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研究人員利用機器學(xué)習(xí)開發(fā)電池技術(shù) 旨在開發(fā)10分鐘充電電池

時間:2021-03-15 09:21來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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 (圖片來源:SLAC)
 
       在利用機器學(xué)習(xí)來加速電池設(shè)計方面,科學(xué)家們邁出了重要的一步:將機器學(xué)習(xí)與從實驗和由物理學(xué)指導(dǎo)的方程式中獲得的知識結(jié)合起來,從而發(fā)現(xiàn)快速充電鋰離子電池壽命縮短的原因。
 
       據(jù)外媒報道,斯坦福大學(xué)、SLAC國家加速器實驗室(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)知識結(jié)合起來,開發(fā)一種可以在10分鐘內(nèi)充電的長壽命電動汽車電池。 
 
       主要研究人員Will Chueh表示,這項研究結(jié)果推翻了長期以來關(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)計更持久的電池。 
 
       豐田研究所高級研究科學(xué)家Patrick Herring表示:“通過了解電池內(nèi)部發(fā)生的基本反應(yīng),我們可以延長電池壽命,實現(xiàn)更快的充電速度,并設(shè)計出更好的電池材料。”
       在之前的兩項研究進展中,研究人員利用更傳統(tǒng)的機器學(xué)習(xí)形式,大幅加快電池測試和篩選可行充電方法的過程,以找到最佳方法。但是,對于為何一些電池比其他電池的續(xù)航時間更長這一問題,他們并沒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,我們正在教機器如何學(xué)習(xí)一種新型失效機制的物理原理,以設(shè)計更好、更安全的快速充電電池。快速充電會給電池帶來極大的壓力,并對電池造成損害。解決這一問題,是推動電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵,并有助于減少對氣候的影響。” 
 
       將這三種方法結(jié)合起來,有望加快新電池技術(shù)的開發(fā)速度,使其從實驗室到達消費者手中的時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)級電池系統(tǒng),用于更大規(guī)模的風(fēng)能和太陽能發(fā)電。
       這項新的研究將重點放在電池電極上,這種電極由納米級顆粒凝聚在一起形成顆粒。在充放電過程中,鋰離子在正負極之間來回移動,從顆粒中進進出出。在這種持續(xù)不斷的作用下,粒子會發(fā)生膨脹、收縮和破裂,使其儲存電荷的能力逐漸降低。快速充電只會讓情況變得更糟。
 
       為了更詳細地觀察這一過程,研究小組觀察由鎳、錳和鈷組成的正極顆粒的行為,這種NMC材料是電動汽車電池中使用最廣泛的材料之一。這些顆�?梢栽陔姵胤烹姇r吸收鋰離子,并在充電時將其釋放出來。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,對正在進行快速充電的粒子進行全面觀察。然后,將粒子帶到勞倫斯伯克利國家實驗室的先進光源(Lawrence Berkeley National Laboratory's Advanced Light Source),用掃描X射線透射顯微鏡進行檢測,追蹤單個粒子。
 
       相關(guān)實驗數(shù)據(jù)、來自快速充電數(shù)學(xué)模型的信息,以及描述這一化學(xué)和物理過程的方程式信息,被納入了科學(xué)機器學(xué)習(xí)算法。研究人員表示,在建模過程中,“我們沒有像前兩項研究那樣,通過簡單地輸入數(shù)據(jù),讓計算機直接計算出模型,而是教會了計算機如何選擇或?qū)W習(xí)正確的方程,從而獲得正確的物理信息。”
       科學(xué)家們一直認為顆粒之間的差異微不足道,其儲存和釋放離子的能力,受限于鋰在顆粒內(nèi)的移動速度。從這一角度看,鋰離子會在同一時間流入和流出所有粒子,并且速度大致相同。
 
       通過新方法可以看出,當(dāng)電池充電時,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了更大的壓力,使其工作壽命縮短。從根本上了解這一過程,是解決快速充電問題的重要一步。”
 
       科學(xué)家們表示,新方法有望提高電池的成本、存儲容量、耐用性和其他重要性能,而且應(yīng)用范圍廣泛,如電動汽車、筆記本電腦,以及在電網(wǎng)上大規(guī)模儲存可再生能源。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 電池 電池技術(shù) 充電電池
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