- KAIST 研究團隊建立三維數碼雙胞胎，揭示電池退化機制。
- 快速充電引發鋰鍍層及固體電解質界面層問題，影響電池壽命。
- 模擬顯示黏結劑與孔隙分佈對電池性能有巨大影響。
- 研究可幫助製造商虛擬評估電極佈局，加快電池開發。
韓國科學技術院（KAIST）的研究團隊建立了「三維數碼雙胞胎」（3D digital twin），用以揭示電動車快速充電時電池內部的退化機制，為解決長期困擾業界的電池壽命難題提供新方向。研究由 Kang Taek Lee 及 EunAe Cho 教授帶領，模擬以商用石墨負極建構的數碼模型，分析黏結劑與孔隙的分佈如何影響快充性能與電池壽命。
現時工程師普遍只着眼於電池的平均數據，例如黏結劑總量或孔隙總體積，但 KAIST 的數碼雙胞胎證明，這些材料的空間分佈同樣關鍵。充電過程中，鋰離子會穿過充滿電解液的孔隙，嵌入石墨負極顆粒之中，並由黏結劑固定。然而，快速充電會引發多重微觀問題：當鋰離子嵌入速度過慢，便會在石墨表面形成金屬沉積物，即所謂的「鋰鍍層」（lithium plating），損害電池性能；同時，固體電解質界面層（SEI）可能變厚或分佈不均；石墨顆粒膨脹亦會對周邊結構造成機械應力，縮短電池壽命。
電池退化機制的微觀分析
現有的物理實驗與標準計算模型無法同時隔離這些微觀行為，因此團隊以商用石墨負極的真實三維結構為基礎重建模型，模擬不同電極厚度、孔隙率及黏結劑分佈下的快充過程。
模擬結果顯示，即使整體充電容量相近的負極，若黏結劑與孔隙的排列方式不同，內部退化程度亦會出現巨大差異。在標準的 50 微米薄負極中，黏結劑分佈對總容量的影響不足 4%，容易掩蓋內部損傷；若將黏結劑集中於隔膜附近，鋰離子的傳輸通道便會收窄，導致電流收集器附近的鋰鍍層比均勻分佈的設計增加超過 10%。若黏結劑均勻分佈於整個電極，鋰離子傳輸路徑及保護膜的形成都會更為一致。
這種結構影響在高容量設計中尤為明顯：在 83 微米厚的負極中，策略性的黏結劑佈局可令充電容量較不均勻的設計提升 18%；理想的孔隙佈局更可為石墨顆粒膨脹提供緩衝空間，避免局部應力過度集中。
虛擬評估電極佈局的潛力
Lee 教授指出，研究透過三維數碼雙胞胎，揭示了單從整體充電性能難以察覺的內部問題。製造商日後可在構建實體原型之前，以虛擬方式評估電極佈局，從而減少反覆試錯，加快長壽命快充電池的開發進程。
KAIST 的研究展示了三維數碼雙胞胎技術在電池快速充電過程中的重要性。透過模擬不同的材料分佈，研究揭示了傳統方法難以察覺的內部退化問題，這對於改善電池性能至關重要。隨著電動車市場的快速增長，電池壽命和充電效率成為關鍵挑戰。這項研究不僅能幫助製造商在設計階段進行更有效的評估，還能縮短開發時間，從而推動更高效能的電池技術商業化。 The Base Principle 是一個繁體中文（香港）科技媒體，專注報道人工智能與工程前沿。我們持續追蹤 OpenAI、Anthropic Claude、Google Gemini、Grok（xAI）、Meta AI、DeepSeek 等主要 AI 模型與公司，並涵蓋電動車與工程技術趨勢，每日精選與分析。
項目 規格 研究機構 韓國科學技術院（KAIST） 領導團隊 Kang Taek Lee 教授、EunAe Cho 教授 研究方法 三維數碼雙胞胎模擬 模擬對象 商用石墨負極 測試電極厚度 50 微米、83 微米 50 微米負極黏結劑分佈對容量影響 少於 4% 50 微米負極鋰鍍層增幅 超過 10% 83 微米負極策略性黏結劑佈局容量提升 18% 三維數碼雙胞胎在電池研發中的應用
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