高科技
提升锂电池性能的新方法
通过在工厂出货前以高电流首次充电，锂电池寿命延长50%，并显著加快生产速度。
根据SLAC-斯坦福电池中心的研究，出厂前以高电流为锂电池首次充电，不仅可将充电速度提高30倍，还能使电池寿命延长50%。
锂电池的首次充电比想象中更为重要，它决定了电池未来的性能和寿命，特别是电池在恶化前能承受多少次充放电循环。
今天发表在《Joule》期刊上的一项研究指出，在首次充电时使用异常高的电流，不仅将电池的平均寿命延长了50%，还将首次充电时间从10小时缩短至20分钟。
同样重要的是，研究人员利用科学机器学习精确定位了电池电极中的具体变化，这些变化是电池寿命和性能提升的关键。这一发现为电池制造商简化生产流程、提升产品质量提供了宝贵的见解。
该研究由SLAC-斯坦福团队开展，团队由Will Chueh教授领导，并与丰田研究所(TRI)、麻省理工学院和华盛顿大学的研究人员合作。研究是SLAC可持续性项目的一部分，旨在通过实验室的独特工具、专业知识和与工业的合作，重新构想我们的能源未来。
Chueh表示：“这是SLAC利用制造科学来降低能源转型关键技术成本的一个典型案例。我们解决了工业面临的实际问题，并从一开始就与工业伙伴合作。”
这是TRI资助的系列研究之一，该研究通过与美国能源部SLAC国家加速器实验室的合作研究协议进行。
这项研究对不仅是电动汽车和电网用锂电池制造具有实际意义，还适用于其他技术。TRI高级研究科学家Steven Torrisi对此研究的合作充满期待。
他说：“这项研究对我们非常重要。电池制造过程极为耗资、耗能且耗时。要启动新电池的生产非常耗时，并且由于涉及的因素众多，优化制造过程也极为困难。”
Torrisi指出，这项研究“展示了理解和优化电池制造关键步骤的一种通用方法。此外，我们可能会将学到的知识转移到未来的新工艺、设施、设备和电池化学中。”
“柔性层”是提升电池性能的关键
为理解电池首次循环中的变化，Chueh的团队制造了电极被电解液包围的袋式电池，在电解液中锂离子可以自由移动。
当电池充电时，锂离子流入负极进行储存；当电池放电时，锂离子流出并流向正极，驱动电子流动，从而为电动车到电网设备提供电能。
Cui Xiao表示，新电池的正极充满了100%的锂。在每次充放电循环中，一部分锂会失效，减少这些损失可以延长电池寿命。
奇怪的是，减少锂损耗的一种方式是在电池的首次充电时故意失去大量初始锂。Cui说：“这就像是一项小投资，但会在未来带来丰厚回报。”
这次损耗并非徒劳，失去的锂形成了一个名为固体电解质界面(SEI)的柔性层，附着在负极表面。SEI保护负极免受加速锂损失的副反应，从而防止电池快速老化。首次充电因此也被称为“成形充电”。
“成形充电”是电池制造的最后一步，如果这个过程失败，之前投入的所有价值和努力都会浪费掉，Cui解释道。
高电流充电提升电池性能
制造商通常使用低电流为新电池进行首次充电，因为他们认为这样会生成最坚固的SEI层。但这有一个缺点：低电流充电耗时且成本高昂，结果也未必理想。因此，最近的研究发现，使用更高的电流进行快速充电并不会降低电池性能，这一消息令人振奋。
不过，研究人员想要进一步挖掘其中的原因。充电电流只是影响首次充电过程中SEI形成的众多因素之一。如果要在实验室中测试所有可能的组合，找到最佳方案，这将是一个庞大而复杂的任务。
为了简化这个问题，研究团队利用科学机器学习，识别出哪些因素在获得良好结果中最为重要。出乎意料的是，只有两个因素——电池充电时的温度和电流——在众多因素中脱颖而出。
实验结果证实，高电流充电对电池寿命有巨大的积极影响，测试电池的平均寿命延长了50%。同时，首次充电时失去的锂量大幅增加——大约为30%，而先前的方法只有9%。但这一更大的损耗反而产生了积极的效果。
Cui解释道，去除更多锂离子有点像在搬运满水桶之前先舀出一些水。这样可以减少运输过程中水溅出的几率。同样，首次充电中失去更多锂离子为正极腾出了空间，使电极能够更高效地循环，进而提升后续的电池性能。
Chueh表示：“通过反复试验优化制造过程在行业中非常常见，但我们不仅想找到制造出好电池的最佳方案，还希望理解它为什么有效。这种理解对于在电池性能和制造效率之间找到最佳平衡至关重要。”
这项研究得到了丰田研究所通过其加速材料设计与发现计划的资助。
本文译自 EurekAlert!，由 BALI 编辑发布。