锂离子电池的首次充电决定了电池此后的工作性能和使用寿命——特别是，在性能下降之前可以承受多少次充电和放电循环。
在《Joule》杂志上发表的一项研究中，美国能源部下属的斯坦福SLAC 国家加速器实验室的研究人员报告称，以异常高的电流对电池进行首次充电，将电池的平均寿命延长了50%，同时将初始充电时间从10小时缩短到仅20分钟。
同样重要的是，研究人员能够使用科学机器学习来确定电池电极中的具体变化，这些变化解释了寿命和性能的提高——这对于希望简化流程并提高产品的电池制造商来说是非常宝贵的见解。
这项研究由SLAC/斯坦福团队在Will Chueh教授的领导下进行，与来自丰田研究所（TRI）、麻省理工学院和华盛顿大学的研究人员合作。它是SLAC的可持续性研究的一部分，也是利用实验室独特的工具、专业知识和与行业的合作伙伴关系，重新构想我们能源未来的更广泛努力的一部分。
Chueh说：“这是SLAC进行制造科学以使能源转型的关键技术更加负担得起的绝佳例子。我们正在解决行业面临的一个真正挑战；至关重要的是，我们从一开始就与行业合作。”
根据 SLAC-斯坦福电池中心的研究，工厂使用大电流对新锂离子电池进行充电会大大消耗锂供应，但会延长电池寿命。损失的锂通常用于在负极上形成一层称为 SEI 的保护层。然而，在快速充电条件下，锂离子也会在负极的副反应中被消耗。这会在两个电极中产生额外的顶部空间，有助于提高电池性能和寿命。图片来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室
这项研究是TRI根据与能源部SLAC国家加速器实验室的合作研究协议资助的一系列研究中的最新一项。
TRI的高级研究科学家Steven Torrisi说，这些结果对制造不仅适用于电动汽车和电网的锂离子电池，还适用于其他技术的制造具有实际意义。他说：“这项研究对我们来说非常令人兴奋。电池制造极其资本密集、能源密集和时间密集。启动新电池的制造需要很长时间，优化制造过程真的很难，因为涉及的因素太多。”
Torrisi表示，这项研究的结果“展示了一种通用的方法，用于理解和优化电池制造中这一关键步骤。此外，我们可能能够将我们所学到的应用于未来的新流程、设施、设备和电池化学。”
一个对电池性能至关重要的“柔软层”
为了理解电池初始循环期间发生的情况，Chueh的团队构建了袋式电池，其中正负电极被电解液包围，锂离子在其中自由移动。
当电池充电时，锂离子流入负电极进行存储。当电池放电时，它们流回并移动到正电极；这触发了电子流，为从电动汽车到电网的设备提供动力。
Chueh实验室的电池信息学团队首席研究员Xiao Cui说，新制造的电池的正电极在首次充电时100%充满锂。每次电池经历充放电循环时，都会有一些锂被停用。最小化这些损失可以延长电池的工作寿命。
Cui说，奇怪的是，最小化整体锂损失的一种方法是在电池的首次充电期间故意损失大量的初始锂供应。这就像是进行一项小投资，以期在未来获得良好的回报。
首次循环的锂损失并非徒劳。在首次充电期间，丢失的锂成为负电极表面形成的称为固体电解质界面（SEI）的软层的一部分。作为回报，SEI保护负电极免受会加速锂损失并使电池更快退化的副作用反应的影响。正确获得SEI非常重要，以至于首次充电被称为形成充电。
Cui说：“形成是制造过程的最后步骤，所以如果失败了，那么在这一点之前对电池投入的所有价值和努力都白费了。”
高充电电流提升电池性能
制造商通常使用低电流对新电池进行首次充电，理论上认为这将创造出最坚固的SEI层。但这样做有一个缺点：低电流充电耗时且成本高，并不一定能产生最佳结果。因此，当最近的研究表明，使用更高电流的快速充电并不会降低电池性能时，这是一个令人兴奋的消息。
但研究人员想要更深入地了解。充电电流只是首次充电期间SEI形成中的数十个因素之一。在实验室中测试所有可能的组合以查看哪种组合效果最佳是一项艰巨的任务。
为了将问题简化到可管理的大小，研究团队使用科学机器学习来确定在获得良好结果方面最重要的因素。令他们惊讶的是，只有两个因素——电池充电的温度和电流——从所有其他因素中脱颖而出。
实验证实，高电流充电有巨大的影响，将平均测试电池的寿命提高了50%。它还使锂的停用比例更高——大约30%，而以前的方法为9%——但结果证明这是有益的。
Cui说，提前停用更多的锂离子有点像在提水桶之前先舀出水。桶中的额外空间减少了沿途溅出的水量。类似地，在SEI形成期间停用更多的锂离子，在正电极中腾出空间，使电极能够以更有效的方式循环，从而提高后续性能。
Chueh说：“通过试错进行蛮力优化在制造中是常规的——我们应该如何进行首次充电，以及获胜的因素组合是什么？在这里，我们不仅仅想确定制造好电池的最佳配方；我们想了解它为何有效。这种理解对于找到电池性能和制造效率之间最佳平衡至关重要。”
参考文献：Xiao Cui、Stephen Dongmin Kang、Sunny Wang、Justin A. Rose、Huada Lian、Alexis Geslin、Steven B. Torrisi、Martin Z. Bazant、Shijing Sun 和 William C. Chueh 撰写的“数据驱动的电池形成分析揭示了电极利用率在延长循环寿命中的作用”，2024 年 8 月 29 日，焦耳。DOI ： 10.1016/j.joule.2024.07.024
参来来源：Researchers Discover a Surprising Way To Jump-Start Battery Performance
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