加速锂电池充电速度，斯坦福研究登上Nature子刊

编译/大路

通过机器学习，近期科学家们在电池研究方面取得了又一突破。较以往的传统方法——通过寻找数据中的规律来加快科学分析的速度，这次使用的新方法是「与从实验和物理学中获得的知识相结合」。此次，研究人员提出了一个可以加快锂离子电池充电速度的理论。

领导这项研究的斯坦福大学副教授、能源部 SLAC 国家加速器实验室研究员威尔 · 崔 (Will Chueh) 表示，这是首次将这种被称为「科学机器学习」（scientific machine learning）的方法应用到电池循环中。他说，这些结果推翻了长期以来关于锂离子电池如何充电和放电的假设，并为研究人员提供了一套新的规则，用于设计更持久的电池。

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​Will Chueh 教授

这项发表在三月八号的《自然材料》期刊上的研究，是斯坦福大学、SLAC、麻省理工学院和丰田研究院（TRI）合作的最新成果。其目标是将基础理论研究和工业界技术相结合，开发出一种可在 10 分钟内完成充电的长寿命电动汽车电池。

「电池技术对任何类型的电动动力系统都很重要，」丰田研究所高级研究科学家帕特里克 · 赫林 (Patrick Herring) 说，「通过了解电池内部发生的基本反应，我们可以延长其寿命，实现更快的充电，并最终设计出更好的电池材料。我们期待在这项工作的基础上，通过未来的实验，制造出成本更低、性能更好的电池。」

三大进展

新的研究是建立在之前的两项进展基础上的，在这之前的研究中，该研究小组使用了传统的机器学习技术，极大地加快了电池测试和充电方法的筛选。虽然这些研究让研究人员取得了更快的进展——例如，将测试电池寿命所需的时间减少了 98%，但他们并没有像本次最新的研究那样，揭示出一些电池比其他电池寿命更长的原因。

维尔教授说，将我们之前的三种方法结合起来，有可能把一项新的电池技术从实验室推广到消费者所需的时间缩短三分之二。

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电池寿命与快速充电的关系

「在这种情况下，我们正在教机器如何学习新型故障机制的物理学，这可以帮助我们设计出更好、更安全的快充电池，」威尔教授说，「快速充电对电池的压力和损害是非常大的，而解决这个问题却是扩大电动汽车市场的关键，也是应对气候变化的整体战略的一部分。」

新的组合方法还可以部署风能和太阳能发电所需的电网电池系统，随着美国政府追求最近宣布的拜登政府新目标，即到 2035 年消除电力生产中的化石燃料，并在 2050 年实现净零碳排放，这将变得更加迫切。

放大特写

新的研究方法「放大」了电池电极，电极是由纳米大小的颗粒胶合而成的。在充电和放电过程中，锂离子在阴极和阳极之间来回滑动，渗入颗粒中，再流出来。这种不断的来回流动使颗粒膨胀、收缩和开裂，逐渐降低了它们储存电荷的能力，而快速充电则会大大加速这个损耗速度。

为了更详细地研究这一过程，研究小组观察了由镍、锰和钴制成的阴极颗粒，这种组合被称为 NMC，是当前电动汽车电池中使用最广泛的材料之一。这些颗粒在电池放电时吸收锂离子，充电时释放锂离子。

对电池充电时的新理解

斯坦福大学博士后研究人员利用 SLAC 的斯坦福同步辐射光源的 X 射线，对正在进行快速充电的粒子进行了整体观察。然后，他们将粒子带到劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源，用扫描 X 射线透射显微镜进行检查，该显微镜可对单个粒子进行定位。

这些实验的数据，以及来自快速充电的数学模型和描述该过程的化学和物理学方程式的信息，都被纳入到「科学机器学习」算法中。

「我们不是像之前的两项研究那样，让计算机通过简单地给它输入数据来计算出模型，这次我们真正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学知识。」

富者越富的效应

斯坦福大学博士后研究人员 Kang 说，到目前为止，科学家们一直认为粒子之间的差异是微不足道的，它们储存和释放离子的能力只受限于锂在粒子内部的移动速度。在这种看法中，锂离子在同一时间以大致相同的速度流进和流出所有粒子。

但新的方法发现，当电池充电时，粒子本身控制着锂离子从阴极粒子中移动出来的速度。一些粒子会立即释放出大量的离子，而另一些粒子则会释放出很少的离子或根本不释放。而那些快速释放的粒子会以比它们的邻居更快的速度继续释放离子 -- 这是一种正反馈，或者说「富者越富」的效应，以前没有被发现。

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电池内粒子的下降

「我们现在有一张图片，或者说是一部电影，关于锂如何在电池内部移动，这和科学家和工程师们想象的很不一样，」Kang 说，「这种不均匀的充电和放电给电极带来了更大的压力，大大降低了它们的工作寿命。从根本上理解这个过程是解决快速充电问题的重要一步。」

科学家们表示，他们的新方法有可能改善电池的成本、存储能力、耐用性和其他重要性能，应用范围也很广，从电动汽车到笔记本电脑，再到电网上大规模存储可再生能源。

「就在两年前，2019 年诺贝尔化学奖是关于可充电锂离子电池的开发，这可以追溯到 20 世纪 70 年代，」威尔教授说，「所以我也很受鼓舞，而关于如何让电池变得更好，还有很多东西需要探索。」