原位 CT：透视万亿次充放电的微观战争

原位计算机断层扫描（In-situ CT）是一种普适性强的前沿表征技术，能够对材料内部结构的时间分辨动态演化过程进行无损观测。其获取的高质量三维数据集支持深入的量化分析，显著深化研究维度并拓展应用边界。

原位 CT 与常规显微计算机断层扫描（Micro-CT）的成像原理相同，均基于样品 360° 旋转过程中接收穿透样品的 X 射线束，并由二维探测器阵列收集投影数据重建三维图像。其核心特征在于原位环境的引入，该环境参数（如温度、载荷、气氛、化学反应等）可根据实验需求精确调控。因此，只要在旋转扫描期间或预设的实验条件下，样品能维持其形态与内部结构的完整性（即不发生显著变化），即可实施原位 CT 表征。

原位 CT，或称 4D-CT，是将常规的显微 CT 系统与多场耦合原位试验模块集成起来的新型表征手段。CT 技术基于 X 射线透射成像与数学重建算法，其工作流程如下。

原位 CT 结构示意图

原位 CT 技术在电池材料研究中具有战略意义，其核心价值在于：

1、结构缺陷诊断：对电极/隔膜进行微米级无损探伤，精准识别孔隙、裂纹、异物夹杂等制造缺陷。

2、组分相态解析：基于衰减系数差异，区分活性材料、导电剂（碳黑）、粘结剂（PVDF）及失效产物（Li dendrites）。

3、4D 动态监测：量化电极孔隙率/曲折度演变（分辨率≤0.5μm）；追踪充放电循环中锂枝晶生长-隔膜穿刺失效机制；解析热失控过程电极体积膨胀-界面分层行为；

4、老化机理研究：通过时域断层序列（temporal tomogram）关联微观结构退化（如活性颗粒破碎、SEI 增厚）与宏观性能衰减。

随着原位 CT 技术的普及，在金属制造、材料性能评估和损伤分析等方面涌现了一批前沿成果，进一步证明了原位 CT 技术在金属领域的应用优势。

Maire 等以 ZrO₂/SiO₂（体积分数为 4%）增强 AA2124 为例，利用欧洲同步辐射光源 ID19 线站，观察到样品不同应变条件下的微观结构。

两种材料的断层重建显示了所生产材料的良好微观结构（a）小颗粒，二维断层扫描切片；（b）大颗粒，二维断层扫描切片；（c 和 d）小颗粒的三维重建图像

Tod 等使用法国格勒诺布尔 ESRF 的光束线 ID15A 进行了原位 CT 实验，观察了铝合金真实的裂纹萌生和扩展行为的实时过程，深入研究了局部裂纹扩展行为，丰富了对铝合金断裂行为的认识。

铝合金样品不同拉伸阶段裂纹的三维重建图像

裂纹尖端钝化和裂纹扩展行为在两个不同虚拟横截面上的虚拟断层扫描切片

原位 CT 作为常规显微 CT 的升级技术， 对样品并没有更苛刻的要求，样品无需特殊处理即可进行检测，是一种成熟的无损表征手段。

原位 CT 虽然需要使用专用原位台，但并不影响 CT 系统本身的成像分辨率。换言之，复杂环境之中仍能获取实现微米级的三维成像结果。（具体分辨率视样品材质而定）

原位 CT 能够模拟超高温、 超低温、 拉伸、 压缩、剪切、烧结、 腐蚀、充放电等各种工况环境，还原样品结构的动态演化过程，并且可以根据研究者的需求定制功能模块与夹具，研究的广度前所未有。

目前原位 CT 已经可以实现高温 2000℃、低温 -100℃、载荷 8.5t、烧结温度 1300℃ , 对于一些应用于极端服役环境的样品，这有效弥合了实验室研究和实际应用之间的差异。

原位 CT 的检测过程中可以查看实时投影、温度曲线、载荷曲线，并且可以获取真实应力-应变曲线，为材料加工硬化行为研究、强度参数计算、塑性衡量、 性能的设计优化提供数据支持。