低通量反應(yīng)堆

現(xiàn)在鋰電池集眾多重要優(yōu)點(diǎn)于一身，已經(jīng)大受熱捧。和其他類型的可充電電池相比，它們更輕，由于鋰的活性很高，可以在原子鍵中儲存大量能量。

然而，這些電池對一些行業(yè)來說是有問題的，特別是對科技和汽車公司，尤其是后者，如今的汽車行業(yè)正在尋求走向電氣化的道路。關(guān)于許多消費(fèi)設(shè)備來說，雖然它們的效率越來越高，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，這種電池對環(huán)境的影響比鋰要小。美國研究人員已經(jīng)能夠開發(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天的動力，它的性能優(yōu)于鋰電池，反過來，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，無線感應(yīng)充電是另一個有趣的領(lǐng)域，但能夠從電磁波中獲取能量是一個挑戰(zhàn)。一組研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種只有幾個原子厚度的rectenna（無線電波收集天線），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發(fā)的技術(shù)范圍和多樣性的一個例子，但是鋰電池仍然無處不在，使用案例的數(shù)量還在繼續(xù)上升。

所有的鋰電池都會隨著時間的推移而損耗，因此大量的研究都集中在鋰電池的管理上。

電池性能下降是一個復(fù)雜的精細(xì)的化學(xué)過程，每一個過程對電池的性能沒有太大的影響，但合在一起會嚴(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，其中一個周期是充電到一個特定的水平和充分放電到終止電壓。假如一個電池可以使用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)備來說，很少會對這種循環(huán)等級進(jìn)行測量，但是可以利用有關(guān)鋰電池如何工作知識的積累來更好地管理循環(huán)壽命。

例如，眾所周知，充電到特定的電壓將通過碳質(zhì)陽極材料表面鈍化（SEI）或電解液的氧化來影響電池的循環(huán)壽命，從而導(dǎo)致陰極鈍化材料表面的電阻層積累。

高速充電也會對電池磨損出現(xiàn)影響，但研究表明，在充電過程中，恒壓部分對電池的損害最大。然而，這些預(yù)測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)來探測電池的工作狀態(tài)。

電池的退化

一支國際科學(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態(tài)過程，并使用中子和x射線斷層掃描來提高他們對相關(guān)過程的理解。

來自柏林亥姆霍茨－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，觀察電極表面的過程。

AlessandroTengattini是法國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方面。我們想要提高效率水平，這樣就可以開發(fā)出更耐用的電池，可以承受更多的充電周期，另一個問題是安全問題。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)。

我們對電子設(shè)備的要求越來越高，所以我們要了解電池內(nèi)部發(fā)生的微小波動。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，這可能對安全出現(xiàn)重大影響。

雖然我不會說目前監(jiān)測電池的方法不管用，但它們沒有為我們供應(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觀察充電和放電時的電極表面。

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)被用來分析電極的微結(jié)構(gòu)和檢測任何變形和不持續(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間變化的。

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

NeXT－Grenoble實(shí)驗(yàn)室的儀器可以同時獲取x射線和中子層析成像，這是Laue－Langevin研究所和Grenoble－Alpes大學(xué)合作開發(fā)的。

Tengattini：很難用x射線來分析鋰，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)開始更多地了解在鋰電池使用過程中起用途的電化學(xué)和機(jī)械性能。

當(dāng)談到鋰電池時，其緊湊的設(shè)計(jì)通常是通過將電池電極的薄夾層纏繞成圓柱形來實(shí)現(xiàn)的這是因?yàn)殡姌O要一個大的表面來促進(jìn)高容量和快速充電。

這種數(shù)學(xué)方法使物理學(xué)家們幾乎可以展開電池的電極因?yàn)殡姵氐膱A柱形繞組很難定量檢測。

只有通過數(shù)學(xué)分析和虛擬展開，才能得出有關(guān)繞組各個部分的過程的結(jié)論。算法最初是為展開紙莎草卷軸而設(shè)計(jì)的，但可以用來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)問題現(xiàn)在可以研究了。

根據(jù)Tengattini的說法，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)活性和外部繞組完全不同。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，這可能會嚴(yán)重限制各自電極部分的功能。它也可以表明，陽極并不是同樣良好的負(fù)載和卸載和鋰無處不在。

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)致鋰電池對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，雖然我們開發(fā)的技術(shù)可能會導(dǎo)致對未來電池設(shè)計(jì)方式的修正，但現(xiàn)在下結(jié)論還為時過早。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，來自劍橋和紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的科學(xué)家們設(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)測電池的健康狀況。

據(jù)參和研究的科學(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)送電脈沖并測量其響應(yīng)。然后通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法對它們進(jìn)行測量和處理，以預(yù)測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)的簡單附加組件。

來自劍橋卡文迪什實(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_發(fā)的電池可以在一個小空間里儲存大量的能量，他是這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人之一。通過改進(jìn)監(jiān)測充放電的軟件，并使用數(shù)據(jù)驅(qū)動軟件來控制充電過程，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20，000次的實(shí)驗(yàn)測量來訓(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)會了如何從無關(guān)的噪聲中區(qū)分重要的信號。

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。這個模型可以告訴我們什么電信號是最多的

和老化相關(guān)，這反過來又使他們能夠設(shè)計(jì)特定的實(shí)驗(yàn)來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)平臺來了解不同電池化學(xué)物質(zhì)的降解情況。他們還在開發(fā)最優(yōu)的電池充電協(xié)議，通過機(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)和對更優(yōu)質(zhì)電池技術(shù)的需求，我們預(yù)測鋰電池的健康狀況和剩余使用壽命至關(guān)重要。

據(jù)參和這些不同項(xiàng)目的科學(xué)家解釋，這項(xiàng)工作將有助于開發(fā)更安全、更可靠的電池，用于各種新設(shè)備從電動汽車到各種消費(fèi)電子產(chǎn)品。

也許電力革命真的有可能會把我們帶向一個新時代