研究人员利用机器学习开发电池技术 旨在开发10分钟充电电池
时间:2021-03-15 09:21来源:盖世汽车 作者:Elisha
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（图片来源：SLAC）
据外媒报道，斯坦福大学、SLAC国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）、麻省理工学院和丰田研究所的研究人员，首次将“科学机器学习”（scientific machine learning）方法应用于电池循环，其目标是将基础研究和行业知识结合起来，开发一种可以在10分钟内充电的长寿命电动汽车电池。
主要研究人员Will Chueh表示，这项研究结果推翻了长期以来关于锂离子电池如何充放电的假设，并为研究人员提供了一套新规则，用以设计更持久的电池。
丰田研究所高级研究科学家Patrick Herring表示：“通过了解电池内部发生的基本反应，我们可以延长电池寿命，实现更快的充电速度，并设计出更好的电池材料。”
在之前的两项研究进展中，研究人员利用更传统的机器学习形式，大幅加快电池测试和筛选可行充电方法的过程，以找到最佳方法。但是，对于为何一些电池比其他电池的续航时间更长这一问题，他们并没有找到其中潜在的物理或化学原因。
Chueh表示：“在这种情况下，我们正在教机器如何学习一种新型失效机制的物理原理，以设计更好、更安全的快速充电电池�？焖俪涞缁岣绯卮醇蟮难沽�，并对电池造成损害。解决这一问题，是推动电动汽车发展的关键，并有助于减少对气候的影响。”
将这三种方法结合起来，有望加快新电池技术的开发速度，使其从实验室到达消费者手中的时间缩短三分之二之多。这种新的联合方法也可用于开发电网级电池系统，用于更大规模的风能和太阳能发电。
这项新的研究将重点放在电池电极上，这种电极由纳米级颗粒凝聚在一起形成颗粒。在充放电过程中，锂离子在正负极之间来回移动，从颗粒中进进出出。在这种持续不断的作用下，粒子会发生膨胀、收缩和破裂，使其储存电荷的能力逐渐降低�？焖俪涞缰换崛们榭霰涞酶�。
为了更详细地观察这一过程，研究小组观察由镍、锰和钴组成的正极颗粒的行为，这种NMC材料是电动汽车电池中使用最广泛的材料之一。这些颗�？梢栽诘绯胤诺缡蔽诊胱樱⒃诔涞缡苯涫头懦隼�。研究人员利用斯坦福同步辐射光源（SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource）的X射线，对正在进行快速充电的粒子进行全面观察。然后，将粒子带到劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源（Lawrence Berkeley National Laboratory's Advanced Light Source），用扫描X射线透射显微镜进行检测，追踪单个粒子。
相关实验数据、来自快速充电数学模型的信息，以及描述这一化学和物理过程的方程式信息，被纳入了科学机器学习算法。研究人员表示，在建模过程中，“我们没有像前两项研究那样，通过简单地输入数据，让计算机直接计算出模型，而是教会了计算机如何选择或学习正确的方程，从而获得正确的物理信息。”
科学家们一直认为颗粒之间的差异微不足道，其储存和释放离子的能力，受限于锂在颗粒内的移动速度。从这一角度看，锂离子会在同一时间流入和流出所有粒子，并且速度大致相同。
通过新方法可以看出，当电池充电时，这些颗粒本身控制锂离子从正极颗粒中移出的速度。有些粒子会立即释放大量离子，而另一些粒子释放的离子很少，甚至根本不释放。而且，快速释放的粒子会继续释放离子，其速度比它们的邻居更快。这是一种积极的反馈效果，是以前没有发现的。
研究人员表示：“现在，我们发现了锂在电池内部的移动方式，这与科学家和工程师们想象的大不相同。不均匀充放电给电极带来了更大的压力，使其工作寿命缩短。从根本上了解这一过程，是解决快速充电问题的重要一步。”
科学家们表示，新方法有望提高电池的成本、存储容量、耐用性和其他重要性能，而且应用范围广泛，如电动汽车、笔记本电脑，以及在电网上大规模储存可再生能源。
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