谈谈原位表征技术在锂电池中的应用
在材料的表征中，我们利用传统的非原位表征，只能获得材料在反应前、反应后的一个状态。但人们希望获取材料在反应过程中的结构变化，这就需要原位技术。
常见的原位表征手段主要包括原位透射、原位拉曼、原位红外、原位XRD、原位XPS、原位电子显微镜、以及原位透射等。
以下是常见的原位表征技术在锂电池研究中的应用及其核心发现，结合最新研究进展进行归纳：
原位透射电子显微镜（In-situ TEM）
传统的 TEM 观测只能对材料在真空环境下进行静态表征，而许多材料的性能和行为在不同环境或实际工作条件下可能发生变化，传统 TEM 无法提供与之相关的信息。传统的 TEM 观测只能对材料在真空环境下进行静态表征，而许多材料的性能和行为在不同环境或实际工作条件下可能发生变化，传统 TEM 无法提供与之相关的信息。
原位TEM测试装置
应用：
利用原位TEM，能实时观察电极材料在充放电过程中的原子级结构演变，如锂枝晶生长、固态电解质界面（SEI）的动态形成及失效机制。
王鸣生团队利用原位TEM构建微米级全固态电池，首次捕捉到锂金属剥离时界面孔洞（Void）的成核、生长与回填过程，揭示了锂金属的“非均匀剥离”和“逐层剥离”两种模式。
原位TEM观测SnO2纳米颗粒在碳壳内的膨胀，下图a所示；原位TEM观测碳壳内Si的锂离子嵌入过程，下图b所示。
原位扫描电子显微镜（In-situ SEM）
相比传统的SEM，原位SEM（in-situ-SEM）作为一种新型的显微成像技术，能够实时观察样品在特定环境下的变化。原位SEM电镜具有广泛的气氛适应性，可以在高温、高压、低温、低压等不同环境中进行观察。这为研究样品在不同条件下的性质提供了便利。
原位SEM装置
应用：
监测电极表面形貌变化（如锂枝晶生长、SEI膜覆盖度）及隔膜在循环中的微观结构演化。
研究InN隔膜在不同电压下的形貌变化，发现其结构稳定性与电池性能的关联。
在Argyrodite基全固态电池中，原位SEM结合EDS揭示电流密度对锂沉积形态的影响（低电流密度下形成Li立方体，高电流密度下呈细丝状）。
原位SEM也存在局限性，需高真空环境，对液体电解质兼容性差。
原位原子力显微镜（In-situ AFM）
应用：
纳米尺度下研究SEI膜的形貌、厚度、力学性能及动态生长过程。
傅强团队通过原位AFM发现高浓度电解液（HCE）形成的SEI更致密且富含LiF、Li2S等无机成分，抑制溶剂共插层并提升循环稳定性。
在HOPG电极表面，AFM动态显示SEI优先在台阶边缘成核，逐渐覆盖整个表面。
原位AFM，能兼容液体环境，可同步获取力学性能数据。
原位X射线衍射（In-situ XRD）
在电池材料的研究中，我们要研究材料充放电之后的一个结构变化，对于非原位XRD测试，就需要涉及到拆电池、极片洗涤、干燥、转移。复杂的过程也容易导致材料被氧化，不利于分析。
原位XRD技术在测试的整个过程中是针对同一材料的相同 位置进行测试，因而通过该测试手段所得到的信息（晶胞参数、 峰强度等参数）具有相对可比性，可以得到一系列实时的结构 变化信息。
原位XRD装置图
应用：分析电极材料在充放电过程中的晶体结构演变（如相变、晶格膨胀）。
研究LiCoO₂在锂化/脱锂过程中的层状结构变化，揭示容量衰减与晶格畸变的关联。
全固态电池中，原位XRD监测固态电解质（如硫化物）的相稳定性。
NCM在充电状态下随温度变化XRD图谱
原位XRD仅适用于晶态材料，难以捕捉非晶态或微观局部变化。
原位X射线光电子能谱（In-situ XPS）
应用：
解析电极表面化学组成（如SEI/CEI成分）及动态演化。
通过氩刻XPS分析SEI层深度分布，发现HCE条件下SEI的无机成分（LiF、Li2S）比例显著提高。
研究石墨电极中FSI⁻和EMIm⁺的共插层行为，明确溶剂共嵌入对电极剥离的影响。
原位核磁共振（In-situ NMR）
应用：
定量分析锂沉积形貌及死锂（电化学非活性锂）的动态演化。
华中科技大学团队利用原位NMR发现堆叠压力对锂沉积的影响：低压下死锂与枝晶相关，高压下与苔藓状锂相关，并揭示压力对SEI影响较小。
同步辐射与中子技术
应用：
多尺度结构分析（从原子配位到宏观形貌），如X射线吸收光谱（XAS）和深度剖面中子衍射（NDP）。
同步辐射XANES揭示高压钴酸锂正极中过渡金属的价态变化，优化电解液配方以稳定CEI层。
中子深度剖面分析（NDP）用于全固态电池中锂离子浓度梯度的定量表征。
该表征技术具有高穿透性与多模态分析能力，适用于复杂封装体系。
原位红外光谱（In-situ ATR-FTIR）
应用：
动态监测电解液溶剂化/去溶剂化过程及界面物种的化学变化。
乔羽团队通过原位红外发现高压下界面Li⁺浓度受电场与溶剂化协同作用影响，提出调控CEI形成的新策略。