Effects of High-Temperature Preconditioning on Li Plating During Low-Temperature Cycling of the COTS LG Chem HG2 Cell

航天器在对几乎所有已知事物都极其恶劣的环境中穿行。在太空的寂静深处，温度可能骤降至远低于水的冰点，而为这些任务提供动力的电池必须在这种严寒中生存而不发生故障。几十年来，工程师们一直依赖于专为这些极端条件设计的定制电池。然而，一种更实用且更具成本效益的解决方案出现了：使用与消费电子产品相同的优质锂离子电池，即所谓的商用现货电池（commercial off-the-shelf cells）。这些电池是大规模生产的，具有高度的一致性，并提供令人印象深刻的能量密度。然而，它们也有一个缺陷。它们被设计在温和的温度下进行充电，当被迫在太空的极寒环境中运行时，电池内部会发生一种危险的化学过程。当锂离子电池在寒冷条件下充电时，锂离子可能会停留在负极表面而不是渗入其中。这会形成一层金属锂，这种现象被称为“析锂”（lithium plating）。这种堆积不仅是磨损的迹象，在严重情况下，还可能导致安全隐患，如短路或起火。

一组研究人员致力于研究如何防止这种危险的析锂现象在一种广泛使用的特定商业电池（LG Chem HG2）在遭受太空冰冻条件时发生。他们专注于一个简单的问题：在电池变冷之前对其进行怎样的处理是否重要？具体而言，他们想知道在进入寒冷环境之前，通过反复加热并充电，是否会让电池比仅仅让它在温暖环境下静置或直接送入寒冷环境更具抗析锂能力。为了找到答案，他们将现实世界的实验与强大的计算机模拟相结合，后者可以观察电池微观结构内部的情况。结果揭示了一个关于电池内部状态（而非仅仅是表面状况）如何决定其在寒冷环境下生存能力的惊人事实。

研究人员测试了三组不同的此类商业电池，以观察它们在零下20摄氏度下的表现。第一组经历了“预处理”阶段，即在30摄氏度的温暖环境下进行为期两周的反复充放电。第二组在相同的温暖温度下进行了相同时间的静置，但没有进行充放电。第三组则未经过任何特殊处理；它们直接从室温被放入寒冷环境中进行测试。在完成这些初始步骤后，所有电池都接受了同样的严格循环测试。目标是观察是否有析锂的迹象，析锂通常通过电池放电过程中的特定电压变化显现出来。

结果清晰且截然不同。那些在温暖环境下静置或直接送入寒冷的电池表现出了强烈的析锂迹象。当这些电池放电时，它们的电压曲线显示出特定的平台期，且对电压变化的分析表明，金属锂已经形成在负极上并正在被剥离。这是退化和潜在危险的信号。相比之下，那些通过在温暖环境下循环进行预处理的电池则没有表现出此类迹象。它们的循环效率更高，容量保持得更好，且没有发现危险的锂堆积现象。数据表明，在温暖环境下进行充放电这一行为从根本上改变了电池的行为，使其在最终面对寒冷时更具韧性。

为了理解为什么会发生这种情况，研究人员求助于一个复杂的计算机模型。他们利用高分辨率扫描仪拍摄的电极微观结构的详细3D图像，构建了一个电池的“数字孪生”。这使得他们能够以极高的精度模拟离子和电子在电池内部的运动。模拟追踪了一个关键因素——过电位（overpotential），这本质上是推动化学反应前进所需的额外电压力。如果这个压力降得太低，锂离子就会以金属的形式沉积在表面，而不是进入电极内部。模拟证实，预处理后的电池与其他电池相比，对这种析锂条件的抵抗力更高。

随后，研究人员深入探讨了其根源。人们可能会假设，温暖循环改变了电极上的物理涂层（即固体电床界面，SEI），使其变得更坚固。然而，模拟显示，这种涂层的厚度和成分并不是造成差异的主要驱动因素。相反，关键因素是电池的荷电状态（state of charge）——即在进入寒冷时刻内部存储的能量量。通过循环进行预处理的电池在进入寒冷时处于不同的荷电状态。当这些预处理过的电池降温时，它们以较高的储能水平开始其寒冷循环。这个较高的起始点意味着在寒冷环境下的第一次充电过程中，锂离子能够更自由地移动并正确地进入电极内部，而不是卡在表面。那些起始荷电状态较低的电池则表现挣扎，从而导致了有利于析锂发生的条件。

研究人员还注意到，虽然他们的计算机模型可以解释为什么预处理电池在最初几次循环中表现更好，但无法完全解释为什么其他电池会随着时间的推移而持续退化。模型显示，析锂倾向本应趋于稳定，但实验表明，这种损伤随着循环次数的增加而变得更加严重。这表明，一旦初始析锂发生，它就会引发一系列物理变化的连锁反应——也许是保护涂层的裂纹或其他结构性变化——而目前的模型尚未能捕捉到这些变化。这种模拟与现实数据之间的差距凸显了电池化学的复杂性以及持续研究的必要性。

最终，这项工作为在太空中使用商业电池提供了实用的路线图。它证明了通过涉及重复充放电的简单预热程序，可以显著提高电池在冰冻温度下的生存能力。通过确保电池在以正确的荷电状态开始其寒冷之旅，工程师可以避免危险的金属锂堆积。这一发现对于未来的太空任务至关重要，因为在这些任务中，电源系统的可靠性关乎生死。研究证实，虽然这些商业电池最初并非为极寒环境设计，但通过正确的准备，可以引导它们在可以想象的最严酷环境之一中安全且有效地运行。