低通量反應(yīng)堆

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。關(guān)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)供應(yīng)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)上升。

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。假如一個(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。

關(guān)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，但是可以利用有關(guān)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)電池磨損出現(xiàn)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點(diǎn)。

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)。

電池的退化

一支國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)一直在研究導(dǎo)致鋰離子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。

AlessandroTengattini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)研究重要集中在兩個(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)有很多鋰離子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)。

我們對(duì)電子設(shè)備的要求越來(lái)越高，所以我們要了解電池內(nèi)部發(fā)生的微小波動(dòng)。例如，在電池的特定區(qū)域，你可以看到高得多的耗竭率，可以觀察到電池的斷裂和損壞區(qū)域，這可能對(duì)安全出現(xiàn)重大影響。

雖然我不會(huì)說(shuō)目前監(jiān)測(cè)電池的方法不管用，但它們沒(méi)有為我們供應(yīng)足夠的信息。

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InstitutLaue－Langevin（ILL）供應(yīng)，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)任何變形和不持續(xù)性。

Tengattini解釋：在這一結(jié)構(gòu)層面上的研究很少，所以通過(guò)中子斷層掃描可以直接觀察鋰離子的遷移情況，從而確定電解質(zhì)在電池中的分布是如何隨時(shí)間變化的。

這種電子展開(kāi)技術(shù)使我們能夠分析電池內(nèi)部，當(dāng)它們被使用時(shí)，識(shí)別出幾乎微米的微小波動(dòng)。

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。

Tengattini：很難用x射線來(lái)分析鋰，因?yàn)樗且环N重量輕的元素，但是結(jié)合Laue－Langevin研究所（ILL）供應(yīng)的高通量中子，我們現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始更多地了解在鋰離子電池使用過(guò)程中起用途的電化學(xué)和機(jī)械性能。

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)，才能得出有關(guān)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點(diǎn)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)。

我們發(fā)現(xiàn)內(nèi)部繞組的電化學(xué)活性與外部繞組完全不同。此外，電池的上部和下部表現(xiàn)得非常不同。

中子數(shù)據(jù)還顯示了一些缺乏電解質(zhì)的區(qū)域，這可能會(huì)嚴(yán)重限制各自電極部分的功能。它也可以表明，陽(yáng)極并不是同樣良好的負(fù)載和卸載與鋰無(wú)處不在。

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。

到目前為止，我們只對(duì)一小部分電池進(jìn)行了這項(xiàng)研究。雖然我們已經(jīng)觀察到一些模式，但更詳細(xì)的研究可能會(huì)提出更多電池失效的原因。我們?nèi)匀灰玫乩斫庖恍┰亍?/p>

盡管如此，這項(xiàng)研究將幫助我們制定具體的策略，以改善繞線電池的設(shè)計(jì)。

Tengattini總結(jié)道：就像所有有限的資源相同，我們可以預(yù)期電力革命將導(dǎo)致鋰離子電池對(duì)更少資源的更大需求。因此，為了滿足這一需求，我們要更好地了解這些電池的核心是什么，雖然我們開(kāi)發(fā)的技術(shù)可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)未來(lái)電池設(shè)計(jì)方式的修正，但現(xiàn)在下結(jié)論還為時(shí)過(guò)早。盡管如此，這是向前邁出的重要一步。

機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)

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，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：安全性和可靠性是最重要的設(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)模型可以被解釋為有關(guān)電池退化物理機(jī)制的線索。這個(gè)模型可以告訴我們什么電信號(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，這項(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。

也許電力革命真的有可能會(huì)把我們帶向一個(gè)新時(shí)代