生活中到處離不開鋰離子電池的使用，隨著電動(dòng)汽車的普及，人們?cè)絹碓疥P(guān)心鋰離子電池的壽命，因?yàn)閾Q電池貴啊！尤其是現(xiàn)在電極材料價(jià)格瘋漲，導(dǎo)致電動(dòng)汽車價(jià)格上漲。
電池壽命不僅是消費(fèi)者關(guān)心的問題，汽車廠商，科學(xué)界都在努力地想延長(zhǎng)電池的續(xù)航壽命。
鋰電池的壽命受很多因素的影響：充電次數(shù)、放電深度、過充、過放、過冷、過熱、電極材料、電解液等等。
相信大家也看出來了，電池壽命主要與充放電有關(guān)，一個(gè)理論壽命為5年的磷酸鐵鋰電池，人們希望它能用6年甚至8年。
于是，怎么充電，何時(shí)充電，放電深度是多少成了很多人關(guān)心的話題。無論是購(gòu)買手機(jī)還是電動(dòng)汽車，銷售商都會(huì)告訴我們，將電池電量保持在20%到80%區(qū)間有利于延長(zhǎng)電池壽命，不要過度充電，也不要過放電。
經(jīng)常過充電會(huì)導(dǎo)致鋰電池中的鋰離子跑動(dòng)太快，不能安全到達(dá)負(fù)極，從而部分析出形成鋰金屬，降低電池容量；而經(jīng)常過度放電則容易導(dǎo)致負(fù)極材料結(jié)構(gòu)坍塌，造成電池?zé)崾Э亍＿@些都會(huì)大大地減少電池的壽命。
最近，國(guó)際權(quán)威期刊《Nature Materials》發(fā)表了一篇學(xué)術(shù)論文，解決了鋰電池研究20多年來的關(guān)鍵技術(shù)問題并利用所了解的知識(shí)反過來讓電池達(dá)到自動(dòng)延長(zhǎng)壽命的目的。
這項(xiàng)研究由勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和麻省理工學(xué)院的研究人員合作完成。他們使用磷酸鐵鋰電池作為研究對(duì)象，因?yàn)檫@種電池目前是電動(dòng)汽車市場(chǎng)上主要使用的電池，盡管它的能量密度不高，但是比較安全也相對(duì)便宜。
磷酸鐵鋰電池已經(jīng)被研究了20年，迄今為止，它的壽命延長(zhǎng)并未有太多的進(jìn)展，兩個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題沒有得到解決：第一個(gè)是電池材料在充放電時(shí)的機(jī)械力變化（如彈性和變形）問題；第二個(gè)是這個(gè)機(jī)械力變化如何在電池穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行擴(kuò)展和收縮的。
這些關(guān)鍵問題被很多人證明過會(huì)大大地影響電池的壽命，但是對(duì)這些發(fā)生在原子健間納米尺度上的變化知之甚少，從而導(dǎo)致研究進(jìn)展緩慢。
得益于掃描透射電鏡高級(jí)X射線技術(shù)的發(fā)展，高分辨率 X 射線、電子和中子顯微鏡的新方法允許在納米尺度上直接可視化材料內(nèi)部的變化。研究人員終于可以利用這些新的高分辨率顯微鏡技術(shù)清楚地拍攝到了這些機(jī)械應(yīng)變反應(yīng)。
在磷酸鐵鋰電池的充放電過程中，研究人員在掃描透射電鏡拍攝的二維圖像中清晰地看到了電池內(nèi)部的機(jī)械變化。這些圖像很復(fù)雜，為了更好地理解這些圖像，研究人員利用了人工智能分析的手段。
是的，人工智能，我們所知的人工智能幾乎是很強(qiáng)大的，可以分析很多晦澀難懂的圖像和數(shù)據(jù)，從而找出規(guī)律并進(jìn)行學(xué)習(xí)。
研究人員利用人工智能分析了這些原始的原子級(jí)別的顯微圖像后，準(zhǔn)確地了解了電池充放電過程中磨損的原因，他們接著讓人工智能進(jìn)行“逆向?qū)W習(xí)”，從這些被拍攝的磷酸鐵鋰電池內(nèi)部磨損的圖像中來重建物理演變過程，再反過來預(yù)測(cè)新電池的性能、在實(shí)際使用中的可靠性以及材料如何隨著時(shí)間的推移而退化等。
除了探索新的替代電極材料，更令人興奮的是，研究人員準(zhǔn)備利用人工智能的逆向?qū)W習(xí)能力從這些已知的電池內(nèi)部磨損的圖像中進(jìn)一步開發(fā)一種新的電池控制軟件，搭載新電池，可以自我管理充放電，從而達(dá)到使電池自我延長(zhǎng)壽命的目的。
“這項(xiàng)工作已經(jīng)在進(jìn)行中，”研究論文的主要負(fù)責(zé)人Chueh 說。
他還說這是第一次可以在單納米尺度上可視化和測(cè)量這些力，有了人工智能的幫助，將來的鋰電池使用壽命會(huì)比現(xiàn)在長(zhǎng)得多。
