（文章來(lái)源：電子工程世界）

現(xiàn)在鋰離子電池集眾多重要優(yōu)點(diǎn)于一身，已經(jīng)大受熱捧。與其他類(lèi)型的可充電電池相比，它們更輕，由于鋰的活性很高，可以在原子鍵中儲(chǔ)存大量能量。然而，這些電池對(duì)一些行業(yè)來(lái)說(shuō)是有問(wèn)題的，特別是對(duì)科技和汽車(chē)公司，尤其是后者，如今的汽車(chē)行業(yè)正在尋求走向電氣化的道路。對(duì)于許多消費(fèi)設(shè)備來(lái)說(shuō)，雖然它們的效率越來(lái)越高，但智能手機(jī)和其他形式的可穿戴設(shè)備仍然需要每1－2天充電一次。

一些有前景的電池技術(shù)包括鋰－硫電池，這種電池對(duì)環(huán)境的影響比鋰要小。美國(guó)研究人員已經(jīng)能夠開(kāi)發(fā)出一種鋰－硫電池，這種電池可以為智能手機(jī)提供最多5天的動(dòng)力，它的性能優(yōu)于鋰離子電池，反過(guò)來(lái)，這種電池的制造成本也更低。IBM的研究人員聲稱(chēng)發(fā)現(xiàn)了一種新的電池化學(xué)物質(zhì)，這種化學(xué)物質(zhì)不含鎳和鈷等重金屬，而且充電速度比鋰離子快，而且具有更高的功率和能量密度。

此外，無(wú)線感應(yīng)充電是另一個(gè)有趣的領(lǐng)域，但能夠從電磁波中獲取能量是一個(gè)挑戰(zhàn)。一組研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種只有幾個(gè)原子厚度的rectenna（無(wú)線電波收集天線），可以整合到設(shè)備中，這樣就可以從Wi－Fi中獲取交流電源，并將其轉(zhuǎn)換成直流電直接為設(shè)備供電。這些只是正在研究或開(kāi)發(fā)的技術(shù)范圍和多樣性的一個(gè)例子，但是鋰離子電池仍然無(wú)處不在，使用案例的數(shù)量還在繼續(xù)增長(zhǎng)。

所有的鋰離子電池都會(huì)隨著時(shí)間的推移而損耗，因此大量的研究都集中在鋰離子電池的管理上。電池性能下降是一個(gè)復(fù)雜的精細(xì)的化學(xué)過(guò)程，每一個(gè)過(guò)程對(duì)電池的性能沒(méi)有太大的影響，但合在一起會(huì)嚴(yán)重縮短電池的性能和壽命。電池的壽命通常是在充電周期中規(guī)定的，其中一個(gè)周期是充電到一個(gè)特定的水平和充分放電到終止電壓。如果一個(gè)電池可以使用250次，你可以在電量低于使用壽命之前給它充電250次。

對(duì)于許多設(shè)備來(lái)說(shuō)，很少會(huì)對(duì)這種循環(huán)等級(jí)進(jìn)行測(cè)量，但是可以利用關(guān)于鋰離子電池如何工作知識(shí)的積累來(lái)更好地管理循環(huán)壽命。例如，眾所周知，充電到特定的電壓將通過(guò)碳質(zhì)陽(yáng)極材料表面鈍化（SEI）或電解液的氧化來(lái)影響電池的循環(huán)壽命，從而導(dǎo)致陰極鈍化材料表面的電阻層積累。

高速充電也會(huì)對(duì)電池磨損產(chǎn)生影響，但研究表明，在充電過(guò)程中，恒壓部分對(duì)電池的損害最大。然而，這些預(yù)測(cè)電池健康狀況的方法忽略了許多可以表明電池健康狀況的重要特征。現(xiàn)在很多研究都集中在跟蹤電池內(nèi)部發(fā)生的許多過(guò)程，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科學(xué)家們正在使用各種新技術(shù)來(lái)探測(cè)電池的工作狀態(tài)。

一支國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)一直在研究導(dǎo)致鋰電池電極電池退化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并使用中子和x射線斷層掃描來(lái)提高他們對(duì)相關(guān)過(guò)程的理解。來(lái)自柏林亥姆霍茨－ zentrum實(shí)驗(yàn)室和倫敦大學(xué)學(xué)院的研究小組正在使用一種數(shù)學(xué)方法，他們將電極以緊湊的圓柱體形式展開(kāi)，觀察電極表面的過(guò)程。

Alessandro Tengattini是法國(guó)格勒諾布爾成像研究所的儀器科學(xué)家，他表示：“這項(xiàng)研究主要集中在兩個(gè)方面。我們想要提高效率水平，這樣就可以開(kāi)發(fā)出更耐用的電池，可以承受更多的充電周期，另一個(gè)問(wèn)題是安全問(wèn)題。全世界已經(jīng)有很多鋰電池著火爆炸或電池膨脹的案例。兩者都存在嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)。為了更好地了解電池的結(jié)構(gòu)，研究人員已經(jīng)能夠使用兩種互補(bǔ)的斷層掃描方法的組合來(lái)觀察充電和放電時(shí)的電極表面。

數(shù)據(jù)由hzbberii和Institut Laue－Langevin （ILL）提供，然后在格勒諾布爾的歐洲同步輻射設(shè)施（ESRF）使用x射線斷層攝影術(shù)。在那里，數(shù)據(jù)被用來(lái)分析電極的微結(jié)構(gòu)和檢測(cè)任何變形和不連續(xù)性。NeXT－Grenoble實(shí)驗(yàn)室的儀器可以同時(shí)獲取x射線和中子層析成像，這是Laue－Langevin研究所和Grenoble－Alpes大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的。

當(dāng)談到鋰離子電池時(shí)，其緊湊的設(shè)計(jì)通常是通過(guò)將電池電極的薄夾層纏繞成圓柱形來(lái)實(shí)現(xiàn)的——這是因?yàn)殡姌O需要一個(gè)大的表面來(lái)促進(jìn)高容量和快速充電。這種數(shù)學(xué)方法使物理學(xué)家們幾乎可以展開(kāi)電池的電極——因?yàn)殡姵氐膱A柱形繞組很難定量檢測(cè)。

只有通過(guò)數(shù)學(xué)分析和虛擬展開(kāi)，才能得出關(guān)于繞組各個(gè)部分的過(guò)程的結(jié)論。算法最初是為展開(kāi)紙莎草卷軸而設(shè)計(jì)的，但可以用來(lái)找出緊湊密集的纏繞電池到底發(fā)生了什么——因此纏繞電池的特征問(wèn)題現(xiàn)在可以研究了。根據(jù)Tengattini的說(shuō)法，這項(xiàng)研究得出了一些有趣的發(fā)現(xiàn)。Tengattini的研究不僅在電池內(nèi)部出現(xiàn)了加速和耗盡速度更快的小塊區(qū)域，而且電池的部分區(qū)域也完全關(guān)閉了。

當(dāng)這組科學(xué)家一直在研究電池的物理結(jié)構(gòu)時(shí)，來(lái)自劍橋和紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，他們聲稱(chēng)這種方法可以預(yù)測(cè)電池的健康狀況。據(jù)參與研究的科學(xué)家稱(chēng)，該方法的準(zhǔn)確度是目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的10倍。這項(xiàng)技術(shù)的工作原理是向電池中發(fā)送電脈沖并測(cè)量其響應(yīng)。然后通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)它們進(jìn)行測(cè)量和處理，以預(yù)測(cè)電池的健康狀況和壽命。這是一種非侵入性技術(shù)，是任何現(xiàn)有電池系統(tǒng)的簡(jiǎn)單附加組件。

來(lái)自劍橋卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的阿爾法·李博士解釋?zhuān)骸鞍踩院涂煽啃允亲钪匾脑O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槲覀冮_(kāi)發(fā)的電池可以在一個(gè)小空間里儲(chǔ)存大量的能量，他是這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人之一。“通過(guò)改進(jìn)監(jiān)測(cè)充放電的軟件，并使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)軟件來(lái)控制充電過(guò)程，我相信我們可以在電池性能上有很大的改善。”

研究人員已經(jīng)進(jìn)行了超過(guò)20，000次的實(shí)驗(yàn)測(cè)量來(lái)訓(xùn)練模型，這是同類(lèi)數(shù)據(jù)中最大的。重要的是，該模型學(xué)會(huì)了如何從無(wú)關(guān)的噪聲中區(qū)分重要的信號(hào)。研究人員已經(jīng)能夠證明，機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以被解釋為關(guān)于電池退化物理機(jī)制的線索。這個(gè)模型可以告訴我們哪些電信號(hào)是最多的與老化相關(guān)，這反過(guò)來(lái)又使他們能夠設(shè)計(jì)特定的實(shí)驗(yàn)來(lái)探究電池退化的原因和方式。

研究人員現(xiàn)在使用他們的機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)來(lái)了解不同電池化學(xué)物質(zhì)的降解情況。他們還在開(kāi)發(fā)最優(yōu)的電池充電協(xié)議，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)供電，以實(shí)現(xiàn)快速充電和最小化退化。隨著新技術(shù)的出現(xiàn)和對(duì)更優(yōu)質(zhì)電池技術(shù)的需求，我們預(yù)測(cè)鋰離子電池的健康狀況和剩余使用壽命至關(guān)重要。據(jù)參與這些不同項(xiàng)目的科學(xué)家解釋?zhuān)@項(xiàng)工作將有助于開(kāi)發(fā)更安全、更可靠的電池，用于各種新設(shè)備——從電動(dòng)汽車(chē)到各種消費(fèi)電子產(chǎn)品。
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