研究人员发现了一种令人惊讶的方法来提高电池性能
锂离子电池的首次充电比听起来更重要。它决定了电池此后的工作性能和使用寿命——特别是，在性能下降之前它可以承受多少次充电和放电循环。在今天发表在《焦耳》杂志上的一项研究中，斯坦福直线加速器中心的研究人员报告称，以异常高的电流对电池进行首次充电可使其平均寿命延长 50%，同时将初始充电时间从 10 小时缩短至仅 20 分钟。
同样重要的是，研究人员能够使用科学机器学习来精确定位电池电极中导致寿命和性能提升的具体变化——这对于希望简化流程和改进产品的电池制造商来说是无价的见解。
这项研究由威尔·楚教授领导的 SLAC/斯坦福团队与丰田研究所 (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可持续性研究的一部分，也是一项更广泛的努力，旨在利用实验室独特的工具和专业知识以及与行业的合作伙伴关系重新构想我们的能源未来。
“这是 SLAC 如何通过制造科学使能源转型的关键技术更加经济实惠的一个极好例子，”Chueh 说。“我们正在解决行业面临的真正挑战；至关重要的是，我们从一开始就与行业合作。”
参与这项研究的 TRI 高级研究员史蒂文·托里西 (Steven Torrisi) 表示，这项研究结果不仅对制造电动汽车和电网的锂离子电池具有实际意义，而且对其他技术也具有实际意义。
“这项研究让我们非常兴奋，”他说。“电池制造极其耗费资金、能源和时间。新电池的生产需要很长时间，而且由于涉及的因素太多，优化生产过程非常困难。”
Torrisi 表示，这项研究的结果“展示了一种可推广的方法，用于理解和优化电池制造中的这一关键步骤。此外，我们也许能够将我们所学到的知识转移到未来的新工艺、设施、设备和电池化学中。”
“柔软层”是电池性能的关键
为了了解电池初始循环过程中发生的情况，Chueh 的团队构建了袋式电池，其中正极和负极被电解质溶液包围，锂离子可以在其中自由移动。
当电池充电时，锂离子会流入负极进行储存。当电池放电时，锂离子会流出并流向正极；这会触发电子流，为电动汽车和电网等设备供电。
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。这在两个电极中产生了额外的顶部空间，有助于提高电池性能和寿命。图片来源：SLAC 国家加速器实验室
崔教授实验室电池信息学团队首席研究员崔晓表示，新制造的电池正极 100% 充满锂。电池每次进行充电放电循环时，部分锂都会失效。尽量减少这些损失可以延长电池的使用寿命。
奇怪的是，崔教授说，将整体锂损失降到最低的一种方法是在电池首次充电时故意损失大部分初始锂供应。这就像进行一笔小投资，但日后会获得丰厚的回报。
首次充电时锂的损失并非毫无意义。损失的锂会变成一层称为固体电解质界面相 (SEI) 的柔软层的一部分，该层在首次充电期间在负极表面形成。反过来，SEI 可保护负极免受副反应的影响，这些副反应会加速锂的损失并随着时间的推移使电池性能下降得更快。正确处理 SEI 非常重要，因此首次充电被称为化成充电。
崔屹说：“化成是制造过程中的最后一步，因此如果化成失败，那么在此之前在电池上投入的所有价值和努力都将付诸东流。”
高充电电流可提高电池性能
制造商通常使用低电流对新电池进行首次充电，因为理论上这样可以形成最坚固的 SEI 层。但这也有一个缺点：低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，使用更高电流进行更快的充电不会降低电池性能时，这是一个令人兴奋的消息。
但研究人员希望进行更深入的研究。充电电流只是首次充电期间形成 SEI 的数十个因素之一。在实验室中测试所有可能的组合以确定哪种组合效果最好是一项艰巨的任务。
为了将问题缩小到可控的规模，研究团队使用科学机器学习来确定哪些因素对取得良好结果最重要。令他们惊讶的是，其中只有两个因素——电池充电时的温度和电流——脱颖而出。
实验证实，大电流充电效果显著，可将平均测试电池的使用寿命延长 50%。它还会预先使更高比例的锂失活（约 30%，而之前的方法仅为 9%），但事实证明，这种方法具有积极效果。
崔教授说，预先去除更多的锂离子有点像先从装满水的桶里舀出水再提。桶里的额外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可以释放正极中的顶部空间，使电极以更高效的方式循环，从而提高后续性能。
“通过反复试验进行强力优化是制造过程中的常规做法——我们应该如何进行首次充电，哪些因素的组合才是制胜之道？”Chueh 说道。“在这里，我们不仅想找出制造优质电池的最佳配方；我们还想了解它是如何以及为什么会起作用的。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。”
更多信息： 数据驱动的电池化成分析揭示了电极利用率在延长循环寿命中的作用，Joule (2024)。DOI ：10.1016/j.joule.2024.07.024。www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351 ( 24 ) 00353-2
期刊信息： Joule
页:
[1]