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研究人員利用機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)電池技術(shù) 旨在開發(fā)10分鐘充電電池
時(shí)間:2021-03-15 09:21來(lái)源:蓋世汽車 作者:Elisha
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（圖片來(lái)源：SLAC）
在利用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)加速電池設(shè)計(jì)方面，科學(xué)家們邁出了重要的一步：將機(jī)器學(xué)習(xí)與從實(shí)驗(yàn)和由物理學(xué)指導(dǎo)的方程式中獲得的知識(shí)結(jié)合起來(lái)，從而發(fā)現(xiàn)快速充電鋰離子電池壽命縮短的原因。
據(jù)外媒報(bào)道，斯坦福大學(xué)、SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（SLAC National Accelerator Laboratory）、麻省理工學(xué)院和豐田研究所的研究人員，首次將“科學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)”（scientific machine learning）方法應(yīng)用于電池循環(huán)，其目標(biāo)是將基礎(chǔ)研究和行業(yè)知識(shí)結(jié)合起來(lái)，開發(fā)一種可以在10分鐘內(nèi)充電的長(zhǎng)壽命電動(dòng)汽車電池。
主要研究人員Will Chueh表示，這項(xiàng)研究結(jié)果推翻了長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于鋰離子電池如何充放電的假設(shè)，并為研究人員提供了一套新規(guī)則，用以設(shè)計(jì)更持久的電池。
豐田研究所高級(jí)研究科學(xué)家Patrick Herring表示：“通過(guò)了解電池內(nèi)部發(fā)生的基本反應(yīng)，我們可以延長(zhǎng)電池壽命，實(shí)現(xiàn)更快的充電速度，并設(shè)計(jì)出更好的電池材料。”
在之前的兩項(xiàng)研究進(jìn)展中，研究人員利用更傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)形式，大幅加快電池測(cè)試和篩選可行充電方法的過(guò)程，以找到最佳方法。但是，對(duì)于為何一些電池比其他電池的續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)這一問(wèn)題，他們并沒(méi)有找到其中潛在的物理或化學(xué)原因。
Chueh表示：“在這種情況下，我們正在教機(jī)器如何學(xué)習(xí)一種新型失效機(jī)制的物理原理，以設(shè)計(jì)更好、更安全的快速充電電池。快速充電會(huì)給電池帶來(lái)極大的壓力，并對(duì)電池造成損害。解決這一問(wèn)題，是推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵，并有助于減少對(duì)氣候的影響。”
將這三種方法結(jié)合起來(lái)，有望加快新電池技術(shù)的開發(fā)速度，使其從實(shí)驗(yàn)室到達(dá)消費(fèi)者手中的時(shí)間縮短三分之二之多。這種新的聯(lián)合方法也可用于開發(fā)電網(wǎng)級(jí)電池系統(tǒng)，用于更大規(guī)模的風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電。
這項(xiàng)新的研究將重點(diǎn)放在電池電極上，這種電極由納米級(jí)顆粒凝聚在一起形成顆粒。在充放電過(guò)程中，鋰離子在正負(fù)極之間來(lái)回移動(dòng)，從顆粒中進(jìn)進(jìn)出出。在這種持續(xù)不斷的作用下，粒子會(huì)發(fā)生膨脹、收縮和破裂，使其儲(chǔ)存電荷的能力逐漸降低。快速充電只會(huì)讓情況變得更糟。
為了更詳細(xì)地觀察這一過(guò)程，研究小組觀察由鎳、錳和鈷組成的正極顆粒的行為，這種NMC材料是電動(dòng)汽車電池中使用最廣泛的材料之一。這些顆粒可以在電池放電時(shí)吸收鋰離子，并在充電時(shí)將其釋放出來(lái)。研究人員利用斯坦福同步輻射光源（SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource）的X射線，對(duì)正在進(jìn)行快速充電的粒子進(jìn)行全面觀察。然后，將粒子帶到勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光源（Lawrence Berkeley National Laboratory's Advanced Light Source），用掃描X射線透射顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)，追蹤單個(gè)粒子。
相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、來(lái)自快速充電數(shù)學(xué)模型的信息，以及描述這一化學(xué)和物理過(guò)程的方程式信息，被納入了科學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)算法。研究人員表示，在建模過(guò)程中，“我們沒(méi)有像前兩項(xiàng)研究那樣，通過(guò)簡(jiǎn)單地輸入數(shù)據(jù)，讓計(jì)算機(jī)直接計(jì)算出模型，而是教會(huì)了計(jì)算機(jī)如何選擇或?qū)W習(xí)正確的方程，從而獲得正確的物理信息。”
科學(xué)家們一直認(rèn)為顆粒之間的差異微不足道，其儲(chǔ)存和釋放離子的能力，受限于鋰在顆粒內(nèi)的移動(dòng)速度。從這一角度看，鋰離子會(huì)在同一時(shí)間流入和流出所有粒子，并且速度大致相同。
通過(guò)新方法可以看出，當(dāng)電池充電時(shí)，這些顆粒本身控制鋰離子從正極顆粒中移出的速度。有些粒子會(huì)立即釋放大量離子，而另一些粒子釋放的離子很少，甚至根本不釋放。而且，快速釋放的粒子會(huì)繼續(xù)釋放離子，其速度比它們的鄰居更快。這是一種積極的反饋效果，是以前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的。
研究人員表示：“現(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)了鋰在電池內(nèi)部的移動(dòng)方式，這與科學(xué)家和工程師們想象的大不相同。不均勻充放電給電極帶來(lái)了更大的壓力，使其工作壽命縮短。從根本上了解這一過(guò)程，是解決快速充電問(wèn)題的重要一步。”
科學(xué)家們表示，新方法有望提高電池的成本、存儲(chǔ)容量、耐用性和其他重要性能，而且應(yīng)用范圍廣泛，如電動(dòng)汽車、筆記本電腦，以及在電網(wǎng)上大規(guī)模儲(chǔ)存可再生能源。
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