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打開(kāi)電池“黑箱”，在單離子尺度上看見(jiàn)失效真相

來(lái)源：中國(guó)能源新聞網(wǎng) 時(shí)間：2026-05-26 11:07

打開(kāi)電池“黑箱”，在單離子尺度上看見(jiàn)失效真相

——專(zhuān)訪(fǎng)新加坡國(guó)立大學(xué)助理教授毛獻(xiàn)文

中國(guó)能源新聞網(wǎng)記者 王可

　　電池會(huì)隨著使用年限逐漸損失容量，但導(dǎo)致退化的微觀原因，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)科學(xué)家而言幾乎是“看不見(jiàn)”的。

　　傳統(tǒng)成像工具往往只能對(duì)循環(huán)后的電池進(jìn)行拆解分析，而要在真實(shí)液態(tài)工作條件下、以足夠高的空間和時(shí)間分辨率直接觀察離子在電池內(nèi)部的移動(dòng)與反應(yīng)，始終是極具挑戰(zhàn)的難題。

　　如今，這一困境迎來(lái)了突破。新加坡國(guó)立大學(xué)材料科學(xué)與工程系助理教授毛獻(xiàn)文領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)出一種名為“離子定位光學(xué)納米成像”（ion-localization optical nanoscopy，以下簡(jiǎn)稱(chēng)ION）的新型顯微技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了在工作電池運(yùn)行過(guò)程中對(duì)單個(gè)離子反應(yīng)事件的直接觀察與精確定位，成果已發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Nature Materials》2026年五月刊。

　　該技術(shù)可在約50納米空間分辨率和20毫秒時(shí)間分辨率下，將不可見(jiàn)的離子活動(dòng)轉(zhuǎn)化為微小光閃爍，實(shí)時(shí)追蹤電池材料界面上的單離子行為。

　　研究團(tuán)隊(duì)借此發(fā)現(xiàn)，看似均一的顆粒內(nèi)部，反應(yīng)其實(shí)高度不均勻，且不同區(qū)域之間存在動(dòng)態(tài)協(xié)同作用——這些發(fā)現(xiàn)為理解電池如何緩慢退化提供了全新視角。

　　基于這一重要進(jìn)展，中能傳媒記者就技術(shù)突破、產(chǎn)業(yè)化價(jià)值以及更廣泛的應(yīng)用前景，獨(dú)家專(zhuān)訪(fǎng)毛獻(xiàn)文。

　　中能傳媒：金屬電池被視作下一代儲(chǔ)能體系的重要方向，但產(chǎn)業(yè)化受困于“壽命短、失效快”。您的這項(xiàng)成像技術(shù)如何解決這一瓶頸？從產(chǎn)業(yè)落地的角度看，鋅金屬電池和鋰金屬電池分別有怎樣的應(yīng)用場(chǎng)景？

　　毛獻(xiàn)文：金屬電池的核心問(wèn)題不是“能不能做出來(lái)”，而是“能不能穩(wěn)定、長(zhǎng)期、安全地工作”。它的價(jià)值在于能量密度更高、電極電位更低，但不同金屬體系對(duì)應(yīng)不同的產(chǎn)業(yè)方向。

　　鋅金屬電池突出低成本、高安全性和資源豐富，更適合大規(guī)模儲(chǔ)能，比如可再生能源并網(wǎng)、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能、園區(qū)儲(chǔ)能以及數(shù)據(jù)中心后備電源。目前，國(guó)際上像伊歐斯能源（Eos Energy）、鋅戊能源（ZincFive）、軟銀集團(tuán)（SoftBank）等企業(yè)已經(jīng)在鋅基電池的商業(yè)化上取得了實(shí)質(zhì)進(jìn)展。

　　而鋰金屬電池則更適合追求極致比能量的高端場(chǎng)景，比如長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)、航空電動(dòng)化、低空經(jīng)濟(jì)以及未來(lái)更高續(xù)航需求的電動(dòng)車(chē)。

　　我們的工作對(duì)產(chǎn)業(yè)的意義，正是圍繞“壽命短、失效快”這一關(guān)鍵瓶頸展開(kāi)。

　　以鋅金屬電池為例，當(dāng)前最突出的問(wèn)題是負(fù)極剝離不均勻，導(dǎo)致“死鋅”形成、界面失活，最終容量快速衰減，而ION技術(shù)能在單離子及亞顆粒尺度上，實(shí)時(shí)觀察鋅剝離反應(yīng)的位置、活躍程度及區(qū)域間相互影響——過(guò)去人們只能看到整體性能下降，如今這些微觀信息可為設(shè)計(jì)更穩(wěn)定、更長(zhǎng)壽命的負(fù)極材料提供直接機(jī)理依據(jù)。

　　中能傳媒：ION技術(shù)的核心突破是什么？相比電子顯微鏡、同步輻射等傳統(tǒng)高端表征手段，其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是什么？如何從學(xué)術(shù)工具走向產(chǎn)業(yè)研發(fā)平臺(tái)？

　　毛獻(xiàn)文：核心突破其實(shí)可以概括為一句話(huà)——首次把“看不見(jiàn)的離子反應(yīng)”直接變成可觀測(cè)、可定量的光學(xué)信號(hào)。

　　過(guò)去人們可以看到顆粒的形貌結(jié)構(gòu)，可以測(cè)量整體的電化學(xué)性能，也可以在單顆粒尺度上觀測(cè)濃度變化，但很難在真實(shí)的液相工作環(huán)境中，直接看清楚離子究竟在哪里生成、哪些界面位置更活躍、不同區(qū)域之間如何相互影響。

　　ION技術(shù)借鑒了單分子定位熒光顯微成像的思想，把電池充放電過(guò)程中產(chǎn)生的離子與特異性的熒光響應(yīng)過(guò)程耦合起來(lái)，將原本不可見(jiàn)的離子生成事件轉(zhuǎn)化為可精確定位的熒光閃爍信號(hào)。

　　這樣一來(lái)，我們就能在約50納米空間分辨率和20毫秒時(shí)間分辨率下，實(shí)時(shí)追蹤單個(gè)離子的反應(yīng)行為。

　　與電子顯微鏡、同步輻射等高端手段相比，ION的最大優(yōu)勢(shì)不是分辨率更高——實(shí)際上電子顯微鏡的分辨率可以更高——而是它更貼近“真實(shí)工作條件”且非破壞性。

　　電子顯微鏡往往需要高真空或冷凍環(huán)境，同步輻射也需要高能束流照射，這些條件很難同時(shí)保持液相電化學(xué)反應(yīng)的自然狀態(tài)，而且容易產(chǎn)生束流損傷。

　　而ION技術(shù)是基于光學(xué)平臺(tái)的，它可以在液態(tài)、通電、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的條件下成像，對(duì)樣品幾乎沒(méi)有損傷。此外，光學(xué)平臺(tái)本身具備相對(duì)更低的成本、更高的通量和更強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

　　對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，它的產(chǎn)業(yè)化價(jià)值恰恰體現(xiàn)在這里：它不僅僅是一個(gè)用來(lái)“解釋一個(gè)機(jī)理”的科學(xué)工具，更有潛力成為一個(gè)“提效率”的產(chǎn)業(yè)研發(fā)平臺(tái)。

　　企業(yè)可以利用它快速比較不同負(fù)極材料、電解液、添加劑、表面修飾方案帶來(lái)的局部反應(yīng)差異，從而在更短的時(shí)間內(nèi)篩選出更均勻、更穩(wěn)定、壽命更長(zhǎng)的材料體系。

　　如果我們進(jìn)一步工程化，它完全可以發(fā)展為面向電池和材料企業(yè)的高通量篩選平臺(tái)，縮短材料研發(fā)周期，減少依賴(lài)長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)測(cè)試的低效試錯(cuò)。對(duì)儲(chǔ)能企業(yè)、電池材料企業(yè)乃至先進(jìn)表征設(shè)備企業(yè)來(lái)說(shuō)，這都是有實(shí)際吸引力的。

　　中能傳媒：除了電池研究，這項(xiàng)技術(shù)還有哪些更廣泛的應(yīng)用前景？在綠色氫能、催化劑開(kāi)發(fā)等能源領(lǐng)域，它能夠發(fā)揮什么樣的作用？

　　毛獻(xiàn)文：這項(xiàng)技術(shù)的更廣泛意義在于，它并不局限于電池。只要體系中存在“離子參與的界面反應(yīng)”，理論上都可以成為它的應(yīng)用對(duì)象。這包括但不限于電池負(fù)極、正極界面、電催化劑重構(gòu)、離子交換過(guò)程、腐蝕與鈍化等。

　　以綠色氫能為例，電解水制氫的關(guān)鍵之一是催化劑。無(wú)論是企業(yè)還是科研機(jī)構(gòu)，都希望找到成本更低、活性更高、壽命更長(zhǎng)、基于地殼豐富元素的催化材料。但催化劑的篩選往往周期長(zhǎng)、試錯(cuò)多、成本高。一個(gè)典型的難題是過(guò)渡金屬溶出——這是影響催化劑穩(wěn)定性和使用壽命的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

　　如果我們把ION技術(shù)推廣到催化反應(yīng)中，結(jié)合對(duì)銅離子等特定離子的熒光探針，就可以在真實(shí)工作條件下直接觀察銅基催化劑或其他電催化過(guò)程中金屬原子的溶出行為，從單離子尺度揭示催化劑活性衰減的微觀機(jī)制。這樣一來(lái)，研究者就能夠更快地判斷哪種催化劑更穩(wěn)定、哪種界面修飾更有效。

　　從更宏觀的產(chǎn)業(yè)視角看，無(wú)論是儲(chǔ)能電池還是綠色氫能催化劑，當(dāng)前研發(fā)面臨一個(gè)共同困境：候選材料很多，但真正高效、穩(wěn)定、低成本的材料很少，而篩選代價(jià)很高。

　　如果能通過(guò)類(lèi)似ION的界面成像平臺(tái)，更快地識(shí)別局部失效機(jī)制和活性來(lái)源，就能把材料開(kāi)發(fā)從傳統(tǒng)的低效率試錯(cuò)，轉(zhuǎn)向更高效、可量化、可預(yù)測(cè)的篩選流程。

　　對(duì)于大型能源企業(yè)、材料企業(yè)和氫能技術(shù)公司而言，這類(lèi)工具的價(jià)值在于縮短材料發(fā)現(xiàn)周期、降低研發(fā)成本、縮短產(chǎn)業(yè)化落地時(shí)間。我們相信，隨著進(jìn)一步的技術(shù)拓展和工程化，ION有潛力成為一個(gè)研究界面反應(yīng)機(jī)制的通用型原位表征平臺(tái)，并在新一代儲(chǔ)能、催化轉(zhuǎn)化、膜分離以及材料穩(wěn)定性研究中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。