锂离子电池是目前商业上最成功的电化学器件，广泛应用于智能电子、电动汽车、电网储能等领域，但其在能量密度、循环性、倍率能力、安全性等方面的性能还有待进一步提高。为此，有必要了解电池内部详细的结构演变过程。许多先进的成像技术已经开发出来，可以直接监测电池内部的状态并获取一些关键信息。对于先进的成像技术，需要超高分辨率、充分信息功能、样品不破坏和现场观测。
针对上述现象，华中科技大学黄云辉教授、沈越教授等人在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Recent Progress on Advanced Imaging Techniques for Lithium-Ion Batteries”的文章。本文第一作者是Zhe Deng。
本文介绍和讨论了近年来电池研究中各种先进成像技术的一些重要进展。这些成像技术使亚微米级化学价态分布、固-电解质界面演变、锂枝晶生长和微量气体析出等可视化成为可能，极大地促进了可充电电池的发展。特别值得注意的是，最近开发了一种新的超声波成像技术来监测气体的产生、电解液的润湿过程和电池的充电状态。最后，作者展望了锂离子电池和其他充电电池成像技术的发展前景。
锂离子电池（LIBs）具有能量密度高、循环寿命长等优点，在智能电子、电动汽车、大型储能等领域得到了广泛的应用。自1991年索尼首次商业化以来，研究人员从未停止过对其性能的改进。在过去的三十年里，LIBs的能量密度从大约90 Wh-kg-1增加到300 Wh-kg-1，增加了3倍多。同时，循环寿命、倍率能力和安全性也得到了显著的提高。2019年，Goodenough, Whittingham, 和 Yoshino因其在发明锂离子电池方面的巨大贡献获得了诺贝尔化学奖，这是可充电电池发展的一个激动人心的里程碑。随着人类社会的进步，电动汽车、大型储能系统乃至智能电子技术的飞速发展，对可充电电池的能量密度和安全性提出了更高的要求。因此，不断提高LIBs的性能一直是至关重要的
LIB是一个内部结构复杂的封闭系统。为了提高其性能，有必要使用多种表征技术来检查和理解充放电过程中的内部变化。LIBs的结构变化有不同的尺度，包括原子尺度的晶体结构演变、纳米尺度的固体电解质界面（SEI）生长、微米尺度的电极颗粒粉碎和宏观尺度的电池膨胀。所有这些变化都可能影响电化学性能。最好直接调查这些变化发生的地点和方式。因此，许多成像技术的出现和发展，使得电池结构信息具有二维或三维的空间分辨率，这有助于研究人员分析电池的失效机理，从而进一步开发出适用于实际应用的LIBs。
一般来说，成像技术的本质是基于使用介质与被测样品相互作用。介质作为信息载体，带来样品的结构信息。通过采集这些信息载体并分析其传输路径，可以得到具有空间分辨率的样本结构。LIB成像常用的信息载体包括X射线、紫外线（UV）和可见光、红外线（IR）、电子束、中子束、离子束和超声波。这些信息载体可以被视为电磁波、德布罗意波或机械波。信息载体的波长决定了成像技术的分辨率极限。由于衍射，空间分辨率的极限约为波长的一半。因此，基于电子束、离子束、X射线和中子束的成像技术理论上能够获得电极颗粒的纳米级结构信息，而基于紫外、可见光、红外和超声的成像技术只能表征微米级或毫米级的电池结构。
另一方面，信息载体的传输深度在很大程度上决定了成像技术是原位成像还是异地成像。由于LIB是一个封闭系统，信息载体需要通过封装材料进行传输，与电化学活性材料相互作用。基于中子、X射线和超声波的成像技术由于具有高的透过率，可在手术中应用于实际的囊细胞。相反，在传统情况下，离子束、电子束和基于紫外/可见光/红外的成像技术通常是非原位的方法，需要细胞拆卸。然而，用这些方法原位观察电化学变化是可取的。为了解决这一问题，近年来设计了许多具有超薄或透明观察窗的专用细胞，极大地促进了LIBs的研究。然而，我们也应该注意到，专业的原位电池和真正的电池在电化学环境上仍然存在很大的差异。
信息载体的波长和穿透深度是成像设备设计的基本参数。例如，对于X射线，高能量有利于分辨率和透射深度。因此，为了获得高能量、高剂量的X射线，人们建造了大型同步辐射站。相比之下，对于超声波，高频提高了分辨率，但拖低了传输深度。有必要考虑分辨率和传输深度之间的权衡，因此通常采用中等频率。
各种信息载体及其组合衍生了许多成像技术，这些技术在LIB研究中非常有用。载体对相应的结构信息敏感。因此，这些成像技术不仅可以显示样品的形貌，而且可以表征样品的元素组成、化学价态、化学键结构、应力、热导率等的分布。近年来，LIBs成像技术发展迅速。许多以前不清楚的结构演化过程现在变得越来越明显。因此本文综述了近年来该领域的一些重要进展。
Recent Progress on Advanced Imaging Techniques for Lithium-Ion Batteries
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000806
黄云辉，华中科技大学教授、博导，校学术委员会副主任，教育部“长江学者”特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，新世纪“百千万人才工程”国家级人选，国务院政府特殊津贴获得者。分别于1988、1991和2000年在北京大学获得学士、硕士和博士学位，师从高小霞先生和徐光宪先生从事电分析化学和稀土无机化学研究；2002年任复旦大学副教授，期间在日本东京工业大学作为JSPS研究员开展磁电阻功能材料方面的合作研究，2004-2007年在美国得州大学奥斯汀分校师从John B. Goodenough教授（2019年诺贝尔化学奖得主）从事锂离子电池和固态氧化物燃料电池研究。2008年回国到华中科技大学工作，创建了动力与储能电池实验室，2010-2017年任材料科学与工程学院院长和学术委员会主任。主要研究领域包括锂离子动力与储能电池、下一代锂硫和锂-空气电池、钠离子电池、固体氧化物燃料电池，在Science、Chem. Soc. Rev.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.等学术期刊上，发表学术论文累计400余篇，其中ESI高被引论文54篇、热点论文10篇，2篇论文入选年度“中国百篇最具影响力的国际论文”，引用2.5万余次，为科睿唯安材料领域全球高被引科学家和爱思唯尔中国高被引学者，授权或公开专利30余件。锂离子电池正极材料、快充技术、电池健康状态超声检测技术等成果已实现应用。2012年获中国侨界贡献奖（创新人才），2015年获教育部自然科学一等奖、2016年获国家自然科学二等奖。
沈越，博士，华中科技大学材料学院副教授。在北京大学获得本科及博士学位，其间在美国佐治亚理工学院交流访问2年；2011年加入华中科技大学。长期从事锂空气电池、纳米材料与器件等方面的研究，主持国家自然科学基金面上项目1项，青年项目1项，以第一作者或通讯作者身份在Science、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等学术期刊上发表学术论文累计10余篇，其中6篇发表在影响因子大于10的期刊上。获国家授权发明专利4项。本课题组发明的锂离子电池超声波检测技术可以无损检测电池产气、析锂、老化等信息，并实时获得超高精度的电池荷电状态，应用于电池研发、质量控制、电池管理系统等领域，取得了良好的效果，获得了产业界的广泛认可。
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