如果手機(jī)電池制造商能夠預(yù)先判斷出哪些電池至少可以連續(xù)使用兩年，那么他們就能把這些電池賣給手機(jī)制造商，而把剩下的賣給要求不那么高的設(shè)備商。新的研究表明電池生產(chǎn)商可以做到這一點。這項技術(shù)不僅可以用來對制造出來的電池進(jìn)行分類，還可以幫助新的電池設(shè)計更快地進(jìn)入市場。

斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院和豐田研究所的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，綜合實驗數(shù)據(jù)和人工智能揭示了在鋰離子電池容量開始衰減之前準(zhǔn)確預(yù)測其使用壽命的關(guān)鍵。在研究人員用數(shù)億個電池充放電數(shù)據(jù)點訓(xùn)練了他們的機(jī)器學(xué)習(xí)模型之后，該算法根據(jù)電壓下降和早期循環(huán)中的一些其他因素，預(yù)測了每個電池還能持續(xù)多少個周期。

該算法僅根據(jù)前五個充放電周期就可以將電池區(qū)分出長壽命和短壽命。在這里，95%的預(yù)測都是正確的。

這一機(jī)器學(xué)習(xí)方法發(fā)表在3月25日的《自然能源》(NatureEnergy)雜志上，它可以加速新電池的設(shè)計與研發(fā)，減少生產(chǎn)時間和成本，以及其他應(yīng)用。研究人員已經(jīng)公開了該數(shù)據(jù)集——是同類數(shù)據(jù)中最大的。

測試新電池設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)方法是對電池進(jìn)行充放電，直到電池失效為止。斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程博士研究生PeterAttia說，由于電池的壽命很長，這個過程可能需要數(shù)月甚至數(shù)年的時間。這是電池研究中一個昂貴的瓶頸。

這項工作是在電池數(shù)據(jù)驅(qū)動設(shè)計中心(Centerfordata-drivenDesignofBatteries)進(jìn)行的，該中心是一個集理論、實驗和數(shù)據(jù)科學(xué)于一體的學(xué)術(shù)與工業(yè)合作機(jī)構(gòu)。斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程助理教授WilliamChueh帶領(lǐng)的研究人員進(jìn)行了電池實驗。MITs團(tuán)隊由化學(xué)工程學(xué)教授理查德·布拉茨(RichardBraatz)領(lǐng)導(dǎo)，完成了機(jī)器學(xué)習(xí)工作。克里斯汀·塞弗森(KristenSeverson)是這項研究的聯(lián)合首席作者，去年春天在麻省理工學(xué)院(MIT)完成了化學(xué)工程博士學(xué)位。

優(yōu)化快速充電

該項目的一個重點是找到一種能在10分鐘內(nèi)給電池充滿電的更好的方法，這一功能可能會加速電動汽車的大規(guī)模應(yīng)用。為了生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，研究小組對電池進(jìn)行充電和放電，直到每個電池的使用壽命結(jié)束，他們將其定義為20%的容量損失。在優(yōu)化快速充電的過程中，研究人員想弄清楚電池問題的答案是否能從早期的循環(huán)信息中找到？

計算能力和數(shù)據(jù)生成方面的進(jìn)步，最近使機(jī)器學(xué)習(xí)能夠加速完成各種任務(wù)。布拉茨說，這包括對材料性能的預(yù)測。我們的研究結(jié)果表明，我們可以預(yù)測復(fù)雜系統(tǒng)在遙遠(yuǎn)的未來的行為。

一般來說，鋰離子電池的容量在一段時間內(nèi)是穩(wěn)定的。然后它會急劇下降。正如21世紀(jì)的大多數(shù)消費者所知道的那樣，下降點存在很大差異。在這個項目中，電池可以使用150到2300次。這種變化部分是由于測試了不同的快速充電方法，但也是由電池之間的制造差異決定的。

研究報告的作者之一、豐田研究院(ToyotaResearchInstitute)的科學(xué)家帕特里克(PatrickHerring)說：“在這項工作中，我們將最耗時的步驟之一——電池測試——減少了一個數(shù)量級。”

可能的用途

Attia說，新方法有許多潛在的應(yīng)用。例如，它可以縮短驗證新型電池的時間，考慮到材料的快速發(fā)展，這一點尤為重要。通過這種快速分選技術(shù)，壽命較短的電動汽車電池——對汽車來說太短了——可以被用來為路燈供電或作為數(shù)據(jù)中心的備用電池。回收者可以從使用過的電動汽車電池組中找到適合的電池，這些電池的容量足夠拿來做梯次利用。

另一種可能性是優(yōu)化電池制造。Attia說，制造電池的最后一步是成型，這可能需要幾天到幾周的時間。使用我們的方法可以大大縮短這一過程，降低生產(chǎn)成本。

研究人員現(xiàn)在正在使用他們的模型優(yōu)化10分鐘內(nèi)的高速充電方式，他們說這將使電池充電時間減少超過10倍。