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      单颗粒力学性能测试系统

      对电池材料颗粒测试压溃强度,可用于评估材料的耐压性,指导辊压工艺,且力学强度高的材料,后续的循环稳定性也会较好。 测试对象:锂电池正负极材料 测试颗粒尺寸:单颗粒粒径大小:5~50μm

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    • 材料表征

      单颗粒电化学性能测试系统

      高质量工况下动态光学成像,以接近光学衍射极限的分辨率纵览真实电池体系内部动态反应过程;超长时间连续稳定拍摄,确保在数以天计的充放电测试过程中测试数据前后定量可比;多种电化学性能测试兼容,反应活性、动力学常数、相变电位、倍率性能、空间异质性分布……多维指标,一机全测。

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    • 全固态电池制程设备->材料表征

      声学共振混合仪

      采用低频声共振混合技术,通过精密控制产生特定频率(通常在55-65Hz区间)的高强度声波振动。这种振动使混合容器内的锂电材料(无论是电极浆料、固态电解质粉末还是高粘度复合体系)作为一个整体发生剧烈的非线性“沸腾”运动,实现宏观对流与微观声流的完美耦合。60Hz配合可高达100g的加速度强度​(相当于火箭推进力的5倍),既能激发物料内部的微观涡流(微声流),又避免高频导致的空化损伤。

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    • 材料表征

      粉末电阻率&压实密度仪

      结合高精度压力控制、厚度和电阻测试系统,四探针和两探针法自由选择,精准测试粉末的电阻率和压实密度,可用于材料研发以及粉末物料批次稳定性监控。 应用:锂(钠)电正负极粉末(LCO/NCM/LFP/Graphite等)、导电剂、固态电解质粉末、其他微米级粉末材料等。

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    • 材料表征

      粉末压实密度仪

      粉末压实密度的测定一方面可作为有效指标监控粉末材料批次间差异,另一方面可作为研发材料评估及工艺优化的有效手段。应用:锂(钠)电正负极粉末(LCO/NCM/LFP/Graphite等)、导电剂、固态电解质粉末、其他微米级粉末材料等。

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    • 材料表征

      浆料电阻仪

      采用上中下三对电极测试浆料不同垂直高度的电阻率,评估不同配方浆料的导电性和随静置时间的沉降性能,助力研发进行浆料配方开发和搅拌工艺稳定性监控。 应用:锂(钠)电正负极浆料和导电剂浆料的材料评估、配方评估、沉降性能评估。

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    • 全固态电池检测解决方案->材料表征

      多维度固态电解质测试系统

      可用于材料粉末层级的综合测试。系统含有氛围保护系统、加压系统、压力测量系统、厚度测量系统、压力锁紧系统、电化学测试系统与一体化软件,可以实现在氛围保护下原位测试固态电解质或电池在不同受压过程中的压实密度与电化学性能变化。

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    • 材料表征->全固态电池检测解决方案

      固态电池高通量力电耦合测试系统

      包含温控系统、电化学性能测试与压力测试系统,可实现RT~80℃条件下的模具电池与软包电池的加压测试,载物托架层采用抽拉式设计,操作方便,可帮助客户实现不同温度下、压力与电化学测试的一体化便捷测试。

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    • 制程表征

      极片电阻仪

      结合高精度压力控制、厚度和电阻测试系统,采用双平面可控压圆盘电极电阻法测试极片的整体穿透内阻,包含涂层电阻、涂层与集流体接触电阻以及集流体电阻的总和,可用于极片配方开发和工艺稳定性监控。 应用:材料评估、工艺评估、电芯失效分析

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    • 制程表征

      极片柔韧性测试系统

      循环测试:可实现单次加压或多次往返测试; 双向测试:测试机构可90℃翻转,支持水平施压以及垂直施压两种测试场景; 离位工装:搭配裁片机和工装,保持极片制样一致性,防止因人员操作导致数据异常; 点检功能:配置第三方计量的标准厚度块&砝码,可定期对设备进行点检。

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    • 制程表征

      极片自动刮粉仪

      优化电池性能,厚涂/分层涂布极片成分分析;为极片整体性能和质量提供工艺验证或反向分析;检测SBR的上浮/异常,作为极片的常规质控项目。

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    • 制程表征

      极片迂曲度测试仪&隔膜离子电导率测试仪

      创造性解决方案: 1. 通过测试极片对称电池的 EIS 来计算极片的迂曲度; 2. 装配简单,自动化测试与分析,简化操作步骤,提高测试效率; 3. 四通道同步测试。

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    • 制程表征

      极片重量法浸润检测设备

      制程工艺评估:评估涂布速度、冷压速度等工艺参数变化后对极片浸润能力的影响; 材料浸润性能评估:评估粉料、binder等材料更换后对极片浸润性能的影响; 电解液浸润性能:评估电解液配方改变后对极片浸润性能的影响。

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    • 制程表征

      极片高度浸润测试仪

      搭载高精度视觉CCD相机与多色环形光源,可对正极/负极/复合隔膜正负极极片进行浸润检测; 大样本库AI检测的加入,增大了测试的准确性。

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    • 制程表征

      极片翻折辊压透光测试仪

      对标锂电行业前工序标准检测工艺,采用精准可控机械翻折+恒压辊压模拟量产工况,对涂布极片进行定角度、定压力折叠辊压处理。

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    • 制程表征

      裸电芯浸润重量测试仪

      面向锂电池卷芯电解液浸润性能评价而开发,本设备显著提升了测试过程的一致性与重复性。 1、自动举升平台与实时称重联动减少了人为操作差异对测试结果的影响; 2、恒定液位设计有效抑制了浮力变化带来的系统误差,使所获得的质量/时间曲线更真实地反映卷芯自身的浸润行为。

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    • 电芯原位产气表征

      原位产气体积监控仪

      多层级产气测试:材料产气 → 单层叠片电池产气 → 小软包电池产气 → 铝壳电池产气(方形或圆柱);多个温度点调节:常温测试 → 高低温测试(RT~85℃水浴控温);多角度产气分析:产气体积 → 产气气压 → 产气成分分析

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    • 电芯原位产气表征

      原位多通道存储产气测试系统

      原位高温存储测试,避免移动带来温度误差;扫码枪+软件数据直接记录,直接生成数据结果,便于分析;适应多通道存储。

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    • 电芯原位产气表征

      方壳&圆柱内压测试系统

      适用于圆柱电池、方壳电池,注液孔尺寸直径:>7mm;量程:2MPa;传感器精度:0.3%F.S;通道数:8通道。

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    • 电芯原位产气表征

      EOL电芯瞬时气压测试系统

      可用于测试拆解 EOL 电芯瞬时气压测试以及异常电池气压测试,反馈电池的瞬时最大气压值。采样频率 :50ms;传感器精度可达 0.3%F.S;含测试、显示、保存数据功能一体;无需插电使用,可对该仪器进行充电。

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    • 电芯原位膨胀表征

      多通道可控温电池原位膨胀分析系统

      多通道可控温电池原位膨胀分析系统CBS1400,可实现多通道原位表征消费类电池,助力消费类电池膨胀分析从而配套硬件设计。

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    • 电芯原位膨胀表征

      圆柱电池原位膨胀测试系统

      光学成像+三维重构+实时在线监控;非接触、无损;高通量检测,适配大规模生产。

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    • 电化学表征

      电化学性能分析仪

      支持电化学阻抗谱EIS,多扫速循环伏安法(CV),线性扫描伏安法(LSV),GITT/PITT/CA/CP测试。支持寿命预测基准数据,精准库伦效率,电池自放电,材料微小副反应测试。电压&电流精度高达0.01%;高达纳安级别的电流控制。

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    • 电化学表征

      电池阻抗测试仪

      “工业级”电池阻抗测试与应用方案:大容量电池的阻抗测试(单次&循环测试);电池一致性分选(异常电池筛查);SOH快速预估(梯次利用);电池失效分析(生产问题排查)。

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    • 电化学表征

      快速电池阻抗筛分系统

      电池一致性快速批量分选;SOH快速预估与电池梯次利用。

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    • 智慧实验室

      自动扣电组装系统

      对电池材料颗粒测试压溃强度,可用于评估材料的耐压性,指导辊压工艺,且力学强度高的材料,后续的循环稳定性也会较好。

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      自动对称电池组装系统

      可实现双面涂布极片的自动切割和涂层自动刮粉; 辅助人工进行电池组装; 电池自动注液、铝塑膜三边封口; 电池组装过程可溯源。

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元能科技表征方案助力《JACS》重磅成果:南大&宁德时代联合揭秘石墨负极快充瓶颈,刷新锂电锂化动力学认知

2026-06-03

通讯作者:梁金鼎*、王伟*

通讯单位:宁德时代21C创新实验室、南京大学化学学院

使用设备:元能科技SPECT-1000单颗粒电化学性能测试系统

 

01 前言

快充,早已成为制约电池迈向更广阔应用的核心痛点之一。而作为锂离子电池中商用最广泛的负极材料,石墨的锂化相变动力学,正是破解快充难题的关键钥匙。

近日,南京大学王伟教授团队联合宁德时代21C创新实验室梁金鼎博士团队,在国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》(JACS)发表重磅研究成果。团队依托与元能共同开发搭建的高时空分辨工况下光学电化学成像平台,首次在真实电化学条件下,直接可视化了单个商用天然石墨颗粒内的多阶段相变过程,发现了此前从未被报道的“随机成核-受限传播”相变机制,厘清了石墨锂化各阶段差异化的决速步骤,为快充电池的材料设计、充电工步优化建立了全新的统一动力学框架。

 

02 研究背景:石墨快充,到底被什么卡住了?

在锂离子电池中,锂在石墨中的嵌入会经历一系列有序的阶转变过程,伴随着不同物相的共存与演化。

图1. 石墨材料负极嵌锂过程中的光学响应

过去几十年里,学界对石墨锂化过程中的决速步骤始终存在争议:早期研究普遍认为,缓慢的锂离子固相扩散是石墨锂化的核心限速步骤;而近年研究则发现,界面离子传输对嵌锂速率的影响更为关键。

争议的核心根源,在于石墨的相变过程本就是非均相、非平衡的动态过程。传统的电化学测试(GITT/PITT、EIS)、XRD等技术,缺乏足够的时空分辨率,难以捕捉到单颗粒尺度下的实时相变动态;同步辐射、电镜等技术又对实验条件要求严苛,难以在真实电池工作环境下实现长时间、无干扰的连续观测。

能不能找到一种方法,直接“看”到石墨颗粒里,锂离子到底是怎么一步步嵌入、物相是怎么一步步变化的?这正是这项研究要解决的核心问题。

 

03 技术突破:眼见为实,“看”清单颗粒锂化全过程

研究团队与元能科技共同搭建了一套单颗粒光学电化学成像系统,这套系统堪称观测颗粒充放电的“火眼金睛”,解决了行业长期以来的技术痛点:

3.1 三维漂移实时校正:通过自研的硬件级漂移校正模块,实现了x-y平面与z轴焦平面的实时主动补偿,解决了长达数天乃至数周的电化学循环中,温湿度波动、颗粒膨胀收缩带来的成像漂移问题,完整保留了颗粒内的局域结构演化信息,为深度定量数据分析铺平道路;

3.2 真实电化学环境兼容:定制设计的光学兼容半电池,与商用扣式电池展现出几乎完全一致的电化学行为,确保了观测结果的可靠性与代表性;

3.3 高时空分辨率成像:空间分辨率接近光学衍射极限,可清晰分辨亚微米级的相变畴区,同时实现了秒级时间分辨率的连续追踪,完整捕捉了从成核到相边界传播的全动态过程。

 

图2. 实验所用观测装置及光学兼容扣式电池结构示意图

 

04 颠覆性发现:石墨锂化,不同阶段有着不同的动力学决速步骤

借助这套平台,研究团队发现了一种此前未被报道的相变行为——“随机成核-受限传播”模式。在嵌锂早期的1L-3L与3L-2相变阶段,离散的相变域会异步成核,随后各自在受限的空间范围内传播边界。

 

 

 

 

 

 

 

图3. 石墨颗粒在3L-2阶相变阶段表现出“随机成核-首先传播”行为

这以特别的相变行为和嵌锂后期2-1阶相变过程中所展示出的经典的“收缩核”相变模式形成了鲜明对比。

 

 
 

图4. 单个商用天然石墨颗粒3L-2阶(上)与2-1阶(下)相变行为的显著差异(比例尺:5 μm)

为什么同一块石墨,不同锂化阶段会展现出完全相反的相变行为?团队通过不同电流密度下的动力学分析,终于揭开了背后的本质原因:石墨锂化的限速机制,是随嵌锂阶段动态切换的。在电位相对较高的早期相变阶段,界面锂离子传输是主导的限速步骤;而随着锂含量升高,在最终的2-1相变阶段,固相扩散成为了新的限速瓶颈。这一发现促使石墨分级相变的统一动力学框架得以建立,澄清了长期以来的学术分歧。

 

图5.  阶段依赖的决速机制示意图

 

 

05 总结与展望

这些结果,为高性能快充电池的理性设计提供了全新的指导。基于对不同阶段限速机制的清晰认知,研究人员可以针对性地优化快充充电协议、设计异质结构的电极颗粒、开发适配的界面化学与电解液体系,从而突破当前石墨负极的快充瓶颈,推动更高功率、更长寿命的快充锂电池的开发。此外,该表征技术也为其他储能材料的反应动力学研究提供了全新的可视化研究平台。

依托与研究团队的联合研发积累,元能科技正式将这套前沿光学电化学成像技术标准化、产品化,推出SPECT-1000单颗粒电化学性能测试系统。

 

产品介绍:

单颗粒电化学性能测试系统可用于电极材料粉末在单颗粒尺度上进行高通量电化学性能综合测试。系统含有显微成像系统、位置控制系统、光学电化学池与一体化软件,可以实现在工况下原位实时动态测试电池材料的多种电化学性能参数。

产品特点:

• 高质量工况下动态光学成像,以接近光学衍射极限的分辨率纵览真实电池体系内部动态反应过程;

• 超长时间连续稳定拍摄,确保在数以天计的充放电测试过程中测试数据前后定量可比;

• 多种电化学性能测试兼容,单颗粒尺度下的反应活性、动力学常数、相变电位、倍率性能、空间异质性分布、体积膨胀……多维指标,一机全测。

测样&设备咨询:
 

王工 18059877081(微信同号)

 

06 论文信息

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c03598

Visualization of Stochastic Nucleation and Confined Propagation in Graphite Lithiation

Haoran Li, Ben Niu, Xinyue Wang, Mai Wang, Jia Gao, Yuyang Lu, Weiyi Liu, Jiao Gao, Xing-hua Xia, Jinding Liang,* Wei Wang*

J. Am. Chem. Soc. 2026, DOI: 10.1021/jacs.6c03598