一塊手機電池，在使用500次后為何隻剩80%電量？一輛電動車，為何在寒冬續航驟減、甚至突發起火？答案藏在電池內部那個看不見、摸不著的“黑箱”裡。

據了解，鋰離子電池系統的整體性能和安全性主要取決於電極材料，然而，長期以來，科學家始終缺乏一種能夠在真實工作條件下、實時原位追蹤鋰離子遷移和電極材料結構演化的有效手段，“這就像醫生無法剖開病人胸腔觀察心臟跳動一樣，這項技術瓶頸始終沒能突破”。

如今，華東師范大學重慶研究院曾和平教授團隊，終於找到了打開這個“黑箱”的鑰匙。

團隊創新研發了一種名為“瞬態干涉光譜技術”（TIBS）的新型分子鍵敏感探針，成功打開了觀察電池內部“黑箱”的原子級窗口。而這把“鑰匙”的工作原理，就像給電池做了一次“分子水平的爆炸CT”。

這項技術日前以封面論文形式發表在國際能源領域頂級期刊《Energy & Environmental Science》（影響因子30.8）上，被評價為“成功彌合了傳統元素分析與分子水平內在檢測能力之間的長期鴻溝，為高精度、高通量的電池狀態診斷提供了全新的技術路徑。”

三光絲等離子體光柵鍵敏探針。華東師范大學重慶研究院供圖

極端光場直接“炸開”分子鍵

TIBS技術的核心，是利用三個飛秒激光脈沖在空氣中構建出比頭發絲還細得多的等離子體光柵通道——寬度僅幾個微米，而傳統的飛秒光絲直徑通常約100微米。通道越細（窄），能量越集中。在這裡，激光峰值強度被提升至每平方厘米10¹⁴瓦以上，可產生與分子內電場相當的極端電場。

在這樣的極端電場下，激光會通過隧穿電離直接斷裂材料的分子鍵，並觸發庫侖爆炸——分子在瞬間失去多個電子后因強烈的靜電排斥力四分五裂。

神奇的是，這一劇烈過程能夠保留原始分子結構的“指紋信息”，使得研究人員可以通過分析爆炸后產生的原子和離子碎片的光譜特征，反推出材料原本的化學狀態和局部環境，而不受復雜的電極基體效應干擾。

精准識別低至0.3%的鋰濃度變化

實驗結果顯示，TIBS技術能夠清楚區分電池中“好”的活性鋰化合物和“壞”的副產物——氧化鋰（Li₂O）。后者是導致電池容量衰減、內阻增加乃至熱失控的元凶之一。

在氧化鋰的光譜中，鋰元素在460.3納米和497.2納米處的特征峰強度，遠高於在磷酸鐵鋰或鈷酸鋰中的強度。原因在於，氧化鋰中的氧負離子更容易被直接電離，導致更劇烈的庫侖爆炸，從而放出更強的鋰信號。

令人驚喜的是，研究團隊將TIBS與機器學習算法結合后，神經網絡模型能夠精准識別低至0.3%的鋰濃度變化，平均識別准確率達到94.7%，這意味著TIBS實際上具備了識別原子尺度結構差異的能力。

從表面到內部，逐層“解剖”

與許多只能分析材料表層信息的技術不同，TIBS還具備深度剖析能力。通過調節激光脈沖的能量和數量，研究人員可以從電極表面到內部一層一層地“剝開”觀察，獲取隨深度變化的成分與結構信息。這對於研究電極厚度方向上的非均勻脫鋰和界面副反應至關重要，而這些正是影響電池循環壽命和安全性的關鍵因素。

而且，這項技術具有廣泛的普適性。原則上，它可以檢測任意元素，適用於軟材料、有機組分、聚合物等多種材料體系，以及固體、氣體、液體幾乎全物態的樣品。對於電池領域而言，它可以很方便地檢測薄膜、厚電極、粉末等多種形式的樣品。

該研究由華東師范大學重慶研究院胡夢雲副教授和博士研究生萬恩來擔任共同第一作者，曾和平教授為通訊作者。研究工作獲得了國家科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、重慶市科技局、上海市科學技術委員會以及華東師范大學的聯合支持。

“這項技術的意義，相當於為電池研發者配上了一副能看見原子的‘眼鏡’。”團隊表示，通過整合理論建模、實驗診斷與機器學習，TIBS技術為鋰離子電池電極材料提供了一種快速、高精度的綜合檢測方法。它不僅可用於電池組件的質量與安全控制，實現電池性能的快速監測和健康狀態判定，還為下一代高能量密度儲能系統（如涉及陰離子氧化還原反應的復雜正極材料）的開發，提供了關鍵的原子尺度結構分析工具。（孫建和）