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赢咖4注册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
作者:管理员    发布于:2021-03-17 22:13    文字:【】【】【

  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。”

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  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,他们并没赢咖4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。快速充电会给电池带来极大的压力,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。

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  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。快速充电只会让情况变得更糟。

  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。这些颗粒可以在电池放电时吸收锂离子,并在充电时将其释放出来。研究人员利用斯坦福同步辐射光源(SLACs 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 Laboratorys 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。”

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  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。”

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