在可以加速電池開(kāi)發(fā)和改進(jìn)制造的進(jìn)步中，科學(xué)家們已經(jīng)找到了如何準確預測鋰離子電池的使用壽命，鋰離子電池用于從手機到電動(dòng)汽車(chē)的設備。
如果手機電池制造商能夠確定哪些電池可以使用至少兩年，那么他們只能向手機制造商銷(xiāo)售這些產(chǎn)品，并將其余產(chǎn)品發(fā)送給要求較低的設備制造商。新的研究表明制造商如何做到這一點(diǎn)。該技術(shù)不僅可用于對制造的電池進(jìn)行分類(lèi)，還可用于幫助新電池設計更快地進(jìn)入市場(chǎng)。
斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院和豐田研究所的科學(xué)家們發(fā)現，結合全面的實(shí)驗數據和人工智能，可以準確預測鋰離子電池在其容量開(kāi)始減弱之前的使用壽命。在研究人員用幾億個(gè)電池充電和放電數據點(diǎn)訓練他們的機器學(xué)習模型之后，該算法根據電壓下降和早期周期中的一些其他因素預測每個(gè)電池將持續多少個(gè)周期。
預測值在細胞實(shí)際持續的周期數的9%以?xún)?。另外，該算法基于前五個(gè)充電/放電循環(huán)將電池分類(lèi)為長(cháng)壽命或短壽命。在這里，預測在95%的時(shí)間都是正確的。
該機器學(xué)習方法發(fā)布于 Nature Energy，可以加速新電池設計的研究和開(kāi)發(fā)，并減少生產(chǎn)的時(shí)間和成本，以及其他應用。研究人員已經(jīng)公布了數據集 - 同類(lèi)中最大的 數據集。
“測試新電池設計的標準方法是對電池充電和放電，直到它們發(fā)生故障。由于電池使用壽命長(cháng)，這個(gè)過(guò)程可能需要數月甚至數年，“聯(lián)合主要作者Peter Attia說(shuō)，他是斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程博士候選人。“這是電池研究中的一個(gè)昂貴的瓶頸。”
這項工作是在電池數據驅動(dòng)設計中心進(jìn)行的，這是一個(gè)集理論，實(shí)驗和數據科學(xué)于一體的學(xué)術(shù) - 工業(yè)合作。斯坦福大學(xué)的研究人員，由材料科學(xué)與工程助理教授William Chueh領(lǐng)導 ，進(jìn)行了電池實(shí)驗。麻省理工學(xué)院的團隊由化學(xué)工程教授Richard Braatz領(lǐng)導 ，負責機器學(xué)習工作。該研究的共同主要作者克里斯汀·謝弗森去年春天在麻省理工學(xué)院完成了化學(xué)工程博士學(xué)位。
優(yōu)化快速充電
該項目的一個(gè)重點(diǎn)是找到一種更好的方法，在10分鐘內為電池充電，這一功能可以加速電動(dòng)汽車(chē)的大規模采用。為了生成訓練數據集，該團隊對電池進(jìn)行充電和放電，直到每個(gè)電池達到其使用壽命，他們將其定義為容量損失20%。在優(yōu)化快速充電的途中，研究人員希望了解是否有必要將電池放入地下?？梢栽谠缙谥芷诘男畔⒅姓业诫姵貑?wèn)題的答案嗎?
“計算能力和數據生成的進(jìn)步最近使機器學(xué)習能夠加速各種任務(wù)的進(jìn)展。這些包括材料特性的預測，“Braatz說(shuō)。“我們的結果顯示了我們如何能夠預測未來(lái)復雜系統的行為。”
通常，鋰離子電池的容量穩定一段時(shí)間。然后急轉彎。正如大多數21世紀的消費者所知，墜落點(diǎn)差異很大。在這個(gè)項目中，電池持續150到2,300個(gè)周期。這種變化部分是測試快速充電的不同方法的結果，但也是由于電池之間的制造可變性。
研究報告的共同作者，豐田研究所的科學(xué)家帕特里克·赫林說(shuō)：“花費在電池開(kāi)發(fā)上的所有時(shí)間和金錢(qián)，仍然可以在幾十年內取得進(jìn)展。” “在這項工作中，我們正在減少一個(gè)最耗時(shí)的步驟 - 電池測試 - 一個(gè)數量級。”
可能的用途
Attia說(shuō)，新方法有許多潛在的應用。例如，它可以縮短驗證新型電池的時(shí)間，這對于材料的快速發(fā)展尤為重要。通過(guò)分選技術(shù)，確定具有短壽命的電動(dòng)車(chē)輛電池 - 對于汽車(chē)來(lái)說(shuō)太短 - 可以用來(lái)為街燈或備份數據中心供電?；厥丈炭梢詮亩諩V電池組中找到具有足夠容量的電池，以便再次使用。
另一種可能性是優(yōu)化電池制造。“制造電池的最后一步被稱(chēng)為'形成'，可能需要數天到數周，”Attia說(shuō)。“使用我們的方法可以顯著(zhù)縮短這一點(diǎn)并降低生產(chǎn)成本。”
研究人員現在正在使用他們的模型在短短10分鐘內優(yōu)化電池充電方式，他們表示這將使該過(guò)程減少10倍以上。