清潔高效的儲能技術對于建立可再生能源基礎設施至關重要。鋰離子電池已經在個人電子設備中占據主導地位，是可靠的電網級存儲和電動汽車的有希望的候選電池。然而，需要進一步開發以提高其充電率和使用壽命。

為了幫助開發這種充電速度更快、壽命更長的電池，科學家需要能夠理解運行電池內部發生的過程，以確定電池性能的限制。目前，在活性電池材料工作時可視化需要復雜的同步加速器X射線或電子顯微鏡技術，這可能是困難和昂貴的，并且通常無法足夠快地成像以捕獲快速充電電極材料中發生的快速變化。因此，在單個活性粒子的長度尺度上以及在商業相關的快速充電速率下的離子動力學在很大程度上仍然沒有被探索。

劍橋大學的研究人員通過開發一種低成本的實驗室光學顯微鏡技術來研究鋰離子電池，從而克服了這個問題。他們檢測了Nb14W3O44的單個顆粒，這是迄今為止最快的充電陽極材料之一。可見光通過一個小玻璃窗進入電池，使研究人員能夠在真實的非平衡條件下實時觀察活性粒子內的動態過程。這揭示了在單個活性粒子中移動的類似鋒面的鋰濃度梯度，導致內部應變，導致一些粒子斷裂。

顆粒斷裂是電池的一個問題，因為它會導致碎片的電氣斷開，降低電池的存儲容量。來自劍橋卡文迪什實驗室的合著者克里斯托夫·施內德曼博士說：“這種自發事件對電池有著嚴重的影響，但在這之前永遠無法實時觀察到。”。

光學顯微鏡技術的高通量能力使研究人員能夠分析大量顆粒，揭示了脫鋰率較高和顆粒較長時，顆粒開裂更為常見。“這些發現提供了直接適用的設計原則，以減少此類材料中的顆粒斷裂和容量衰減，”第一作者、劍橋卡文迪什實驗室和化學系博士候選人艾麗斯·梅里韋瑟（Alice Merryweather）說。

展望未來，該方法的主要優勢鈥攊包括快速數據采集、單粒子分辨率和高通量能力鈥攚我將進一步探索電池發生故障時會發生什么以及如何預防。該技術可用于研究幾乎任何類型的電池材料，使其成為下一代電池開發中的一個重要組成部分。

這項研究發表在《自然材料》雜志上。