在异常高的电流下给电池进行第一次充电 可使其平均寿命延长50%

在锂离子电池出厂前以大电流对其进行首次充电，速度快 30 倍，寿命延长 50%。图片来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室

在发表于《焦耳》（Joule）杂志的一项研究中，SLAC-斯坦福大学电池中心的研究人员报告说，在异常高的电流下给电池进行第一次充电，可使其平均寿命延长 50%，同时将初始充电时间从 10 小时缩短到 20 分钟。

同样重要的是，研究人员能够利用科学的机器学习来确定电池电极的具体变化，而这些变化正是寿命和性能提高的原因--这对于希望简化流程和改进产品的电池制造商来说是非常宝贵的见解。

这项研究由 Will Chueh 教授领导的 SLAC/Stanford 团队与丰田研究所 (TRI)、麻省理工学院和华盛顿大学的研究人员合作完成。这是 SLAC 可持续发展研究的一部分，也是利用实验室的独特工具和专业知识以及与行业的合作关系重新构想我们能源未来的更广泛努力的一部分。

Chueh说："这是一个很好的例子，说明了SLAC是如何通过制造科学来使能源转型的关键技术更加经济实惠。我们正在解决工业界面临的真正挑战；关键是，我们从一开始就与工业界合作。"

根据SLAC-斯坦福大学电池中心的研究，工厂以大电流为新型锂离子电池充电会显著消耗电池的锂供应，但会延长电池的寿命。损耗的锂通常用于在负极上形成名为 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过程中被消耗掉。这就在两个电极上形成了额外的顶空，有助于提高电池的性能和寿命。资料来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室

这是 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最新的一项。

参与这项研究的 TRI 高级研究科学家 Steven Torrisi 说，研究结果不仅对电动汽车和电网的锂离子电池制造有实际意义，而且对其他技术也有实际意义。

"这项研究令我们非常振奋，"他说。"电池制造需要大量资金、能源和时间。要花很长时间才能启动新电池的制造，而且由于涉及的因素太多，要优化制造过程确实非常困难。"

托里西说，这项研究成果展示了一种可推广的方法，用于理解和优化电池制造的这一关键步骤。此外，我们或许还能将我们所学到的知识应用到未来的新工艺、设施、设备和电池化学材料中。

为了了解电池初始循环期间发生的情况，Chueh 的团队制造了袋装电池，其中正负极被电解质溶液包围，锂离子在电解质溶液中自由移动。

电池充电时，锂离子流入负极储存。电池放电时，锂离子流回正极，从而产生电子流，为从电动汽车到电网等设备供电。

Chueh 实验室电池信息学团队的首席研究员 Xiao Cui 说，新电池的正极是 100% 充满锂的。电池每经历一次充放电循环，就会有一部分锂失活。尽量减少这些损失可以延长电池的工作寿命。奇怪的是，最大限度减少整体锂损耗的一种方法是在电池首次充电时故意损失很大比例的初始锂供应。这就像做一笔小投资，却能在未来获得丰厚的回报。

这种第一周期的锂损耗并非徒劳。损失的锂变成了一个叫做固体电解质相间层（SEI）的松软层的一部分，该层在第一次充电时形成于负极表面。作为回报，SEI 保护负极免受副反应的影响，这些副反应会加速锂的流失，并随着时间的推移加速电池的老化。使 SEI 恰到好处非常重要，因此第一次充电被称为化成充电。

"化成是制造过程中的最后一步，"Cui 说，"因此，如果化成失败，到那时为止在电池上投入的所有价值和精力都将付诸东流。 "

制造商通常会以较低的电流对新电池进行首次充电，理论上这样可以形成最坚固的 SEI 层。但这样做也有弊端：用小电流充电既费时又费钱，而且不一定能产生最佳效果。因此，当最近的研究表明用大电流快速充电不会降低电池性能时，这是一个令人振奋的消息。

但研究人员还想深入研究。充电电流只是第一次充电时形成 SEI 的几十个因素之一。在实验室中测试所有可能的因素组合，以确定哪一个最有效，是一项艰巨的任务。

为了将问题缩小到可控范围内，研究团队利用科学机器学习来确定哪些因素对取得良好效果最为重要。出乎他们意料的是，只有两个因素--温度和电池充电电流在所有因素中最为明显。

实验证实，用大电流充电会产生巨大影响，平均可将测试电池的寿命延长 50%。同时，这种充电方式也会使锂离子的失活比例大大增加，约为 30%，而以前的方法仅为 9%，但事实证明，这也有积极的作用。

Cui 说，提前去除更多的锂离子有点像在搬运前从满桶中舀水。水桶中多余的空间可以减少沿途溅出的水量。与此类似，在 SEI 形成过程中使更多的锂离子失活，可以释放正极的顶空，使电极以更有效的方式循环，从而提高后续性能。

"在制造过程中，通过试错进行蛮力优化是家常便饭--我们应该如何进行首次充电，各种因素的最佳组合是什么？"Chueh 说。"在这里，我们不只是想找出制造优质电池的最佳配方，我们还想了解它是如何工作以及为什么工作。这种理解对于找到电池性能和制造效率之间的最佳平衡点至关重要。"

编译自/scitechdaily