研究人员竟发现让电池性能飙升的惊人秘诀

锂离子电池的首次充电实际上比听起来要重要得多。它决定了电池此后的工作效果和持续时长——特别是在性能恶化之前，电池能够完成多少次充放电循环。

在今天发表于《焦耳》杂志的一项研究里，SLAC - 斯坦福电池中心的研究人员报告称，用异常高的电流给电池进行首次充电，其平均使用寿命增加了 50%，同时把初始充电时间从 10 小时缩短到仅 20 分钟。

同样重要的是，研究人员能够借助科学机器学习精确指出电池电极的特定变化，而这些变化正是电池寿命和性能得以提升的原因——对于那些希望简化流程并改进产品的电池制造商而言，这是十分宝贵的见解。

这项研究是由斯坦福直线加速器中心（SLAC）/斯坦福大学的一个团队开展的，由威尔·丘教授领衔，并且与丰田研究所（TRI）、麻省理工学院和华盛顿大学的研究人员合作。这是 SLAC 可持续性研究的一部分，也是借助实验室独特的工具、专业知识以及与行业的合作关系来重新构想我们能源未来的更广泛努力中的一部分。

“这是 SLAC 如何开展制造科学从而让能源转型的关键技术更经济实惠的一个很棒的例子，”丘说道。“我们正在解决行业所面临的一个实际挑战；关键在于，我们从一开始就和行业合作。”

参与这项研究的 TRI 高级研究科学家史蒂文·托里西（Steven Torrisi）表示，研究结果不仅对用于电动汽车和电网的锂离子电池制造具有实际意义，对其他技术也同样如此。

“这项研究令我们非常兴奋，”他说。“电池制造在资金、能源和时间方面投入极大。新电池的制造启动需要很长时间，而且由于涉及众多因素，优化制造过程确实非常困难。”

托里西表示，这项研究的结果“展示了一种可用于理解和优化电池制造中这一关键步骤的可推广方法。此外，未来我们或许能够将所学应用于新的工艺、设施、设备和电池化学。”

为了了解电池初始循环期间发生的情况，楚（Chueh）的团队制造了软包电池，在其中正负极被锂离子能够自由移动的电解质溶液所包围。

当电池充电时，锂离子流入负极进行存储。当电池放电时，它们流回并前往正极；这会触发电子流动，为从电动汽车到电网的设备供电。

Chueh 实验室电池信息学团队的首席研究员 Xiao Cui 表示，新制造的电池的正极百分之百充满了锂。每次电池经历充放电循环，都会有一些锂失去活性。把这些损失降到最低能够延长电池的工作寿命。

奇怪的是，Cui 说，将总体锂损失最小化的一种方法是在电池首次充电期间故意损失很大比例的初始锂供应。这就好比做一项小投资，日后能带来不错的回报。

这种首次循环的锂损失并非徒劳。损失的锂成为在首次充电期间在负极表面形成的称为固体电解质中间相（SEI）的柔软层的一部分。作为回报，SEI 保护负极免受会加速锂损失并随着时间的推移更快地使电池退化的副反应。把 SEI 调整得恰到好处非常重要，以至于首次充电被称作形成充电。

崔说：“化成是制造流程中的最后一步。所以一旦失败，此前投入到电池里的所有价值和努力就都打水漂了。”

制造商通常会用低电流给新电池进行首次充电，他们的理论是这样能形成最坚固的 SEI 层。

但这存在一个弊端：低电流充电既耗费时间又成本高昂，而且未必能产生最优效果。

所以，当近期研究表明采用更高电流快速充电不会降低电池性能时，这可是个令人兴奋的消息。

但研究人员还想进一步探究。

充电电流只是在首次充电期间形成 SEI 的几十个因素当中的一个。

在实验室里测试所有可能的组合，来查看哪种效果最好，这是一项艰巨的任务。

为了把问题缩小到可掌控的规模，研究团队运用科学机器学习来确定哪些因素对于获取良好结果最为关键。

让他们感到惊讶的是，只有两个因素——电池充电时的温度和电流——在其他所有因素里表现突出。

实验证实，大电流充电产生了巨大的影响，使平均测试电池的寿命延长了 50%。它还预先让更高比例的锂失活——约 30%，而之前的方法为 9%——但结果证明这具有积极影响。

崔说，预先去除更多的锂离子有点像在提水桶之前先从满桶中舀出一些水。桶中的额外空间使得沿途溅出的水量减少了。类似地，在形成过程中让更多的锂离子失活，从而为正极腾出了空间，并使电极能够以更有效的方式循环，从而提高后续性能。

“通过反复试验来进行强力优化在制造业中属于常规操作——我们应该如何进行首次充电，以及哪些因素的组合是最佳的？”楚说。“在这里，我们不仅想确定制造优质电池的最佳配方；我们还想弄清楚其工作原理和原因。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。”