锂离子电池的首次充电远比我们想象的要重要。这一过程直接影响电池的性能和使用寿命，尤其是在电池老化之前，它能够承受多少次充放电循环。
在《焦耳》杂志上发表的一项研究中，斯坦福电池中心的研究人员发现，在异常高的电流下进行首次充电，可以将电池的平均寿命延长50%，并将充电时间从10小时缩短至20分钟。
研究人员还利用机器学习技术，识别出电池电极的具体变化，这些变化是提升电池寿命和性能的关键，这对希望优化生产流程的电池制造商来说，提供了宝贵的见解。
由Will Chueh教授领导的SLAC/斯坦福团队，与丰田研究所、麻省理工学院和华盛顿大学的研究人员合作开展了这项研究。这是SLAC可持续发展研究的一部分，旨在利用实验室的独特工具和专业知识，与行业合作伙伴共同构建未来的能源解决方案。
Chueh表示：“这是SLAC如何利用制造科学来降低能源转型关键技术成本的一个典范。我们正在解决行业面临的实际挑战，关键在于我们从一开始就与行业紧密合作。”
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的最新成果。
参与研究的TRI高级研究科学家Steven Torrisi表示，研究结果不仅对电动汽车和电网的锂离子电池制造具有实际意义，也对其他技术领域有重要影响。
“这项研究让我们感到非常兴奋，”他说。“电池制造过程耗费大量资金、能源和时间。新电池的生产周期长，且由于涉及因素众多，优化过程非常困难。”
Torrisi指出，这项研究的结果“展示了一种理解和优化电池制造这一关键步骤的通用方法。此外，我们可能能够将所学知识应用于未来的新工艺、设施、设备和电池化学。”
“软层”是电池性能的关键
为了深入了解电池初始循环中的变化，Chueh的团队制造了袋状电池，正负极被电解质溶液包围，锂离子可以自由移动。
在充电过程中，锂离子流入负极储存；放电时，它们回流到正极，触发电子流动，为电动汽车和电网等设备提供动力。
Chueh实验室电池信息学小组的首席研究员小崔表示，新制造的电池正极100%充满锂。每次电池经过充放电循环时，部分锂会失效。减少这些损耗可以延长电池的使用寿命。
有趣的是，减少锂损失的一种方法是在电池首次充电时故意损失大量初始锂供应，崔说。这就像进行了一项小投资，未来会带来丰厚的回报。
这种首次循环的锂损失并非无用。在首次充电时，负极表面形成了一层称为固体电解质间相（SEI）的粘稠层，丢失的锂成为其中的一部分。作为回报，SEI保护负极免受副反应的影响，副反应会加速锂的损失，并随着时间推移更快地降解电池。获得正确的SEI至关重要，以至于首次充电被称为形成电荷。
“形成是制造过程中的最后一步，”崔说，“如果这一过程失败，那么之前在电池上投入的所有价值和努力都将付诸东流。”
高充电电流提高电池性能
制造商通常在新电池首次充电时使用低电流，理论上这将产生最坚固的SEI层。但这也有缺点：低电流充电既耗时又昂贵，且不一定能产生最佳效果。因此，当最近的研究表明，更快的充电和更大的电流不会降低电池性能时，这无疑是个令人振奋的消息。
然而，研究人员希望更深入地探讨。充电电流只是首次充电时影响SEI形成的众多因素之一。在实验室中测试所有可能的组合，以找出最佳效果是一项艰巨的任务。
为了将问题缩小到可管理的范围，研究团队利用机器学习技术确定哪些因素对取得良好结果最为关键。令他们惊讶的是，只有两个因素——充电时的温度和电流——从所有其他因素中脱颖而出。
实验证实，在大电流下充电具有显著影响，能够将测试电池的平均寿命提高50%。此外，它还使得更高比例的锂提前失活——约30%，而之前的方法仅为9%——但结果证明这是积极的效果。
在前期去除更多锂离子有点像在装满水的桶里舀水，然后再提起它，崔说。桶内额外的顶部空间减少了沿途溅出的水量。类似地，在形成过程中使更多的锂离子失活，释放了正极的顶空间，并允许电极以更有效的方式循环，从而提升后续性能。
“通过试错法进行蛮力优化是制造业的常规做法——我们应该如何进行首次充电，哪些因素是最佳组合？”Chueh说。“在这里，我们不仅想找出制造优质电池的最佳配方；我们还想了解其工作原理。这种理解对于找到电池性能和制造效率之间的最佳平衡至关重要。”
这项研究得到了丰田研究所通过加速材料设计和发现项目的资助。
引用本文：Xiao Cui等，Joule, 2024年8月29日(10.1016/j.j Joule .2024.07.024)
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