打开电池“黑箱”，在单离子尺度上看见失效真相

来源：中国能源新闻网 时间：2026-05-26 11:07

打开电池“黑箱”，在单离子尺度上看见失效真相

——专访新加坡国立大学助理教授毛献文

中国能源新闻网记者 王可

　　电池会随着使用年限逐渐损失容量，但导致退化的微观原因，长期以来对科学家而言几乎是“看不见”的。

　　传统成像工具往往只能对循环后的电池进行拆解分析，而要在真实液态工作条件下、以足够高的空间和时间分辨率直接观察离子在电池内部的移动与反应，始终是极具挑战的难题。

　　如今，这一困境迎来了突破。新加坡国立大学材料科学与工程系助理教授毛献文领导的研究团队，开发出一种名为“离子定位光学纳米成像”（ion-localization optical nanoscopy，以下简称ION）的新型显微技术，首次实现了在工作电池运行过程中对单个离子反应事件的直接观察与精确定位，成果已发表于国际学术期刊《Nature Materials》2026年五月刊。

　　该技术可在约50纳米空间分辨率和20毫秒时间分辨率下，将不可见的离子活动转化为微小光闪烁，实时追踪电池材料界面上的单离子行为。

　　研究团队借此发现，看似均一的颗粒内部，反应其实高度不均匀，且不同区域之间存在动态协同作用——这些发现为理解电池如何缓慢退化提供了全新视角。

　　基于这一重要进展，中能传媒记者就技术突破、产业化价值以及更广泛的应用前景，独家专访毛献文。

　　中能传媒：金属电池被视作下一代储能体系的重要方向，但产业化受困于“寿命短、失效快”。您的这项成像技术如何解决这一瓶颈？从产业落地的角度看，锌金属电池和锂金属电池分别有怎样的应用场景？

　　毛献文：金属电池的核心问题不是“能不能做出来”，而是“能不能稳定、长期、安全地工作”。它的价值在于能量密度更高、电极电位更低，但不同金属体系对应不同的产业方向。

　　锌金属电池突出低成本、高安全性和资源丰富，更适合大规模储能，比如可再生能源并网、电网侧储能、园区储能以及数据中心后备电源。目前，国际上像伊欧斯能源（Eos Energy）、锌戊能源（ZincFive）、软银集团（SoftBank）等企业已经在锌基电池的商业化上取得了实质进展。

　　而锂金属电池则更适合追求极致比能量的高端场景，比如长航时无人机、航空电动化、低空经济以及未来更高续航需求的电动车。

　　我们的工作对产业的意义，正是围绕“寿命短、失效快”这一关键瓶颈展开。

　　以锌金属电池为例，当前最突出的问题是负极剥离不均匀，导致“死锌”形成、界面失活，最终容量快速衰减，而ION技术能在单离子及亚颗粒尺度上，实时观察锌剥离反应的位置、活跃程度及区域间相互影响——过去人们只能看到整体性能下降，如今这些微观信息可为设计更稳定、更长寿命的负极材料提供直接机理依据。

　　中能传媒：ION技术的核心突破是什么？相比电子显微镜、同步辐射等传统高端表征手段，其独特优势是什么？如何从学术工具走向产业研发平台？

　　毛献文：核心突破其实可以概括为一句话——首次把“看不见的离子反应”直接变成可观测、可定量的光学信号。

　　过去人们可以看到颗粒的形貌结构，可以测量整体的电化学性能，也可以在单颗粒尺度上观测浓度变化，但很难在真实的液相工作环境中，直接看清楚离子究竟在哪里生成、哪些界面位置更活跃、不同区域之间如何相互影响。

　　ION技术借鉴了单分子定位荧光显微成像的思想，把电池充放电过程中产生的离子与特异性的荧光响应过程耦合起来，将原本不可见的离子生成事件转化为可精确定位的荧光闪烁信号。

　　这样一来，我们就能在约50纳米空间分辨率和20毫秒时间分辨率下，实时追踪单个离子的反应行为。

　　与电子显微镜、同步辐射等高端手段相比，ION的最大优势不是分辨率更高——实际上电子显微镜的分辨率可以更高——而是它更贴近“真实工作条件”且非破坏性。

　　电子显微镜往往需要高真空或冷冻环境，同步辐射也需要高能束流照射，这些条件很难同时保持液相电化学反应的自然状态，而且容易产生束流损伤。

　　而ION技术是基于光学平台的，它可以在液态、通电、长时间运行的条件下成像，对样品几乎没有损伤。此外，光学平台本身具备相对更低的成本、更高的通量和更强的可扩展性。

　　对于我们来说，它的产业化价值恰恰体现在这里：它不仅仅是一个用来“解释一个机理”的科学工具，更有潜力成为一个“提效率”的产业研发平台。

　　企业可以利用它快速比较不同负极材料、电解液、添加剂、表面修饰方案带来的局部反应差异，从而在更短的时间内筛选出更均匀、更稳定、寿命更长的材料体系。

　　如果我们进一步工程化，它完全可以发展为面向电池和材料企业的高通量筛选平台，缩短材料研发周期，减少依赖长时间循环测试的低效试错。对储能企业、电池材料企业乃至先进表征设备企业来说，这都是有实际吸引力的。

　　中能传媒：除了电池研究，这项技术还有哪些更广泛的应用前景？在绿色氢能、催化剂开发等能源领域，它能够发挥什么样的作用？

　　毛献文：这项技术的更广泛意义在于，它并不局限于电池。只要体系中存在“离子参与的界面反应”，理论上都可以成为它的应用对象。这包括但不限于电池负极、正极界面、电催化剂重构、离子交换过程、腐蚀与钝化等。

　　以绿色氢能为例，电解水制氢的关键之一是催化剂。无论是企业还是科研机构，都希望找到成本更低、活性更高、寿命更长、基于地壳丰富元素的催化材料。但催化剂的筛选往往周期长、试错多、成本高。一个典型的难题是过渡金属溶出——这是影响催化剂稳定性和使用寿命的关键问题之一。

　　如果我们把ION技术推广到催化反应中，结合对铜离子等特定离子的荧光探针，就可以在真实工作条件下直接观察铜基催化剂或其他电催化过程中金属原子的溶出行为，从单离子尺度揭示催化剂活性衰减的微观机制。这样一来，研究者就能够更快地判断哪种催化剂更稳定、哪种界面修饰更有效。

　　从更宏观的产业视角看，无论是储能电池还是绿色氢能催化剂，当前研发面临一个共同困境：候选材料很多，但真正高效、稳定、低成本的材料很少，而筛选代价很高。

　　如果能通过类似ION的界面成像平台，更快地识别局部失效机制和活性来源，就能把材料开发从传统的低效率试错，转向更高效、可量化、可预测的筛选流程。

　　对于大型能源企业、材料企业和氢能技术公司而言，这类工具的价值在于缩短材料发现周期、降低研发成本、缩短产业化落地时间。我们相信，随着进一步的技术拓展和工程化，ION有潜力成为一个研究界面反应机制的通用型原位表征平台，并在新一代储能、催化转化、膜分离以及材料稳定性研究中发挥越来越重要的作用。