研究人員竟發現讓電池性能飆升的驚人秘訣

鋰離子電池的首次充電實際上比聽起來要重要得多。它決定了電池此後的工作效果和持續時長——特別是在性能惡化之前，電池能夠完成多少次充放電循環。

在今天發表於《焦耳》雜誌的一項研究裡，SLAC - 斯坦福電池中心的研究人員報告稱，用異常高的電流給電池進行首次充電，其平均使用壽命增加了 50%，同時把初始充電時間從 10 小時縮短到僅 20 分鐘。

同樣重要的是，研究人員能夠藉助科學機器學習精確指出電池電極的特定變化，而這些變化正是電池壽命和性能得以提升的原因——對於那些希望簡化流程並改進產品的電池製造商而言，這是十分寶貴的見解。

這項研究是由斯坦福直線加速器中心（SLAC）/斯坦福大學的一個團隊開展的，由威爾·丘教授領銜，並且與豐田研究所（TRI）、麻省理工學院和華盛頓大學的研究人員合作。這是 SLAC 可持續性研究的一部分，也是藉助實驗室獨特的工具、專業知識以及與行業的合作關係來重新構想我們能源未來的更廣泛努力中的一部分。

“這是 SLAC 如何開展製造科學從而讓能源轉型的關鍵技術更經濟實惠的一個很棒的例子，”丘說道。“我們正在解決行業所面臨的一個實際挑戰；關鍵在於，我們從一開始就和行業合作。”

參與這項研究的 TRI 高級研究科學家史蒂文·托裡西（Steven Torrisi）表示，研究結果不僅對用於電動汽車和電網的鋰離子電池製造具有實際意義，對其他技術也同樣如此。

“這項研究令我們非常興奮，”他說。“電池製造在資金、能源和時間方面投入極大。新電池的製造啓動需要很長時間，而且由於涉及衆多因素，優化製造過程確實非常困難。”

托裡西表示，這項研究的結果“展示了一種可用於理解和優化電池製造中這一關鍵步驟的可推廣方法。此外，未來我們或許能夠將所學應用於新的工藝、設施、設備和電池化學。”

爲了瞭解電池初始循環期間發生的情況，楚（Chueh）的團隊製造了軟包電池，在其中正負極被鋰離子能夠自由移動的電解質溶液所包圍。

當電池充電時，鋰離子流入負極進行存儲。當電池放電時，它們流回並前往正極；這會觸發電子流動，爲從電動汽車到電網的設備供電。

Chueh 實驗室電池信息學團隊的首席研究員 Xiao Cui 表示，新制造的電池的正極百分之百充滿了鋰。每次電池經歷充放電循環，都會有一些鋰失去活性。把這些損失降到最低能夠延長電池的工作壽命。

奇怪的是，Cui 說，將總體鋰損失最小化的一種方法是在電池首次充電期間故意損失很大比例的初始鋰供應。這就好比做一項小投資，日後能帶來不錯的回報。

這種首次循環的鋰損失並非徒勞。損失的鋰成爲在首次充電期間在負極表面形成的稱爲固體電解質中間相（SEI）的柔軟層的一部分。作爲回報，SEI 保護負極免受會加速鋰損失並隨着時間的推移更快地使電池退化的副反應。把 SEI 調整得恰到好處非常重要，以至於首次充電被稱作形成充電。

崔說：“化成是製造流程中的最後一步。所以一旦失敗，此前投入到電池裡的所有價值和努力就都打水漂了。”

製造商通常會用低電流給新電池進行首次充電，他們的理論是這樣能形成最堅固的 SEI 層。

但這存在一個弊端：低電流充電既耗費時間又成本高昂，而且未必能產生最優效果。

所以，當近期研究表明採用更高電流快速充電不會降低電池性能時，這可是個令人興奮的消息。

但研究人員還想進一步探究。

充電電流只是在首次充電期間形成 SEI 的幾十個因素當中的一個。

在實驗室裡測試所有可能的組合，來查看哪種效果最好，這是一項艱鉅的任務。

爲了把問題縮小到可掌控的規模，研究團隊運用科學機器學習來確定哪些因素對於獲取良好結果最爲關鍵。

讓他們感到驚訝的是，只有兩個因素——電池充電時的溫度和電流——在其他所有因素裡表現突出。

實驗證實，大電流充電產生了巨大的影響，使平均測試電池的壽命延長了 50%。它還預先讓更高比例的鋰失活——約 30%，而之前的方法爲 9%——但結果證明這具有積極影響。

崔說，預先去除更多的鋰離子有點像在提水桶之前先從滿桶中舀出一些水。桶中的額外空間使得沿途濺出的水量減少了。類似地，在形成過程中讓更多的鋰離子失活，從而爲正極騰出了空間，並使電極能夠以更有效的方式循環，從而提高後續性能。

“通過反覆試驗來進行強力優化在製造業中屬於常規操作——我們應該如何進行首次充電，以及哪些因素的組合是最佳的？”楚說。“在這裡，我們不僅想確定製造優質電池的最佳配方；我們還想弄清楚其工作原理和原因。這種理解對於在電池性能和製造效率之間找到最佳平衡至關重要。”