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      電池技術的最新進展:使用AI(人工智能)預測電池壽命?

      來源:控制工程網2020.02.13閱讀 979

        多年來,電池能效越來越高,但是研究人員仍然致力于繼續尋找改進原始設計的方法。在許多日常設備中,不管它們是可充電的還是植入機器中的,電池仍然是主要的電源。尤其是電動汽車和某些類型的機器人,都是依靠電池才能正常工作的新興技術。改進電池設計以延長電池壽命,仍然是重中之重。多所大學的研究人員正在牽頭進行技術改進,而這項技術的核心,并沒有發生太大變化。
        固態電池的改進
        康奈爾大學的研究人員最近開展了一項研究旨在改進固態電池的設計。研究人員從液態電解質開始,將其轉化為電化學電池內部的固態聚合物,從而提高了固態電池的設計水平。研究人員利用液體和固體的特性,來克服當前電池設計中的關鍵限制。這項研究與尋求可充電電池技術,以安全地為電動汽車、自動駕駛汽車和機器人等下一代產品提供電源的行業需求不謀而合。

        康奈爾大學的博士后研究員Qing Zhao解釋說:“想像一下裝滿冰塊的玻璃杯:有些冰會接觸到玻璃杯,但是它們之間仍然有空隙。但是,如果您將玻璃裝滿水并將其冷凍,空隙將被完全覆蓋,在玻璃的固體表面與液體之間,建立起牢固的聯系。在電池設施中,也有類似的概念,可以幫助離子從整個電池電極的固體表面上轉移到電解質上去,速率很高,而且無需使用可燃液體?!?/div>
        該工藝引入了能夠在電化學電池內部引發聚合反應,而不會損害電池其它功能的特殊分子。如果電解質是環狀醚,則該特殊分子可以設計為開環,從而產生反應性單體鏈,這些單體鏈結合在一起,形成與醚基本化學性質相同的長鏈狀分子。這種固體聚合物在金屬界面處保持緊密連接,就像玻璃中的冰一樣。
        固態電解質除了提高電池安全性外,還有利于使用包括鋰和鋁在內的金屬作為陽極的下一代電池,實現比當今最先進的電池技術更多的能量存儲。在這種情況下,固態電解質可防止金屬形成樹枝狀晶體,而這種現象會導致電池短路并導致過熱和故障。
        盡管具有潛在的優勢,固態電池至今仍未大規模生產。原因包括高昂的制造成本和早前設計中的不良界面性能。由于固態系統對熱變化具有較高的穩定性,因此可以在一定程度上避免電池冷卻的需要。
        康奈爾大學的這一研究發現,為制造可用于各種應用場景的固態電池開辟了一條全新的道路。制造固態聚合物電解質的策略令人興奮,因為它顯示出有延長高能量密度可充電金屬電池循環壽命和充電能力的希望。
        鋰電池中的混合陰極
        麻省理工學院和中國的研究人員,已經開發了最新的鋰電池關鍵部件:陰極。此開發活動是開發更小、更輕且運行時間更長的電池的廣泛研究的一部分。
        研究團隊將其概念描述為“混合”陰極,因為它結合了兩種現有方法,一種是增加每磅的能量輸出(重量能量密度),另一種是增加每升的能量(體積能量密度)。他們說,這種協同組合的產物,不但兼具兩者的優勢,還具有更多其它優勢。
        現在的鋰電池傾向于使用由過渡金屬氧化物制成的陰極(電池中兩個電極之一),但硫磺陰極電池被認為是最有可能減輕重量的替代方法。如今,鋰硫電池的設計人員面臨著一個權衡。
        這種電池的陰極,通常通過嵌入型或轉換型這兩種制造方式中的一種來制造。嵌入型,使用諸如鈷酸鋰之類的化合物,可提供較高的體積能量密度——由于其密度高,單位體積可以填充更多。這些陰極可以在將鋰原子結合到其晶體結構中的同時保持其結構和尺寸。
        另一種陰極方法稱為轉化型,它使用的硫在結構上發生了轉化,甚至可以暫時溶解在電解質中。
        麻省理工學院核科學與工程學和材料科學與工程學教授Ju Li說:“從理論上講,這些電池具有非常好的重量能量密度,但是體積密度很低?!币徊糠衷蚴且驗樗鼈冃枰S多額外材料(包括過量的電解質和碳),用于提供導電性。
        在混合系統中,研究人員設法使用兩種方法合成一個新的陰極,該陰極結合了一種叫做Chevrel相的硫化鉬和純硫,它們似乎兼具兩者的優點。他們使用了兩種材料的顆粒,并將它們壓制成固體陰極。
        “就像炸藥中的引爆劑和TNT一樣,一種是速效的,一種是使每單位重量具有更高能量的方法?!盠i說。
        其它的優點包括,組合材料的電導率相對較高,因此減少了對碳的需求并相應降低了總體積。典型的硫陰極由20%到30%的碳組成,但是新的陰極只需要10%的碳。
        使用新材料的最終效果是巨大的。當今商用鋰電池的能量密度,約為每公斤250瓦時和每升700瓦時,而鋰硫電池的最高能量約為每公斤400瓦時,但每升只有400瓦時。Li說,最新尚未經過優化過程的初始版本,目前已經可以達到每公斤360瓦時和每升581瓦時。它在能量密度方面可以擊敗鋰電池和鋰硫電池。
        通過進一步的工作,Li說,“我們預計可以達到每公斤400瓦時和每升700瓦時,”后者相當于鋰電池。與致力于開發大型原型電池的許多實驗相比,該團隊已經先行一步:與只測試容量僅為幾毫安時的小型紐扣電池相比,他們已經生產了三層聚合物電池,標準容量超過1,000毫安時的電池,可用于電動汽車等產品。這可與某些商用電池相媲美,表明新設備確實符合其預期特性。
        使用AI預測電池壽命
        到目前為止,在失去太多電能以至于無法正常使用之前,新電池在充放電循環次數上還無法媲美鋰電池。在這種情況下,Li說,限制是由于電池設計而不是陰極設計,并且“我們正在努力研究這個問題?!奔词鼓壳疤幱谠缙陔A段,這對于某些利基應用也可能有用,例如遠程無人機。在這類應用中,重量和體積都比壽命重要。

      多所大學正在努力使各種類型的電池更節能、更安全,以用于工業和日常應用。圖片來源:CE

        如果手機電池制造商能夠確定哪些電池至少可以使用兩年,那么他們就能把這些電池賣給手機制造商,剩下的則寄給那些要求較低的設備制造商。新的研究表明制造商是如何做到這一點的。該技術可用于對制造的電池進行分類,并幫助新的電池設計更快地進入市場。
        斯坦福大學、麻省理工學院和豐田研究所的科學家發現,綜合的實驗數據和人工智能相結合,能夠揭示如何在鋰電池的容量開始下降之前,準確的預測電池的使用壽命。
        在研究人員用幾億個電池充電和放電數據訓練了機器學習模型之后,該算法可以根據早期循環中電壓下降和其它因素,預測每個電池可以持續多少個循環。
        這些預測均落在電池實際持續周期數的9%以內。該算法可根據前5個充電/放電循環數據,將電池的壽命分為長壽命或短壽命。在95%的時間內預測都是正確的。這種機器學習方法,可以加速新電池設計的研發,并減少生產時間和成本。
        測試新電池設計的標準方法是實際將電池充電和放電,直到它們失效為止。由于電池使用壽命長,這個過程可能要花費數月甚至數年。斯坦福大學材料科學和工程學博士Peter Attia說,“ 這是電池研究中一個昂貴的瓶頸?!?/div>
        Attia說新方法具有許多潛在的應用。例如,它可以縮短新型電池的驗證時間,這在材料快速發展的情況下尤其重要。通過分類技術,可以將為電動汽車設計但使用壽命較短的電池改為為路燈或備用數據中心供電?;厥丈炭梢詮挠眠^的電動車電池組中找到具有足夠容量的電池,以備再次使用。
        另一可能性是優化電池制造?!爸圃祀姵氐淖詈笠徊椒Q為‘成型’,這可能需要數天至數周的時間?!盇ttia說,“使用我們的方法,可以大大縮短生產時間并降低生產成本?!?/div>
        現在,研究人員正在使用他們的模型來優化電池以期實現10分鐘內充好電的目標,他們說這將使充電時長減少10倍以上。
        可充電鋰電池
        賓夕法尼亞州立大學的研究人員正在通過使用固態電解質相間界面(SEI),開發具有更高能量密度、更優性能和安全性的可充電鋰金屬電池。隨著對高密度鋰金屬電池需求的增加,SEI的穩定性一直是一個關鍵問題。研究人員說,由于電池鋰電極表面的鹽層會絕緣并傳導鋰離子,因此這方面的研究一度停滯。
        “這一層非常重要,它是由鋰和電池中電解質之間的反應自然形成的?!眳⑴c該研究的機械和化學工程學教授Donghai Wang說:“但是,它的表現并不很好,這會帶來很多問題?!变嚱饘匐姵刂腥藗冏畈涣私獾某煞种?,就是SEI的降解,這可能會導致樹突的形成,從而對性能和安全性產生負面影響。
        “這就是為什么鋰金屬電池不能持續更長時間,中間相增長,并且不穩定的原因?!盬ang說:“在這個項目中,我們使用了聚合物復合材料來創建更好的SEI?!?/div>
        由化學博士Yue Gao領導研發的增強型SEI是一種反應性聚合物復合材料,由聚合物鋰鹽、氟化鋰納米顆粒和氧化石墨烯片組成。
        使用化學和工程設計,不同領域之間的合作使該技術能夠以原子級層面控制鋰表面。反應性聚合物還降低了重量和制造成本,進一步加強了鋰金屬電池的美好未來。
        有了更穩定的SEI,有可能使當前電池的能量密度增加一倍,同時使它們的使用壽命更長、更安全。 (作者:Chris Vavra)

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