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水系电池实验室

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形貌与晶体结构

三维形貌图

对电极表面的三维形貌进行测试，用以分析表面状态：包覆均匀性，沉积均匀性，电极表面稳定性等。

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表界面均匀性

对电极表面的三维形貌进行测试，用以分析表面状态：包覆均匀性，沉积均匀性，电极表面稳定性等。

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原位沉积/剥离/产气监测

原位观测电极表面的状态来实现对金属离子沉积，剥离效果或者副反应进行观察，用来证实沉积更均匀、剥离更均匀或副反应更少。

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晶体取向分布

通过电子背散射衍射或XRD极图获得晶体学取向信息（晶粒大小，方向与分布状态等）。

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二维XRD衍射

利用二维X射线衍射仪或同步辐射XRD测试获得二维XRD衍射谱图。相比传统的一维XRD，不仅可以反应织构等信息，更可以显著提高论文档次。

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组分分布

离子浓度动态分布图

通过原位观测界面处金属离子浓度的变化，实现对电解液、电解液添加剂、界面修饰剂的离子传输动力学进行表征。

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电化学活性分布图

利用扫描电化学显微镜对电池材料进行测试，在二维空间上分辨区域电化学活性：哪些区域活性高，哪些区域已经失活。

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二维/三维化学组成分布

利用TOF-SIMS对电池材料或极片进行测试，从而获得其表面成分分布或三维体相成分分布。

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稳定性

原位气压监测

在静置时或电池充放电过程中原位监测气压的变化，用来表征电极片、电解液或体系的稳定性。

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原位电极质量监测

在充放电过程中对单个电极的质量变化进行监测，从而证明电化学反应的可逆性以及长循环稳定性。

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电池稳定性与产气分析

对电化学反应中的挥发性反应物、中间体、反应产物进行定性和定量分析（如氢气，氧气，硫化物等），用以分析电池材料、电解液、界面的稳定性。

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原位谱学

原位电化学阻抗谱（原位EIS）

在充放电过程中利用电化学工作站不断测试电池的电化学阻抗谱，用以分析阻抗变化，揭示电化学过程，反应动力学和或性能改善机理。

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原位红外（水系电池）

在充放电过程中持续进行红外光谱测试，实时解析界面官能团与中间体吸收峰演变，量化副反应和 SEI 形成动力学，助力料优化与电极性能改善。

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原位拉曼（水系电池）

在充放电过程中持续进行拉曼光谱测试，监测电极表面物质结构和性质变化，揭示电化学反应机理、中间产物状态，SEI信息。

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原位XRD（水系电池）

在充放电过程中不断进行XRD测试，追踪晶体结构变化，揭示相变机理、电荷存储机理和性能衰减根源。

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理论计算

相场模拟

通过相场仿真技术，模拟在不同电场或离子浓度下的金属离子沉积过程，揭示枝晶生长机理和改性机理。

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双电层结构模拟

通过分子动力学方法来模拟电极表面的双电层结构，研究界面结构和成分分布对性能的影响。

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离子扩散能垒

通过DFT计算来获得离子在电极表面或内部的扩散能垒，用以表征离子传输性能。

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物质迁移与扩散

通过分子动力学(MD)方法研究水系电池中的物质迁移与扩散。

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氢键数量与分布

通过分子动力学（MD）来研究氢键分布和数量，用以研究离子传输性能

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金属离子溶剂化结构

通过分子动力学方法来模拟不同添加剂在电解液组分中与Zn离子结合配位情况。

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分子极性指数与配位结构

利用DFT计算，以分子极性指数（MPI）为描述符，建立离子与分子结合能模型，说明离子配位结构及其可能的影响。

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阴离子极性

通过计算阴离子表面的静电势（ESP）分布来量化阴离子的极性（API），分析与水分子的结合能力，辅助优化电解液。

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电解液稳定性与SEI

通过量子化学计算不同电解液分子轨道能级（HOMO与LUMO），用来估算电解液稳定性，电化学稳定窗口，定向设计SEI/CEI成膜添加剂，评估副反应与安全风险，揭示界面电子转移机理。

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案例展示

形貌与晶体结构

三维形貌图

Benchmarking Corrosion with Anionic Polarity Index for Stable and Fast Aqueous Batteries Even in Low-Concentration Electrolyte

Advanced Materials, 2025

作者监测了锌负极在不同电解液下锌沉积的形貌演变过程，证明了在优化的电解液中锌沉积更加均匀。

晶体取向分布检测

Single [0001]-oriented zinc metal anode enables sustainable zinc batteries

Nature Communications, 2024

作者对两类不同锌负极进行了晶体学取向测试，发现Com-Zn颗粒尺寸与晶体取向分布均不均匀。作为对比，另一中Zn不仅尺寸均匀而且整体取向一致。这种[0001]取向结构有利于避免枝晶形成同时保持结构稳定

监测界面处离子浓度动态分布

Tandem Chemistry with Janus Mesopores Accelerator for Efficient Aqueous Batteries

JACS, 2024

作者对锌金属负极进行了界面修饰，通过原位监测界面处的离子浓度分布，证实了特定修饰可以促进锌离子扩散，从而避免锌枝晶形成。

解析电极材料三维化学成分分布

Benchmarking Corrosion with Anionic Polarity Index for Stable and Fast Aqueous Batteries Even in Low-Concentration Electrolyte

Advanced Materials, 2025

作者利用TOF-SIMS对锌负极表面的SEI膜成分进行了研究，揭示了其厚度，化学组成和空间分布。

电池稳定性与产气分析

An energetic K⁺-S aqueous battery with 96% sulfur redox utilization

Joule, 2024

作者对高浓电解液中硫电极进行了产气监测，发现无氢气，氧气或硫化氢生成，证明了硫电极在该电解液中的反应稳定性。

原位电极质量监测

A Mn2⁺-S redox electrochemistry for energetic aqueous manganese ion battery

Joule, 2025

作者利用电化学石英晶体微晶天平（EQCM）监测了硫电极在充放电时的质量变化，一方面证实了点电化学反应的可逆发生，另一方面又发现了循环过程中电极物质的持续损失。

原位XRD

An energetic K⁺-S aqueous battery with 96% sulfur redox utilization

Joule, 2024

作者对水系硫电极进行了原位XRD测试，发现硫电极在放电时峰逐渐消失，在充电时峰重新出现，这证明硫电极发生了转化反应，同时电极也具有高度可逆性。

原位EIS

A Mn²⁺-S redox electrochemistry for energetic aqueous manganese ion battery

Joule, 2025

作者对两类电池进行了原位电化学阻抗谱测试，研究发现采用GFD隔膜的电池阻抗放电时减小，充电时增大，而采用PVA隔膜的则全称保持稳定。这与其背后的反应机理有关：PVA隔膜可以使整个反应过程更稳定，不存在因为液相溶解导致的阻抗变小。

电解液稳定性与SEI

Benchmarking Corrosion with Anionic Polarity Index for Stable and Fast Aqueous Batteries Even in Low-Concentration Electrolyte

Advanced Materials，2025

作者通过通过计算阴离子的LUMO能级，评估其在电场作用下的电子转移能力，解释低API（阴离子极性指数）的阴离子如何在电极表面形成稳定的SEI层

物质迁移与扩散

Unveil the Failure of Alkali Ion-Sulfur Aqueous Batteries: Resolving Water Migration by Coordination Regulation

Angewan，2025

作者通过通过分子动力学计算证明，在饱和NaOTf的电解质中，Na⁺离子可以轻松穿透膜，进一步与硫物种反应，而没有检测到迁移的水。相比之下，在原始电解质中，水分子会向阴极侧迁移。该研究证实了电荷载流子的贫水配位结构可以抑制电池系统中的水迁移。

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