电池循环反应以研究材料降解和电解质分解的重要性，最终有助于制定延长电池寿命的策略。
电池放电
在放电过程中，许多高能量密度电池面临着与枝晶形成相关的挑战，这对其商业化发展构成了关键挑战。过去，主要使用理论模型来研究锂和锌 (Zn) 枝晶的形成。近年来，原位成像技术能够实时分析枝晶生长，有助于降低短路风险。
例如，戴等人利用原位X射线光谱和成像技术分析了锌枝晶的形态发展。了解枝晶形成的起源对于提高可充电电池的稳定性以及防止未来系统中出现此类问题至关重要。
在枝晶形成的早期阶段，析氢反应加速了锌的溶解，促进了具有晶须状和苔藓状形貌的锌枝晶的生长。原位表面表征表明，这些形貌主要由ZSH和ZnO组成。
研究人员证明，致密稳定的SEI膜可以抑制枝晶的形成和扩展。通过添加50 mM氯化锂添加剂，他们成功抑制了枝晶的生长，将电池的使用寿命延长至3900小时。12通过原位成像技术实现的这种详细表征，对于提升下一代电池系统的安全性和稳定性至关重要。
挑战和未来考虑
原位成像和分析技术虽然应用广泛，但过程复杂，需要高分辨率的专用仪器。这些仪器价格昂贵，增加了分析的总体成本。
目前的原位电子显微镜装置测试能力有限，对分析电池材料的长期性能下降效果不佳。开发实时原位技术以研究电池在长期运行过程中的行为，其需求日益增长。
研究人员也在探索原位低温电子显微镜(cryo-EM) 技术，以捕捉电池在充放电过程中的状态。然而，低温电子显微镜需要精确的样品制备，改进这一技术对于未来生产用于原位分析的高质量样品至关重要。
纳米技术和数据处理技术的进步有望使原位成像更加高效、紧凑。更高分辨率的摄像头和更完善的基础设施等发展将提高信噪比，同时最大限度地减少标本损伤。
随着这些技术的发展，原位成像将在理解电池过程和推动高效、高性能电池的开发方面发挥越来越重要的作用。
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