为了研究太阳能电池、燃料电池和锂电池等能源材料的性质、尺寸和排列方式，我们需要从宏观到原子尺度优化材料性质和界面特性。我们实验室建立了一个全面的能源材料研究流程，其中包括制样设备、真空转移系统、低温样品台、电子显微镜、离子显微镜、石嘴山X射线显微镜技术、光镜，2D和3D探针等设备，对能量材料进行微观、光谱和3D表征。使用带有机器学习功能的软件将这些数据关联，进行数据分析和图像识别，实现数据管理，并更加智能地推动材料和设备的优化。

　　▲ 多模态表征方法找到了固体氧化物燃料电池 (SOFC) 中失效的裂纹。

　　比如，我们利用多模态表征方法来研究SOFC的失效，如上图。完美的SOFC电解质应该无孔，而电极则需要一定的孔隙率，以便气体到达催化剂层。SOFC通常需要在高温下工作，但是由于热膨胀可能引起微裂纹而导致早期失效，上图是利用关联显微镜技术对失效的SOFC样品进行全面分析，包括三维缺陷分析、元素分析、拉曼分析及利用SEM进行孔隙率的分析。

　　过去的十年中，我们一直试图构建电极材料和电化学器件的数据库，这使得我们的显微镜一直在全天候运行。关联显微镜为多尺度研究提供了令人兴奋的成果，而随着原位显微镜技术的发展则能缩短开发新材料的周期。

　　▲ 下一代锂电池分级微结构设计：基于锂离子电池成像和建模的多尺度研究。

　　利用微米CT对电池整体进行观察(如上图)，再利用纳米CT对正极材料和粘结剂两次扫描图像叠加(如上图c,e,f,g)，获得了正极材料和粘结剂的完整3D模型。模拟结果表明，活性材料颗粒的形状和尺寸分布不仅影响锂离子的传输，还会导致沿厚度方向的电流分布不均匀和锂化不均匀。

　　硅基负极材料由于其理论容量高而有望用于下一代锂离子电池，但存在电池容量衰减和电池预期寿命短等问题。对复杂的多相锂离子电池材料的微观结构进行准确的表征有助于指导材料合成和加工工艺术。为此，我们开发和应用先进的成像和分析工作流程，利用人工智技术对电池从毫米到纳米、从2D到3D进行微观结构和化学性质的表征。

　　▲ 使用X射线显微镜和双束电镜对硅基负极材料进行关联成像。绿色区域表示我们关心的兴趣点(VOIs)，为了了解硅基阳极的形貌，我们需要对比度高且纳米尺度的分辨率和微米尺度的视野宽度。

　　多设备关联成像揭示了材料三维尺度上结构和化学组成的变化。由此发现，电池循环引起的形态变化引起了活性物质的不均匀锂化度，以及锂电池的电化学性能不仅取决于所用的活性材料，还取决于其邻近结构，比如3D孔隙网络等。