在锂离子电池出厂前以高电流进行首次充电，充电速度可提高 30 倍，使用寿命可延长 50%。

SLAC-斯坦福电池中心进行的一项研究发现，在锂离子电池出厂前以大电流充电可使充电速度提高 30 倍，并可延长电池寿命 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使用寿命——特别是，在性能下降之前可以承受多少次充电和放电循环。

在Joule杂志上发表的一项研究中，斯坦福直线加速器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。

这项研究是由威尔·楚赫教授领导的 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。”

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Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室

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一系列研究中的最新一项。

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，可用于理解和优化电池制造中这一关键步骤。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。”

“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。

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效——约 30%，而之前的方法仅为 9%——但事实证明，这种方法产生了积极效果。

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提。桶里的额外顶部空间减少了沿途溅出的水量。类似地，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，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。”

参考文献：Xiao Cui、Stephen Dongmin Kang、Sunny Wang、Justin A. Rose、Huada Lian、Alexis Geslin、Steven B. Torrisi、Martin Z. Bazant、Shijing Sun 和 William C. Chueh 撰写的“数据驱动的电池形成分析揭示了电极利用率在延长循环寿命中的作用”，2024 年 8 月 29 日，Joule。DOI ： 10.1016 /j.joule.2024.07.024

延伸阅读

在电池的生产过程中，氧化锆珠（ZrO2珠）作为一种重要的研磨介质，起到了至关重要的作用。氧化锆珠因其优异的物理和化学特性，被广泛应用于电池材料的制备过程中。

氧化锆珠的特性

高硬度和高韧性：氧化锆珠具有非常高的硬度和韧性，能够在高能研磨环境下保持其形状和尺寸稳定性，不易破碎。这使得它在长时间的研磨过程中，依然能够提供稳定的研磨效果。

耐磨性强：氧化锆珠具有优异的耐磨性能，不会轻易磨损或变形，从而延长了研磨设备的使用寿命，降低了生产成本。

化学稳定性好：氧化锆珠在酸、碱等化学物质中表现出极高的化学稳定性，不会与研磨材料发生反应，确保了电池材料的纯度和性能。

密度高：氧化锆珠的密度较高，在研磨过程中能够产生更大的能量传递，提高了材料的研磨效率，有助于获得更为细致、均匀的颗粒。

氧化锆珠在电池生产中的作用

在电池的生产过程中，电极材料的制备至关重要。电极材料的粒度、均匀性以及表面特性直接影响到电池的性能，如能量密度、循环寿命和安全性等。

电极材料的细化与均匀化：氧化锆珠通过高能研磨可以有效细化电极材料的颗粒尺寸，使其达到纳米级别，从而提高材料的表面积和反应活性。均匀的颗粒尺寸分布有助于优化电池的电化学性能，提升在电池中的迁移速率和电池的一致性。

材料表面的修饰：在研磨过程中，氧化锆珠能够对材料表面进行有效的修饰，改善材料的表面特性。这种修饰不仅能提高材料的电化学反应活性，还能增强其与电解质的相容性，从而提升电池的整体性能。

提高电池安全性：氧化锆珠在研磨过程中可以避免因材料纯度降低而引发的电池安全问题。高纯度的电极材料减少了不必要的杂质，从而降低了电池在使用过程中的安全隐患，如短路或热失控等。

作者： SLAC 国家加速器实验室