打開電池“黑箱”，在單離子尺度上看見失效真相
來源：中國能源新聞網(wǎng) 時間：2026-05-26 11:07
打開電池“黑箱”，在單離子尺度上看見失效真相
——專訪新加坡國立大學(xué)助理教授毛獻文
中國能源新聞網(wǎng)記者 王可
電池會隨著使用年限逐漸損失容量，但導(dǎo)致退化的微觀原因，長期以來對科學(xué)家而言幾乎是“看不見”的。
傳統(tǒng)成像工具往往只能對循環(huán)后的電池進行拆解分析，而要在真實液態(tài)工作條件下、以足夠高的空間和時間分辨率直接觀察離子在電池內(nèi)部的移動與反應(yīng)，始終是極具挑戰(zhàn)的難題。
如今，這一困境迎來了突破。新加坡國立大學(xué)材料科學(xué)與工程系助理教授毛獻文領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊，開發(fā)出一種名為“離子定位光學(xué)納米成像”（ion-localization optical nanoscopy，以下簡稱ION）的新型顯微技術(shù)，首次實現(xiàn)了在工作電池運行過程中對單個離子反應(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毫秒時間分辨率下，將不可見的離子活動轉(zhuǎn)化為微小光閃爍，實時追蹤電池材料界面上的單離子行為。
研究團隊借此發(fā)現(xiàn)，看似均一的顆粒內(nèi)部，反應(yīng)其實高度不均勻，且不同區(qū)域之間存在動態(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。
基于這一重要進展，中能傳媒記者就技術(shù)突破、產(chǎn)業(yè)化價值以及更廣泛的應(yīng)用前景，獨家專訪毛獻文。
中能傳媒：金屬電池被視作下一代儲能體系的重要方向，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)用場景？
毛獻文：金屬電池的核心問題不是“能不能做出來”，而是“能不能穩(wěn)定、長期、安全地工作”。它的價值在于能量密度更高、電極電位更低，但不同金屬體系對應(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)模儲能，比如可再生能源并網(wǎng)、電網(wǎng)側(cè)儲能、園區(qū)儲能以及數(shù)據(jù)中心后備電源。目前，國際上像伊歐斯能源（Eos Energy）、鋅戊能源（ZincFive）、軟銀集團（SoftBank）等企業(yè)已經(jīng)在鋅基電池的商業(yè)化上取得了實質(zhì)進展。
而鋰金屬電池則更適合追求極致比能量的高端場景，比如長航時無人機、航空電動化、低空經(jīng)濟以及未來更高續(xù)航需求的電動車。
我們的工作對產(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。
以鋅金屬電池為例，當(dāng)前最突出的問題是負(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，實時觀察鋅剝離反應(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)計更穩(wěn)定、更長壽命的負(fù)極材料提供直接機理依據(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，其獨特優(yōu)勢是什么？如何從學(xué)術(shù)工具走向產(chǎn)業(yè)研發(fā)平臺？
毛獻文：核心突破其實可以概括為一句話——首次把“看不見的離子反應(yīng)”直接變成可觀測、可定量的光學(xué)信號。
過去人們可以看到顆粒的形貌結(jié)構(gòu)，可以測量整體的電化學(xué)性能，也可以在單顆粒尺度上觀測濃度變化，但很難在真實的液相工作環(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，把電池充放電過程中產(chǎn)生的離子與特異性的熒光響應(yīng)過程耦合起來，將原本不可見的離子生成事件轉(zhuǎn)化為可精確定位的熒光閃爍信號。
這樣一來，我們就能在約50納米空間分辨率和20毫秒時間分辨率下，實時追蹤單個離子的反應(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)勢不是分辨率更高——實際上電子顯微鏡的分辨率可以更高——而是它更貼近“真實工作條件”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)平臺的，它可以在液態(tài)、通電、長時間運行的條件下成像，對樣品幾乎沒有損傷。此外，光學(xué)平臺本身具備相對更低的成本、更高的通量和更強的可擴展性。
對于我們來說，它的產(chǎn)業(yè)化價值恰恰體現(xiàn)在這里：它不僅僅是一個用來“解釋一個機理”的科學(xué)工具，更有潛力成為一個“提效率”的產(chǎn)業(yè)研發(fā)平臺。
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、表面修飾方案帶來的局部反應(yīng)差異，從而在更短的時間內(nèi)篩選出更均勻、更穩(wěn)定、壽命更長的材料體系。
如果我們進一步工程化，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，縮短材料研發(fā)周期，減少依賴長時間循環(huán)測試的低效試錯。對儲能企業(yè)、電池材料企業(yè)乃至先進表征設(shè)備企業(yè)來說，這都是有實際吸引力的。
中能傳媒：除了電池研究，這項技術(shù)還有哪些更廣泛的應(yīng)用前景？在綠色氫能、催化劑開發(fā)等能源領(lǐng)域，它能夠發(fā)揮什么樣的作用？
毛獻文：這項技術(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。無論是企業(yè)還是科研機構(gòu)，都希望找到成本更低、活性更高、壽命更長、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、試錯多、成本高。一個典型的難題是過渡金屬溶出——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)合對銅離子等特定離子的熒光探針，就可以在真實工作條件下直接觀察銅基催化劑或其他電催化過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制。這樣一來，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，無論是儲能電池還是綠色氫能催化劑，當(dāng)前研發(fā)面臨一個共同困境：候選材料很多，但真正高效、穩(wěn)定、低成本的材料很少，而篩選代價很高。
如果能通過類似ION的界面成像平臺，更快地識別局部失效機制和活性來源，就能把材料開發(fā)從傳統(tǒng)的低效率試錯，轉(zhuǎn)向更高效、可量化、可預(yù)測的篩選流程。
對于大型能源企業(yè)、材料企業(yè)和氫能技術(shù)公司而言，這類工具的價值在于縮短材料發(fā)現(xiàn)周期、降低研發(fā)成本、縮短產(chǎn)業(yè)化落地時間。我們相信，隨著進一步的技術(shù)拓展和工程化，ION有潛力成為一個研究界面反應(yīng)機制的通用型原位表征平臺，并在新一代儲能、催化轉(zhuǎn)化、膜分離以及材料穩(wěn)定性研究中發(fā)揮越來越重要的作用。
毛獻文（中）與其研究團隊
ION成像工具的光學(xué)儀器設(shè)備
從更宏觀的產(chǎn)業(yè)視角看，無論是儲能電池還是綠色氫能催化劑，當(dāng)前研發(fā)面臨一個共同困境：候選材料很多，但真正高效、穩(wěn)定、低成本的材料很少，而篩選代價很高。
如果能通過類似ION的界面成像平臺，更快地識別局部失效機制和活性來源，就能把材料開發(fā)從傳統(tǒng)的低效率試錯，轉(zhuǎn)向更高效、可量化、可預(yù)測的篩選流程。
對于大型能源企業(yè)、材料企業(yè)和氫能技術(shù)公司而言，這類工具的價值在于縮短材料發(fā)現(xiàn)周期、降低研發(fā)成本、縮短產(chǎn)業(yè)化落地時間。我們相信，隨著進一步的技術(shù)拓展和工程化，ION有潛力成為一個研究界面反應(yīng)機制的通用型原位表征平臺，并在新一代儲能、催化轉(zhuǎn)化、膜分離以及材料穩(wěn)定性研究中發(fā)揮越來越重要的作用。
責(zé)任編輯：劉礎(chǔ)琪
