高電流快充技術突破：電池壽命暴增50%！

研究人員發現了提升電池性能的驚人方法：在鋰離子電池出廠前以高電流充電，速度提高30倍，壽命增加50%，這項研究來自SLAC-Stanford電池中心。

位於加州Menlo Park的SLAC-Stanford電池中心的研究人員在今天發表於《焦耳》期刊的研究中指出，以異常高的電流對電池進行首次充電，可將其平均壽命提高50%，同時將初始充電時間從10小時縮短至僅20分鐘。

同樣重要的是，研究人員能夠利用科學機器學習，精確找出電池電極中發生的特定變化，這些變化正是導致電池壽命和性能提升的原因。這些發現對於希望簡化流程並改進產品的電池製造商來說，是非常寶貴的見解。

這項研究是由SLAC/史丹佛大學團隊在Will Chueh教授的領導下進行的，並與豐田研究院（TRI）、麻省理工學院和華盛頓大學的研究人員合作。它是SLAC可持續發展研究的一部分，也是一項更廣泛努力的一部分，旨在利用實驗室獨特的工具、專業知識和與工業界的合作夥伴關係，重新構想我們的能源未來。

Will Chueh 教授表示：「這是 SLAC 如何進行製造科學，以使能源轉型所需之關鍵技術變得更經濟實惠的一個絕佳例子。我們正在解決工業界面臨的實際挑戰；關鍵是，我們從一開始就與工業界合作。」

這是TRI根據與美國能源部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的最新一項。

TRI高級研究科學家Steven Torrisi表示，這些結果不僅對電動汽車和電網的鋰離子電池製造具有實際意義，對其他技術也具有實際意義。

他表示：「這項研究對我們來說非常令人興奮。電池製造是極其耗費資本、能源和時間的。啟動新電池的製造需要很長時間，而且由於涉及的因素太多，很難優化製造過程。」

Torrisi表示，這項研究的結果「展示了一種通用方法，用於理解和優化電池製造中的這一關鍵步驟。此外，我們或許能夠將所學到的知識應用到未來的新的流程、設施、設備和電池化學中。」

對電池性能至關重要的「軟性層」

為了理解電池初始循環過程中發生的事情，Chueh的團隊構建了袋式電池，其中正負電極被電解質溶液包圍，鋰離子可以在其中自由移動。

當電池充電時，鋰離子流入負極儲存。當電池放電時，它們流回並移動到正極；這會引發電子流，為電動汽車到電網等各種設備供電。

Chueh實驗室電池訊息學團隊的首席研究員Xiao Cui表示，新製造的電池的正極100%充滿了鋰。每次電池經歷充放電循環，都會有一些鋰失去活性。最大限度地減少這些損失可以延長電池的使用壽命。

奇怪的是，Cui表示，最大限度地減少整體鋰損失的一種方法是在電池首次充電期間故意損失很大一部分初始鋰供應。這就像進行一項小投資，卻能帶來長遠的良好回報。

這種首次循環的鋰損失並非徒勞。失去的鋰成為一種稱為固體電解質介面（SEI）的柔軟層的一部分，該層在首次充電期間形成於負極表面。作為回報，SEI保護負極免受可能加速鋰損失並使電池更快退化的副反應。由於獲得恰到好處的SEI如此重要，因此首次充電被稱為形成充電。

Cui表示：「形成是製造過程中的最後一步，因此如果失敗，到那時為止投入電池的所有價值和努力都將浪費。」

製造商通常以低電流對新電池進行首次充電，理論上這將產生最堅固的SEI層。但這有一個缺點：低電流充電耗時且成本高昂，而且不一定能產生最佳結果。因此，當最近的研究表明以更高電流進行更快的充電不會降低電池性能時，這是一個令人興奮的消息。

但研究人員想更深入地探究。充電電流只是首次充電期間形成SEI的數十個因素之一。在實驗室中測試所有可能的組合以找出最佳方案是一項艱巨的任務。

為了將問題縮小到可管理的規模，研究團隊使用科學機器學習來確定哪些因素對於獲得良好結果最重要。令他們驚訝的是，其中只有兩個因素——電池充電的溫度和電流——從所有其他因素中脫穎而出。

實驗證實，高電流充電有巨大影響，將平均測試電池的壽命延長了50%。它還在初期停用了更高比例的鋰——約30%，相比之下，以前的方法只有9%——但事實證明這產生了積極影響。

Cui表示，預先去除更多的鋰離子有點像在提水桶之前先從裝滿水的桶中舀出一些水。桶中的額外頂部空間減少了沿途濺出的水量。同樣，在SEI形成期間使更多鋰離子失去活性，釋放了正極中的頂部空間，並允許電極以更有效的方式循環，進而提高了後續性能。

Chueh 表示：「在製造中，通過反覆試驗進行暴力優化是常規做法——我們應該如何進行首次充電，哪種因素組合是最佳的？在這裡，我們不僅想確定製造好電池的最佳配方；我們還想了解它如何以及為何有效。這種理解對於在電池性能和製造效率之間找到最佳平衡至關重要。」