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研究背景

在當(dāng)今的科技發(fā)展浪潮中，電池技術(shù)的創(chuàng)新與突破備受矚目。尤其是高容量電池材料如硅和鋰的應(yīng)用，雖然它們?cè)诶碚撋暇哂芯薮蟮哪芰看鎯?chǔ)潛力，但在實(shí)際使用中卻面臨著諸多挑戰(zhàn)。這些材料在反復(fù)充放電過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷顯著的體積變化，導(dǎo)致電極材料的嚴(yán)重結(jié)構(gòu)變形和粉化，形成大量的“失活材料”，如死硅和死鋰。這些失活材料不僅會(huì)導(dǎo)致電池容量的快速衰減，還會(huì)影響離子傳輸效率，加速電解液的消耗，從而影響電池的整體性能。

成果簡(jiǎn)介

面對(duì)這些嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，浙江工業(yè)大學(xué)陶新永教授應(yīng)邀在Science上發(fā)表了題為“Electric pulses rejuvenate batteries”的展望論文（Perspective），對(duì)高容量電池材料“死亡”及活性修復(fù)進(jìn)行了評(píng)論和展望。研究通過(guò)引入不均勻電場(chǎng)和脈沖電壓等方法，他們成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)失活材料的再激活與連接，顯著提高了電池的容量恢復(fù)率。這項(xiàng)研究不僅為電池技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化提供了新思路，也為未來(lái)高性能電池的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

在接下來(lái)的文章中，我們將深入探討這一前沿技術(shù)的原理、應(yīng)用及其對(duì)電池行業(yè)的深遠(yuǎn)影響。讓我們一同關(guān)注這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展，期待它為電池材料的修復(fù)與性能提升帶來(lái)新的機(jī)遇。

浙江工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陶新永教授為該論文的唯一通訊作者，浙江工業(yè)大學(xué)為該論文第一通訊單位，第一作者金成濱研究員為浙江工業(yè)大學(xué)博士畢業(yè)生，師從陶新永教授開展死鋰激活研究，現(xiàn)已入職中國(guó)計(jì)量大學(xué)。

圖文導(dǎo)讀

近年來(lái)，隨著能源技術(shù)的迅速發(fā)展，電池作為儲(chǔ)能裝置，在智能手機(jī)、電動(dòng)汽車、可穿戴設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。尤其是以硅、鋰等高容量材料為代表的電池負(fù)極材料，因其卓越的儲(chǔ)能性能受到了大量關(guān)注。然而，這些高容量材料在充電與放電的過(guò)程中不可避免地會(huì)經(jīng)歷巨大的體積變化，導(dǎo)致材料的嚴(yán)重粉化與脫落，進(jìn)一步引發(fā)電池性能的急劇衰退。如何有效解決這一問(wèn)題，恢復(fù)電池的活性，成為了當(dāng)今科研的熱點(diǎn)之一。

電池材料“死亡”問(wèn)題

在高容量電池中，尤其是采用硅、鋰等高能量密度材料的電池，其在反復(fù)充放電過(guò)程中，電極材料會(huì)經(jīng)歷顯著的體積膨脹與收縮。以硅為例，硅在充電過(guò)程中會(huì)與鋰發(fā)生反應(yīng)，形成鋰化硅合金，伴隨著體積膨脹約300%。這種體積變化會(huì)引發(fā)硅的結(jié)構(gòu)崩塌，電極材料粉化、脫落，導(dǎo)致活性材料失去與其他電池組分的有效接觸，形成所謂的“死硅”或“死鋰”，這些失活的材料將不再參與電池的充放電反應(yīng)，嚴(yán)重影響了電池的使用壽命與性能。

不僅如此，失活材料還會(huì)對(duì)電池的電解液造成加速消耗，進(jìn)一步限制了電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。至此，電池的“死亡”現(xiàn)象不僅導(dǎo)致容量衰減，還阻礙了離子傳輸與轉(zhuǎn)化，成為限制電池性能提升的關(guān)鍵因素之一。因此，如何恢復(fù)這些失活的電池材料，尤其是在不影響電池穩(wěn)定性與安全性的前提下，重新激活失效的電池，成為了電池研究領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。

電池修復(fù)技術(shù)的發(fā)展

為了解決上述問(wèn)題，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界紛紛提出了一系列電池修復(fù)技術(shù)。這些技術(shù)主要集中在通過(guò)外部刺激或化學(xué)反應(yīng)來(lái)修復(fù)失活材料的電化學(xué)性質(zhì)。

1. 氧化還原介質(zhì)法：這是一種通過(guò)引入具有反應(yīng)性的氧化還原介質(zhì)，將死鋰轉(zhuǎn)化為自由離子，并利用電池充電狀態(tài)下的正極捕獲這些自由離子，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鋰的再利用的方法。這種方法可以有效回收部分失活鋰，但其適用性和效率仍有待進(jìn)一步提升。

2. 靜置法：該方法通過(guò)靜置電池來(lái)促進(jìn)死鋰表面固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI膜）的溶解，從而恢復(fù)與電極的電子導(dǎo)電通路。靜置法雖然能夠在一定程度上修復(fù)失活材料，但由于需要較長(zhǎng)的時(shí)間，且重連效率較低，這限制了其實(shí)際應(yīng)用。

3. 脈沖法：近年來(lái)，由斯坦福大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)提出的“脈沖法”引起了廣泛關(guān)注。該方法通過(guò)施加脈沖電壓或其他形式的電場(chǎng)變化，引發(fā)電池內(nèi)部的失活材料（如死硅）發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)。具體而言，當(dāng)施加不均勻電場(chǎng)時(shí)，具有不同復(fù)介電常數(shù)的失活材料（如死硅、死鋰）在電場(chǎng)中受到吸引或排斥力的作用，發(fā)生定向移動(dòng)。這種定向移動(dòng)的過(guò)程被稱為“介電泳”，它能夠促使脫落的失活材料重新與電極接觸，恢復(fù)電子導(dǎo)電通路，從而提高電池的容量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，脈沖法可以實(shí)現(xiàn)約30%的電池容量恢復(fù)，展現(xiàn)出較為顯著的修復(fù)效果。

脈沖法的機(jī)理與應(yīng)用

脈沖法的核心原理在于利用電場(chǎng)的非均勻分布，促使電池內(nèi)部失活材料的定向遷移。通過(guò)脈沖電壓的施加，電池中的硅、鋰等失活材料會(huì)在電場(chǎng)的作用下發(fā)生極性排列，朝著電場(chǎng)強(qiáng)度較大的區(qū)域遷移。由于不同的材料在電場(chǎng)中的復(fù)介電常數(shù)不同，失活材料的遷移方向也各不相同。具體而言，高鋰含量的死硅因其較大的介電常數(shù)，會(huì)受到電場(chǎng)的吸引，朝電場(chǎng)強(qiáng)度較大的電極區(qū)域移動(dòng)；而低鋰含量的材料則會(huì)發(fā)生排斥，向電場(chǎng)強(qiáng)度較小的區(qū)域移動(dòng)。

這一過(guò)程不僅可以促進(jìn)失活材料與電極之間的接觸，還能夠在一定程度上恢復(fù)材料的電導(dǎo)性，提高電池的整體容量。通過(guò)不斷優(yōu)化脈沖的參數(shù)（如電壓、頻率等），研究者們能夠更好地控制修復(fù)過(guò)程，從而在不同類型的電池中應(yīng)用這一方法。

持續(xù)優(yōu)化與挑戰(zhàn)

雖然脈沖法展現(xiàn)了令人鼓舞的修復(fù)效果，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨許多挑戰(zhàn)。首先，脈沖法的效果受電池環(huán)境的影響較大。電池的溫度、電解液的組成以及脈沖的強(qiáng)度和頻率都會(huì)影響修復(fù)的效果，因此在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，需要精確調(diào)節(jié)這些參數(shù)。其次，電池中的電解質(zhì)界面膜（SEI膜）等電化學(xué)穩(wěn)定層可能會(huì)對(duì)失活材料的恢復(fù)造成阻礙。因此，如何有效地結(jié)合靜置法與脈沖法，減少界面膜的影響，也是目前研究的一個(gè)重要方向。

此外，脈沖法的推廣應(yīng)用還需要進(jìn)一步驗(yàn)證其在其他類型電池中的適用性。不同的電池體系（如固態(tài)電池、鋰硫電池等）具有不同的電化學(xué)特性，如何將脈沖法應(yīng)用于更廣泛的電池類型，仍需要更多的實(shí)驗(yàn)和理論研究支持。

總結(jié)展望

在電池材料的研究中，陶新永教授及其團(tuán)隊(duì)的工作為解決失活電極材料的技術(shù)瓶頸提供了重要的思路與方法。他們通過(guò)創(chuàng)新的脈沖法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高容量電池材料的有效修復(fù)，展現(xiàn)出良好的容量恢復(fù)潛力。這一研究不僅為提升電池性能提供了新途徑，也為未來(lái)的電池材料修復(fù)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

面對(duì)復(fù)雜的材料失效機(jī)制，傳統(tǒng)的方法往往難以解決根本問(wèn)題。通過(guò)引入新的物理原理和創(chuàng)新的修復(fù)策略，我們能夠更好地理解和應(yīng)對(duì)電池技術(shù)中的挑戰(zhàn)。這提醒我們，科學(xué)研究需要不斷探索未知領(lǐng)域，結(jié)合多學(xué)科的知識(shí)，才能推動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用的拓展。未來(lái)，我們期待這一方法能在更多電池體系中得到應(yīng)用，從而為可持續(xù)能源的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

文獻(xiàn)信息

Chengbin Jin, Xinyong Tao ,Electric pulses rejuvenate batteries.Science386,276-276(2024).

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