研究人员发现了提升电池性能的惊人方法：在锂离子电池出厂前以高电流充电，速度提高30倍，寿命增加50%，这项研究来自SLAC-Stanford电池中心。
位于加州Menlo Park的SLAC-Stanford电池中心的研究人员在今天发表在《焦耳》期刊的研究中指出，以异常高的电流对电池进行首次充电，可将其平均寿命提高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，研究人员能够利用科学机器学习，精确找出电池电极中发生的特定变化，这些变化正是导致电池寿命和性能提升的原因。这些发现对于希望简化流程并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SLAC/斯坦福大学团队在Will Chueh教授的领导下进行的，并与丰田研究院（TRI）、麻省理工学院和华盛顿大学的研究人员合作。它是SLAC可持续发展研究的一部分，也是一项更广泛努力的一部分，旨在利用实验室独特的工具、专业知识和与工业界的合作伙伴关系，重新构想我们的能源未来。
Will Chueh教授表示：“这是SLAC如何进行制造科学，以使能源转型所需之关键技术变得更经济实惠的一个绝佳例子。我们正在解决工业界面临的实际挑战；关键是，我们从一开始就与工业界合作。”
这是TRI根据与美国能源部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一项。
TRI高级研究科学家Steven Torrisi表示，这些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，对其他技术也具有实际意义。
他表示：“这项研究对我们来说非常令人兴奋。电池制造是极其耗费资本、能源和时间的。启动新电池的制造需要很长时间，而且由于涉及的因素太多，很难优化制造过程。”
Torrisi表示，这项研究的结果“展示了一种通用方法，用于理解和优化电池制造中的这一关键步骤。此外，我们或许能够将所学到的知识应用到未来的新的流程、设施、设备和电池化学中。”
为了理解电池初始循环过程中发生的事情，Chueh的团队构建了袋式电池，其中正负电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，锂离子流入负极存储。当电池放电时，它们流回并移动到正极；这会引发电子流，为电动汽车到电网等各种设备供电。
Chueh实验室电池消息学团队的首席研究员Xiao Cui表示，新制造的电池的正极100%充满了锂。每次电池经历充放电循环，都会有一些锂失去活性。最大限度地减少这些损失可以延长电池的使用寿命。
奇怪的是，Cui表示，最大限度地减少整体锂损失的一种方法是在电池首次充电期间故意损失很大一部分初始锂供应。这就像进行一项小投资，却能带来长远的良好回应。
这种首次循环的锂损失并非徒劳。失去的锂成为一种称为固体电解质界面（SEI）的柔软层的一部分，该层在首次充电期间形成于负极表面。作为回应，SEI保护负极免受可能加速锂损失并使电池更快退化的副反应。由于获得恰到好处的SEI如此重要，因此首次充电被称为形成充电。
Cui表示：“形成是制造过程中的最后一步，因此如果失败，到那时为止投入电池的所有价值和努力都将浪费。”
制造商通常以低电流对新电池进行首次充电，理论上这将产生最坚固的SEI层。但这有一个缺点：低电流充电耗时且成本高昂，而且不一定能产生最佳结果。因此，当最近的研究表明以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。
但研究人员想更深入地探究。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找出最佳方案是一项艰巨的任务。
为了将问题缩小到可管理的规模，研究团队使用科学机器学习来确定哪些因素对于获得良好结果最重要。令他们惊讶的是，其中只有两个因素——电池充电的温度和电流——从所有其他因素中脱颖而出。
实验证实，高电流充电有巨大影响，将平均测试电池的寿命延长了50%。它还在初期停用了更高比例的锂——约30%，相比之下，以前的方法只有9%——但事实证明这产生了积极影响。
Cui表示，预先去除更多的锂离子有点像在提水桶之前先从装满水的桶中舀出一些水。桶中的额外顶部空间减少了沿途溅出的水量。同样，在SEI形成期间使更多锂离子失去活性，释放了正极中的顶部空间，并允许电极以更有效的方式循环，进而提高了后续性能。
Chueh表示：“在制造中，通过反复试验进行暴力优化是常规做法——我们应该如何进行首次充电，哪种因素组合是最佳的？在这里，我们不仅想确定制造好电池的最佳配方；我们还想了解它如何以及为何有效。这种理解对于在电池性能和制造效率之间找到最佳平衡至关重要。”
