SLAC-史丹佛電池中心進行的一項研究發現，在鋰離子電池出廠前立即以大電流為其充電，速度可提高30 倍，電池壽命可延長50%。鋰離子電池的首次充電比聽起來更重要。它決定了電池以後的工作性能和工作時間，尤其是電池在性能下降之前能承受多少次充電和放電循環。

在鋰離子電池出廠前以大電流首次充電，速度快30 倍，壽命延長50%。圖片來源：Greg Stewart/SLAC 國家加速器實驗室

在發表於《焦耳》（Joule）雜誌的一項研究中，SLAC-史丹佛大學電池中心的研究人員報告說，在異常高的電流下給電池進行第一次充電，可使其平均壽命延長50% ，同時將初始充電時間從10 小時縮短至20 分鐘。

同樣重要的是，研究人員能夠利用科學的機器學習來確定電池電極的具體變化，而這些變化正是壽命和性能提高的原因–這對於希望簡化流程和改進產品的電池製造商來說是非常寶貴的見解。

這項研究由Will Chueh 教授領導的SLAC/Stanford 團隊與豐田研究所(TRI)、麻省理工學院和華盛頓大學的研究人員合作完成。這是SLAC 永續發展研究的一部分，也是利用實驗室的獨特工具和專業知識以及與產業的合作關係重新構想我們能源未來的更廣泛努力的一部分。

Chueh說：『這是一個很好的例子，說明了SLAC是如何透過製造科學來使能源轉型的關鍵技術更加經濟實惠。我們正在解決工業界面臨的真正挑戰；關鍵是，我們從一開始就與工業界合作。

根據SLAC-史丹佛大學電池中心的研究，工廠以大電流為新型鋰離子電池充電會顯著消耗電池的鋰供應，但會延長電池的壽命。損耗的鋰通常用於在負極上形成名為SEI 的保護層。然而，在快速充電條件下，鋰離子也會在負極的副反應過程中被消耗掉。這就在兩個電極上形成了額外的頂空，有助於提高電池的性能和壽命。資料來源：Greg Stewart/SLAC 國家加速器實驗室

這是TRI 根據與能源部SLAC 國家加速器實驗室的合作研究協議資助的一系列研究中最新的一項。

參與這項研究的TRI 高級研究科學家Steven Torrisi 說，研究結果不僅對電動車和電網的鋰離子電池製造有實際意義，而且對其他技術也有實際意義。

“這項研究令我們非常振奮，”他說。 「電池製造需要大量資金、能源和時間。要花很長時間才能啟動新電池的製造，而且由於涉及的因素太多，要優化製造過程確實非常困難。”

托里西說，這項研究成果展示了一種可推廣的方法，用於理解和優化電池製造的關鍵步驟。此外，我們或許還能將所學到的知識應用到未來的新製程、設施、設備和電池化學材料中。

為了了解電池初始循環期間發生的情況，Chueh 的團隊製造了袋裝電池，其中正負極被電解質溶液包圍，鋰離子在電解質溶液中自由移動。

電池充電時，鋰離子流入負極儲存。電池放電時，鋰離子流回正極，產生電子流，為從電動車到電網等設備供電。

Chueh 實驗室電池資訊學團隊的首席研究員Xiao Cui 說，新電池的正極是100% 充滿鋰的。電池每經歷一次充放電循環，就會有一部分鋰失活。盡量減少這些損耗可以延長電池的工作壽命。奇怪的是，最大限度減少整體鋰損耗的一種方法是在電池首次充電時故意損失很大比例的初始鋰供應。這就像做一筆小投資，卻能在未來獲得豐厚的回報。

這種第一周期的鋰損耗並非徒勞無功。損失的鋰變成了一個稱為固體電解質相間層（SEI）的鬆軟層的一部分，該層在第一次充電時形成於負極表面。作為回報，SEI 保護負極免受副反應的影響，這些副反應會加速鋰的流失，並隨著時間的推移加速電池的老化。使SEI 恰到好處非常重要，因此第一次充電被稱為化成充電。

“化成是製造過程中的最後一步，”Cui 說，”因此，如果化成失敗，到那時為止在電池上投入的所有價值和精力都將付諸東流。 “

製造商通常會以較低的電流對新電池進行首次充電，理論上這樣可以形成最堅固的SEI 層。但這樣做也有弊端：用小電流充電既費時又費錢，而且不一定能產生最佳效果。因此，當最近的研究表明用大電流快速充電不會降低電池性能時，這是一個令人振奮的消息。

但研究人員還想深入研究。充電電流只是第一次充電時形成SEI 的數十個因素之一。在實驗室中測試所有可能的因素組合，以確定哪一個最有效，是一項艱鉅的任務。

為了將問題縮小到可控範圍內，研究團隊利用科學機器學習來確定哪些因素對取得良好效果最為重要。出乎他們意料的是，只有兩個因素–溫度和電池充電電流在所有因素中最為明顯。

實驗證實，以大電流充電會產生巨大影響，平均可將測試電池的壽命延長50%。同時，這種充電方式也會使鋰離子失活的比例大大增加，約為30%，而先前的方法僅為9%，但事實證明，這也有正面的作用。

Cui 說，提前去除更多的鋰離子有點像在搬運前從滿桶中舀水。水桶中多餘的空間可以減少沿途濺出的水量。與此類似，在SEI 形成過程中使更多的鋰離子失活，可以釋放正極的頂空，使電極以更有效的方式循環，從而提高後續性能。

“在製造過程中，透過試誤進行蠻力優化是家常便飯–我們應該如何進行首次充電，各種因素的最佳組合是什麼？」Chueh 說。 “在這裡，我們不只是想找出製造優質電池的最佳配方，我們還想了解它是如何工作以及為什麼工作。這種理解對於找到電池性能和製造效率之間的最佳平衡點至關重要。

編譯自/ scitechdaily