过去研究电池靠"拆开看结局"，如今靠"原位表征看过程"——在充放电进行中实时观测，才是读懂衰减的钥匙。

过去研究电池靠 “拆开看结局”，样品需要先拆解、冷冻或干燥处理后再进行表征，最终看到的往往是反应终点的静态结果，而非演化过程，失效机理始终藏在黑箱之中。如今，原位（in-situ /operando）电化学表征正在重构电池研发的底层逻辑 —— 在真实充放电工况、真实温度与应力条件下，实时观测电极材料与界面的动态演化，把以往靠事后解剖的 “尸检” 升级为全程 “直播”，也因此被称为电池研究的 “第四范式”。

一、核心机制：保留 “活体状态” 的多维度实时观测

原位电化学表征的核心，是将电池置于表征仪器之中，在不破坏电池结构、不中断电化学反应的前提下，同步采集电化学信号与材料结构 / 化学 / 形貌信号，实现过程与结果的对应。

传统离线表征的本质是 “终点解剖”：电池循环到特定状态后拆解取出电极，经过清洗、干燥、制样等多步处理后再进行观测。这个过程中，敏感的界面相（如 SEI 膜）容易发生分解、重构，锂枝晶、多硫化物等亚稳态结构会发生变化，最终观测到的并非真实服役状态，更无法捕捉动态演化的中间过程。

原位技术则完整保留了电池的 “活体状态”，不同技术从不同维度打开电池黑箱：

• 原位透射电镜（in-situ TEM） 具备原子级分辨率，能直接观测锂枝晶的形核生长过程、SEI 膜的增厚与破裂、电极材料的晶格演化，是微观失效机理研究的核心手段；
• 原位 X 射线衍射（in-situ XRD） 用于追踪充放电过程中的晶体相变、晶格体积膨胀与应力演化，定量分析相转变动力学；
• 原位拉曼 / 红外光谱 通过特征指纹峰识别电解液分解产物、界面膜的组分变化，原位追踪副反应的发生与发展；
• 原位 X 射线吸收谱（in-situ XAS） 解析过渡金属的价态变化与配位环境演变，揭示正极材料的电荷补偿机制；
• 原位原子力显微镜 / 光学显微镜 记录电极表面的形貌演变、气泡生成与体积变化，实现微纳尺度的动态成像。

原位表征的关键在于 “联用”：让电压、电流等电学信号与结构、化学、形貌信号在时间轴上严格同步，从而把宏观的电化学现象对应到微观的作用机理。正因如此，原位表征不再是单一的测试工具，而是打通 “材料结构 - 界面反应 - 电化学性能” 关联的核心桥梁。

二、产业信号：从高校实验室加速走向企业研发中心

原位表征技术正快速从 “高校科研专属” 走向产业端的研发中心，成为头部电池企业的核心研发基础设施。

学术端成果持续涌现。2025 年，兰州大学团队在《Materials Science & Engineering B》发表原位电化学表征综述，系统梳理了该技术在锂硫、钠电、全固态等新体系电池中的应用进展，建立了原位技术的方法学框架；复旦大学团队在《Nano-Micro Letters》发表原位 TEM 专题综述（DOI: 10.1007/s40820-025-01720-5），聚焦高分辨实时成像技术在电池微观失效分析中的应用，为材料改性提供了直接的观测依据。

产业侧布局明显加速。宁德时代、比亚迪等头部动力电池企业纷纷与仪器厂商、高校共建原位表征联合实验室，将原位 X 射线、原位电镜、原位光谱技术体系化地应用于高镍正极材料筛选、硅负极失效分析、固态电池界面解析等研发场景。背后的逻辑非常清晰：当电池技术进入 “高镍正极、硅基负极、全固态” 的高难度时代，依赖经验的试错式研发已经触碰到效率天花板，必须用 “看见过程” 的精准研发来加速材料迭代与工艺优化。

三、研发效率的核心杠杆点

原位表征之所以成为行业焦点，本质上因为它处在电池研发效率的核心杠杆点上，能够从底层缩短技术从实验室到量产的周期。

一个新电池体系从立项到量产，最大的卡点往往是 “为什么衰减、哪里先坏” 说不清楚。传统研发模式需要做大量平行实验，通过拆解不同循环周期的电池反推机理，试错成本高、周期长。原位技术则直接把黑箱变成透明箱：能看到 SEI 膜在哪个电压下开始破裂、锂枝晶在多少次循环后开始刺穿隔膜、多硫化物在什么倍率下发生显著迁移，失效机理从推测变成直观可见，研发周期因此大幅压缩。

对产业而言，这意味着更低的试错成本、更快的材料迭代、更短的产品上市周期；对国家层面而言，这是电池领域 “基础研究 — 工程化” 闭环里的核心基础设施能力。谁掌握了更先进的原位表征平台与解析能力，谁就能更快逼近下一代电池的性能真相。在全球电池技术的专利与标准暗战中，表征能力本身就是一种核心技术话语权。

四、主流 “工具箱”：四类技术与联用趋势

原位电化学表征是一个技术集群，不同工具观测不同的维度，各有适用边界，当前的核心发展趋势是多技术联用与数据驱动解析。

显微成像类（原位 TEM、原位 SEM、原位 AFM）主打形貌与纳米结构观测，优势是 “眼见为实”，可直接观测微纳尺度的结构演化，是失效机理研究的首选；但其对原位池的设计要求极高，观测区域小，统计代表性有限。

衍射散射类（原位 XRD、原位中子衍射、原位 SAXS）主打晶体结构与应力分析，可定量分析晶相变化、晶格膨胀、位错演化，适合研究相变与体积效应；但无法观测非晶相与界面组分。

谱学分析类（原位 Raman、原位红外、原位 XAS、原位质谱）主打化学态与反应产物识别，可解析分子结构、元素价态、配位环境，是界面反应与副产物研究的核心；但缺乏直接的形貌信息。

光学与声学类（原位光学显微镜、原位超声）适合大视场观测与工业级无损检测，可实现长周期的动态监测，成本低、易集成；但分辨率有限，难以解析纳米级机制。

近年的核心趋势是operando 多技术联用：在同一颗原位电池上同时接入电学测试与多种表征探针，实现形貌、结构、化学信息的同步采集；再结合 PCA（主成分分析）等数据降维方法，从海量的实时信号里提取关键特征，工具的能力正在从 “看到” 走向 “看懂”。

从科研利器到产线质检

原位表征的下一站是"下产线"。一方面，同步辐射大科学装置与实验室级原位设备互补，让机理研究更普惠；另一方面，基于光学、声学的 原位在线监测正被嵌入电芯制造与梯次利用分选，做"出厂前体检"。挑战在于：原位池（in-situ cell）要既保真实电化学又适配仪器真空/光路，且数据标准尚未统一。随着国产仪器与开源分析流程成熟，原位表征有望从"论文神器"变成"产业标配"。更值得期待的是"原位 + AI"的融合：用机器学习实时解读海量表征信号，自动定位异常相变与失效起点，把资深工程师的经验固化成可复用模型，将原本依赖专家的解读变成标准化研发流水线，进一步拉低高水平电池研发的门槛。归根结底，原位表征卖的不是仪器，而是"看清本质"的能力——它让电池研发从经验驱动的试错，转向机理驱动的精准设计，这正是从"制造"走向"智造"的关键一步。