锂离子电池的第一次充电非常重要，决定了它们此后的工作状态和时间，尤其是电池老化之前可以处理的充放电循环次数。
（图片来源：SLAC）
据外媒报道，在最近发表的一项研究中，斯坦福大学的SLAC-斯坦福电池中心（SLAC-Stanford Battery Center）的研究人员报告称，在异常高的电流下给电池进行首次充电，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，研究人员能够通过科学机器学习来精确定位电池电极中的特定变化，而这些变化会导致电池的寿命和性能提升。对于希望简化流程和改进产品的电池制造商来说，这是非常宝贵的见解。
这项研究由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（Massachusetts Institute of Technology）和华盛顿大学（University of Washington）的研究人员合作完成。这是SLAC可持续性研究的一部分，也是一项更广泛的工作，旨在利用实验室独特的工具和专业知识以及行业合作伙伴关系，重新构想能源未来。
参与这项研究的TRI高级研究人员Steven Torrisi表示，这些结果不仅对制造用于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意义。这项研究令人非常兴奋。电池制造非常耗费资金、能源和时间。制造新的电池需要很长时间，而且由于涉及因素太多，优化制造过程真的很难。”
Torrisi表示，这项研究的结果“展示了一种通用方法，以了解和优化电池制造这一关键步骤。此外，我们可能将所学到的知识转移到未来的新工艺、设施、设备和电池化学中。”
“糊状层（squishy layer）”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的团队制造了软包电池，其中正负极被电解液包围，锂离子可以自由移动。
当电池充电时，锂离子流入负极（negative electrode）进行储存；当电池放电时，它们会流回并移动至正极（positive electrode）。这会形成电子流，从而为电动汽车和电网等供电。
（图片来源：SLAC）
Chueh实验室电池信息学团队的首席研究员Xiao Cui表示，新铸造电池的正极100%充满锂。每次电池经历充放电循环时，部分锂就会失活。尽量减少这些损失，可以延长电池的使用寿命。
Cui表示，奇怪的是，充分减少整体锂损失的一种方法是，在电池第一次充电时故意损失大量的初始锂供应。这就像进行小额投资，未来会产生良好的回报。
第一次循环产生的锂损失并非徒劳。在第一次充电时，负电极表面会形成固体电解质界面（SEI），而损失的锂会成为该糊状层的一部分。作为回报，SEI可以保护负极免受副反应的影响，这些副反应会加速锂损失，并且随着时间的推移使电池降解更快。获得适当的SEI非常重要，因此第一次充电被称为化成充电（formation charge）。
Cui表示：“化成是制造过程中的最后一步。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
制造商在给新电池首次充电时通常使用低电流，理论上这将产生最坚固的SEI层。但是，以低电流充电既耗时又昂贵，而且无法确保产生最佳效果。因此，最近的研究表明，通过更高的电池更快地进行充电，不会降低电池的性能，这是一个令人兴奋的消息。
研究人员希望进行更深入的研究。在第一次充电期间，充电电流只是影响SEI形成的众多因素之一。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规模，该团队通过科学机器学习来确定哪些因素对取得良好结果最重要。令人吃惊的是，其中只有两个因素（电池充电的温度和电流）从其他因素中脱颖而出。实验证实，高电流充电效果显著，可将测试电池的平均寿命提高50%。这还能使更高比例的锂元素提前失活（约30%），而之前的方法只有9%，但这被证明产生了积极的效果。
Cui表示，提前去除更多的锂离子，有点像从装满水的桶里舀水，然后再去提它。桶内额外的顶部空间减少了沿途溅出的水量。以类似的方式，在形成过程中使更多的锂离子失活，可以释放正极的顶空间，并允许电极以更有效的方式循环，从而提高后续性能。
Chueh表示：“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，哪些因素组合才是首选呢？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起作用。这些见解对于找到电池性能和制造效率之间的最佳平衡十分重要。”
