了解蔡司工業顯微鏡解決方案

全固態鋰電池是一種使用固態電解質代替傳統液態電解質的電池技術，因其具有更高的安全性、更高的能量密度和更寬的工作溫度范圍，被視為下一代鋰電池技術的研究熱點的希望之星。

鋰離子電池上世紀90年代成功商業化以來大規模被應用于消費電子、醫療電子、新能源汽車、電動自行車、電動工具、無人機、規模儲能、數據中心和國家安全等領域。商業化鋰離子電池一般采用液態電解質, 然而電芯級別負極析鋰、固態電解質界面層(SEI)持續生長、正極過渡金屬溶解、析氧、電解液氧化分解等化學、電化學以及熱的不穩定性使得液態電解質的使用存在固有的安全隱患。固態電解質具有較高的熱穩定性和化學穩定性, 有望從根本上解決鋰電池的安全性問題。

在當今能源領域，全固態電池憑借其高能量密度、出色安全性等優勢，成為未來電池技術發展的重要方向，備受全球研發人員與企業關注。然而，這條通往理想能源的道路布滿荊棘。全固態電池在倍率性能、循環壽命等關鍵性能指標上，距離大規模產業化應用仍有較大差距。與此同時，復雜的界面問題以及嚴苛的制造工藝要求，也如同兩座難以逾越的大山，橫亙在研發人員面前，嚴重阻礙全固態電池的研發進程。面對這些棘手難題，ZEISS Crossbeam350的 InCycle Pro 原位 FIB 充放電觀測解決方案，為固態電池研發領域帶來新的曙光。這款系統具備眾多令人矚目的亮點，猶如一把利刃，精準切入固態電池研發的痛點。

 一 、全方位體系兼容，適配多樣研究需求

全固態電池包含多種化學體系，從常見的鋰基體系，到新興的鈉基體系等。不同體系在材料特性、反應機制等方面 ZEISS InCycle Pro 原位 FIB 系統展現出強大的適應性，無論是全固態電池、半固態電池，無論采用何種全固態化學體系，均可匹配并為操作及研發人員提供統一、可靠的觀測平臺，無需因體系差異頻繁更換設備或調整實驗方案，從而提高研究效率。

 二 、深度洞察界面奧秘，攻克關鍵難題

在全固態電池中，固固界面的特性對電池性能起著決定性作用。然而，由于固固界面的復雜性，傳統觀測手段往往難以深入剖析其微觀結構與反應過程。ZEISS InCycle Pro 原位 FIB 系統搭載先進的聚焦離子束 - 掃描電子顯微鏡（FIB - SEM）技術，能夠像一位精密的 “手術醫生”，對電池內部各界面進行深度分析。研發人員可以清晰觀察到界面的微觀形貌，還可以在感興趣的區域內，根據研究需求進行切割，獲取更詳細的界面信息。通過這種方式，固固界面在充放電過程中出現的離子傳輸障礙、界面反應副產物等問題將無所遁形，為解決界面問題提供關鍵線索。

 三 、精準測試可控，模擬多樣工況條件

電池的性能表現與工作環境密切相關，因此，在研發過程中需要模擬各種實際工況條件進行測試。ZEISS InCycle Pro原位 FIB系統在這方面展現出卓越的能力。支持在設定的電流及電壓范圍內開展測試，能夠精準模擬不同使用場景下電池的充放電過程。同時，該系統的溫度調節范圍極為廣泛，可達 - 100°C 至 100°C，無論是在極寒的戶外環境，還是在高溫的工業應用場景，都能模擬相應溫度條件對電池進行測試。此外，在循環測試時，系統可施加和測量高達 125 MPa 的壓力，且壓力精度達 0.1 kPa，這對于研究電池在不同壓力條件下的性能變化，尤其是固態電池中壓力對固固界面穩定性的影響，具有重要意義。研發人員可以通過精確控制這些測試參數，全面了解電池在各種工況下的性能表現，為優化電池設計提供豐富的數據支持。

▲急速冷卻到零下70度

▲在恒定壓力下進行不同溫度測試

▲隨著溫度升高，阻抗降低

固態電池在運行過程中，固態電解質以及全固態電池內部的阻抗特性是衡量其性能優劣的關鍵指標之一。

蔡司InCycle Pro解決方案對于不同壓力，溫度下，原位檢測固態電池內部阻抗提供了堅實的平臺。

 四 、穩定捕捉細微變化，助力長期性能研究

電池的長期循環穩定性是評估其性能優劣的重要指標之一。在長循環次數下，電池內部會發生一系列復雜的物理和化學變化，這些變化極其細微，但卻對電池性能產生深遠影響。ZEISS InCycle Pro原位FIB系統配備能量色散譜（EDS）分析功能，能夠在長時間的循環測試中，穩定監測電池內部的所有變化。無論是材料元素的遷移、界面成分的演變，還是微觀結構的細微調整，都能被精準捕捉并記錄下來。這種高穩定性和高靈敏度的監測能力，為研發人員深入研究電池的長期性能演變機制提供有力工具。通過對這些變化數據的分析，研發人員可以預測電池的壽命，提前發現潛在的性能問題，并針對性地改進電池材料和結構設計，從而有效提升電池的長期循環穩定性。

 五 、便捷樣品處理流程，保障實驗高效進行

在電池研究實驗中，樣品處理的便捷性和安全性直接影響實驗效率和結果的準確性。樣品裝載可在手套箱內進行，這一設計能夠有效避免樣品在裝載過程中與空氣接觸而發生氧化或其他化學反應，確保樣品的原始狀態不受影響。裝載完成后，通過惰性氣體樣品轉移倉，樣品能夠方便地從惰性環境轉移到電鏡倉室，整個轉移過程簡單高效。

 六 、實戰應用案例：利刃出鞘，破解研發難題

ZEISS InCycle Pro 原位 FIB 系統不僅理論優勢突出，實際應用中更是戰績斐然，成為科研團隊破解固態電池研發困境的 “殺手锏”。

1、可變壓力電解質阻抗研究 —— 精準把控 “壓力 - 阻抗” 關系

固態電池電解質的阻抗特性，受溫度、壓力雙重因素影響，傳統測試手段難以精準捕捉動態變化。ZEISS  InCycle Pro 支持 5 - 15 MPa 壓力梯度測試，搭配寬溫域（-100℃ - 100℃ ）環境，可實時采集阻抗譜。從測試曲線能夠清晰看到：不同壓力條件下（5MPa、10MPa、15MPa ），阻抗變化趨勢呈現差異化規律，壓力越高，阻抗峰位與衰減速率明顯不同 。研發人員能夠精準找到 “壓力 - 阻抗” 最優匹配區間，為電解質配方優化、壓制工藝調整提供數據支撐，有效解決固態電解質阻抗調控難的核心問題。

可變壓力電解質阻抗研究

2、電池循環失效點實時分析 —— 精準定位 “失效元兇”

固態電池循環過程中，失效點隱蔽、機理復雜，傳統方法難以實時定位。InCycle Pro 支持在充放電、溫度、壓力耦合的循環工況下，實時監測電壓異常波動，如電壓曲線中的驟降 / 驟升拐點 ，并同步觸發 FIB - SEM 微觀成像。在實際案例中，通過電壓曲線鎖定失效區間后，電鏡下可直觀觀察到電解質 / 電極界面出現裂紋擴展、材料剝離等現象。這將 “循環失效” 從難以捉摸的 “黑箱問題”，轉變為可直觀分析的 “可視化過程”，助力研發人員快速鎖定失效誘因，如界面接觸不良、應力集中等，加速電池結構與工藝優化。

電池循環失效點實時分析

3、電極 / 電解質固 - 固界面研究—— 洞悉 “界面微結構”

固態電池的 “固 - 固界面” 是性能瓶頸的關鍵所在，界面接觸差、反應副產物積累，都會導致阻抗飆升。InCycle Pro 借助 FIB - SEM “微納手術刀”，可對界面區域精準切割、成像。從案例圖中可以發現：即便在正常循環數據下，界面也可能隱藏微裂紋、相分離等問題；通過電鏡高分辨率圖像，能夠清晰觀測界面形貌演變，如電解質與電極的結合狀態、界面層厚度與成分變化 。這為優化界面，如調整燒結工藝、引入界面修飾層 ，提供直接依據，破解了 “界面調控憑經驗” 的行業難題。

電極/電解質固固界面研究

較正常循環數據下也可能暴露出一些問題

4、循環過程元素分布分析 —— 追蹤 “元素遷移軌跡”

固態電池循環中，元素遷移、富集、流失，直接影響容量衰減與安全性能。InCycle Pro 集成 EDS 能譜分析，支持在充放電、溫度壓力協同的循環工況下，實時實施繪制元素分布。在案例中，通過 P、S、Cl 等元素分布圖，能夠清晰看到循環后電解質 / 電極界面，元素擴散路徑、富集區域，如 S 元素在電極側的異常聚集 。這將 “元素動態遷移” 從理論推測變為 “可視化追蹤”，為設計高穩定性電極 / 電解質，如抑制元素穿梭、優化材料化學兼容性 ，提供關鍵數據。

在循環過程中分析結構中的化學元素分布

實際應用案例：原位觀察硅基負極在全固態電池中的變化 —— 捕捉 “硅負極膨脹失效”

硅基負極因高比容量備受關注，但在全固態電池中，硅的體積膨脹易導致電極開裂、界面剝離，引發電池失效。InCycle Pro 為觀測硅基負極 “膨脹 - 失效” 全過程提供了 “顯微鏡 + 時間相機” 的組合能力。

在原位觀察硅基負極在全固態電池中的變化研究中，以采用 Li - In（鋰銦合金）、LPSCl（硫銀鍺礦型硫化物固態電解質）、SiNW + Cu（硅納米線 + 銅）的樣品，在 40°C、82 MPa 條件下，InCycle Pro 完整記錄了:

初態

硅納米線與電解質、銅集流體緊密接觸，界面平整；

隔夜靜置

微小裂紋開始在硅納米線 / 電解質界面萌生，裂紋寬度約 100nm；

充放電循環中

裂紋在循環次數增加后快速擴展，裂口增大至數微米，硅納米線從集流體剝離，電解質也因應力出現破碎。

 七 、總結：ZEISS InCycle Pro—— 固態電池研發的 “全能引擎”

從電解質阻抗調控、循環失效分析，到界面微結構優化、元素遷移追蹤，InCycle Pro 以 “原位、多維度、精準可控” 的核心優勢，將固態電池研發從 “經驗試錯” 推向 “數據驅動”。無論研究鋰基 / 鈉基體系、全固態電池 / 半固態電池構型，它都能成為破解 “固態電池產業化難題” 的關鍵工具 —— 讓 “微觀機理” 可視化，讓 “性能優化” 更高效！

蔡司擁有豐富的產品線包含顯微鏡，藍光掃描儀，三坐標，工業CT，助力全面解決客戶面臨質量挑戰與痛點。

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