高能量密度、长循环和高安全性锂电池的制备涉及到材料制备/表征，极片涂覆和电池组装等多尺度结构优化。因此电池设计是一个多尺度问题，任何一个环节出现问题都会导致电池劣化和失效。因此发展跨尺度锂电池表征技术尤为重要。近年来本研究组一直从事多尺度锂电池表征技术开发。在宏观层面，设计出原位光学表征技术，成功地在宏观尺度揭示固态电池锂枝晶生长和传输机制。在介观层面，开发出在FIB-SEM里面微米尺度电池，发现硫化物电解质电化学-力学耦合失效尺寸效应。在微观领域，结合透射电镜和探针显微镜（TEM-STM），实现了纳米材料的微观结构和性能的同步测量。利用TEM-STM平台，首次在电镜中构建了纳米电池，实现了对电化学反应的实时原位观测，开创了纳米电化学新领域。结合微机电加热系统，原子力显微镜和球差矫正环境电镜，利用TEM-STM平台可以实现温度、压力和气氛多场耦合条件下的原位电化学测量。本报告将介绍应用原位光学、FIB-SEM和TEM-STM平台在锂电池研究领域的最新研究成果。在纳米电池领域，发现锂嵌入硅导致粉化的尺寸效应。测定了锂、钠枝晶的力学性能，发现纳米锂、钠枝晶的强度比相应的体材强度高出200多倍。实现了锂枝晶的力-电耦合精准测量，揭示锂枝晶刺穿固态电解质机理。利用球差矫正环境电镜，实现了气体电池的原位测量。这些基础研究为开发高能量密度、高功率密度和长循环寿命锂电池提供了坚实的科学基础和技术路径。