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研究背景

在當今的科技發展浪潮中，電池技術的創新與突破備受矚目。尤其是高容量電池材料如硅和鋰的應用，雖然它們在理論上具有巨大的能量存儲潛力，但在實際使用中卻面臨著諸多挑戰。這些材料在反復充放電過程中會經歷顯著的體積變化，導致電極材料的嚴重結構變形和粉化，形成大量的“失活材料”，如死硅和死鋰。這些失活材料不僅會導致電池容量的快速衰減，還會影響離子傳輸效率，加速電解液的消耗，從而影響電池的整體性能。

成果簡介

面對這些嚴峻挑戰，浙江工業大學陶新永教授應邀在Science上發表了題為“Electric pulses rejuvenate batteries”的展望論文（Perspective），對高容量電池材料“死亡”及活性修復進行了評論和展望。研究通過引入不均勻電場和脈沖電壓等方法，他們成功實現了對失活材料的再激活與連接，顯著提高了電池的容量恢復率。這項研究不僅為電池技術的持續優化提供了新思路，也為未來高性能電池的開發奠定了基礎。

在接下來的文章中，我們將深入探討這一前沿技術的原理、應用及其對電池行業的深遠影響。讓我們一同關注這一領域的研究進展，期待它為電池材料的修復與性能提升帶來新的機遇。

浙江工業大學材料科學與工程學院陶新永教授為該論文的唯一通訊作者，浙江工業大學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大學博士畢業生，師從陶新永教授開展死鋰激活研究，現已入職中國計量大學。

圖文導讀

近年來，隨著能源技術的迅速發展，電池作為儲能裝置，在智能手機、電動汽車、可穿戴設備等各個領域的應用愈發廣泛。尤其是以硅、鋰等高容量材料為代表的電池負極材料，因其卓越的儲能性能受到了大量關注。然而，這些高容量材料在充電與放電的過程中不可避免地會經歷巨大的體積變化，導致材料的嚴重粉化與脫落，進一步引發電池性能的急劇衰退。如何有效解決這一問題，恢復電池的活性，成為了當今科研的熱點之一。

電池材料“死亡”問題

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，其在反復充放電過程中，電極材料會經歷顯著的體積膨脹與收縮。以硅為例，硅在充電過程中會與鋰發生反應，形成鋰化硅合金，伴隨著體積膨脹約300%。這種體積變化會引發硅的結構崩塌，電極材料粉化、脫落，導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，嚴重影響了電池的使用壽命與性能。

不僅如此，失活材料還會對電池的電解液造成加速消耗，進一步限制了電池的長期穩定性。至此，電池的“死亡”現象不僅導致容量衰減，還阻礙了離子傳輸與轉化，成為限制電池性能提升的關鍵因素之一。因此，如何恢復這些失活的電池材料，尤其是在不影響電池穩定性與安全性的前提下，重新激活失效的電池，成為了電池研究領域的重要挑戰。

電池修復技術的發展

為了解決上述問題，學術界和工業界紛紛提出了一系列電池修復技術。這些技術主要集中在通過外部刺激或化學反應來修復失活材料的電化學性質。

1. 氧化還原介質法：這是一種通過引入具有反應性的氧化還原介質，將死鋰轉化為自由離子，并利用電池充電狀態下的正極捕獲這些自由離子，進而實現鋰的再利用的方法。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一步提升。

2. 靜置法：該方法通過靜置電池來促進死鋰表面固態電解質界面（SEI膜）的溶解，從而恢復與電極的電子導電通路。靜置法雖然能夠在一定程度上修復失活材料，但由于需要較長的時間，且重連效率較低，這限制了其實際應用。

3. 脈沖法：近年來，由斯坦福大學等研究機構提出的“脈沖法”引起了廣泛關注。該方法通過施加脈沖電壓或其他形式的電場變化，引發電池內部的失活材料（如死硅）發生定向運動。具體而言，當施加不均勻電場時，具有不同復介電常數的失活材料（如死硅、死鋰）在電場中受到吸引或排斥力的作用，發生定向移動。這種定向移動的過程被稱為“介電泳”，它能夠促使脫落的失活材料重新與電極接觸，恢復電子導電通路，從而提高電池的容量。實驗數據顯示，脈沖法可以實現約30%的電池容量恢復，展現出較為顯著的修復效果。

脈沖法的機理與應用

脈沖法的核心原理在于利用電場的非均勻分布，促使電池內部失活材料的定向遷移。通過脈沖電壓的施加，電池中的硅、鋰等失活材料會在電場的作用下發生極性排列，朝著電場強度較大的區域遷移。由于不同的材料在電場中的復介電常數不同，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，會受到電場的吸引，朝電場強度較大的電極區域移動；而低鋰含量的材料則會發生排斥，向電場強度較小的區域移動。

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

持續優化與挑戰

雖然脈沖法展現了令人鼓舞的修復效果，但在實際應用中仍面臨許多挑戰。首先，脈沖法的效果受電池環境的影響較大。電池的溫度、電解液的組成以及脈沖的強度和頻率都會影響修復的效果，因此在不同的應用場景下，需要精確調節這些參數。其次，電池中的電解質界面膜（SEI膜）等電化學穩定層可能會對失活材料的恢復造成阻礙。因此，如何有效地結合靜置法與脈沖法，減少界面膜的影響，也是目前研究的一個重要方向。

此外，脈沖法的推廣應用還需要進一步驗證其在其他類型電池中的適用性。不同的電池體系（如固態電池、鋰硫電池等）具有不同的電化學特性，如何將脈沖法應用于更廣泛的電池類型，仍需要更多的實驗和理論研究支持。

總結展望

在電池材料的研究中，陶新永教授及其團隊的工作為解決失活電極材料的技術瓶頸提供了重要的思路與方法。他們通過創新的脈沖法，實現了對高容量電池材料的有效修復，展現出良好的容量恢復潛力。這一研究不僅為提升電池性能提供了新途徑，也為未來的電池材料修復技術奠定了基礎。

面對復雜的材料失效機制，傳統的方法往往難以解決根本問題。通過引入新的物理原理和創新的修復策略，我們能夠更好地理解和應對電池技術中的挑戰。這提醒我們，科學研究需要不斷探索未知領域，結合多學科的知識，才能推動技術的進步和應用的拓展。未來，我們期待這一方法能在更多電池體系中得到應用，從而為可持續能源的發展貢獻力量。

文獻信息

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

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