双碳研究丨研究人员发现一种提高电池性能的惊人方法
时间: 2024-09-05 08:44:55 | 作者: 细粉加工设备
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斯坦福线性加速器中心（SLAC）-斯坦福电池中心进行的一项研究之后发现，在锂离子电池出厂前以大电流对其充电，速度可提高 30 倍，电池使用寿命可延长 50%。
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常规使用的寿命——特别是在性能直线下降之前能承受多少次充放电循环。
在《焦耳》杂志上发表的一项研究中，电池中心的研究人员报告称，首次以异常高电流对电池进行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，研究人员可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——这对于希望简化工艺流程和改进产品的电池制造商来说是非常宝贵的见解。
这项研究是由威尔·楚赫（Will Chueh）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进行的。它是 SLAC 可持续性研究的一部分，也是一项更广泛的举措，旨在利用实验室独特的工具和专业相关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。“这是一个极好的例子，说明了SLAC是如何通过制造科学来使能源转型的关键技术更加经济实惠的，”Chueh 说，“我们正在解决行业面临的真正挑战；关键是，我们从一开始就与行业合作。”
这是TRI根据与美国能源部SLAC国家加速器实验室达成的合作研究协议资助的研究系列中的最新一项。
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，而且对其他技术也是如此。
“这项研究让我们很兴奋，”他说。“电池制造极其耗费资金、能源和时间。新电池的生产要很久，而且由于涉及的因素太多，优化生产的全部过程十分艰难。”
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作的完整过程中这一关键步骤。此外，我们或许能够将所学知识转移到未来的新工艺、设施、设备和电池化学中。”
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，其中正负极被一种电解质溶液包围，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。
Chueh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。电池每经历一次充电放电循环，就会有部分锂失活。最好能够降低这些损失能延续电池的使用寿命。
崔教授表示，奇怪的是，要想最大限度地减少整体锂损耗，一种方法就是在电池首次充电时故意损失很大比例的初始锂供应。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)）的柔性层的一部分，它在首次充电期间在负极表明产生。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流失，并跟着时间的推移加速电池的老化。正确地处理 SEI 很重要，因此首次充电被称为化成充电。
崔屹说：“化成是制作的完整过程中的最后一步，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。”
制造商通常使用低电流对新电池进行首次充电，因为理论上这样做才能够形成最坚固的 SEI 层。但这也有一个缺点：低电流充电既费时又费钱，而且不一定可以产生最佳效果。因此，最近研究表明，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影响 SEI 形成的数十个因素之一。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，这是一项艰巨的任务。
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一些原因对取得良好结果最重要。令他们惊讶的是，其中只有两个因脱颖而出——电池充电时的温度和电流。
实验证实，大电流充电效果非常明显，可将平均测试电池的常规使用的寿命延长 50%。它还会预先使更高比例的锂失效——约 30%，而之前的方法仅为 9%——但事实上，这种方法也产生了积极效果。
崔教授表示，预先去除更多锂离子有点像先从装满水的桶里舀出水再将桶提起。水桶中多余的空间能够大大减少沿途溅出的水量。与此类似，在 SEI 形成过程中使更多锂离子失活可以释放正极顶部空间，使电极以更高效的方式循环，来提升后续性能。
Chueh表示：“通过反复试验进行暴力优化是制作的完整过程中的常规做法——我们该如何进行首次充电，哪种因素的组合才是制胜之道？” “我们不仅想找出制造优质电池的最佳方式；我们还想了解它是如何以及为何会起作用。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。”
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