鋰離子電池在便攜式能源、新能源汽車領(lǐng)域、以及大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用。在各種能源系統(tǒng)中，都存在著電池壽命的衰減。使用電池早期循環(huán)的數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)電池的使用壽命，將會(huì)為電池生產(chǎn)和大規(guī)模使用創(chuàng)造新的機(jī)遇。在此前的研究中，多種物理化學(xué)模型和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅挥脕硌芯侩姵匮h(huán)中的反應(yīng)以及變化，并據(jù)此進(jìn)行電池壽命的預(yù)測(cè)：包括SEI的生長(zhǎng)，鋰離子的沉積，活性物質(zhì)衰減，阻抗增加等等過程。這些研究往往僅考慮電池中單一的，或者少數(shù)反應(yīng)過程。在實(shí)際應(yīng)用的電池體系中，電極反應(yīng)往往和熱力學(xué)、力學(xué)過程耦合，電池不同的充放電使用條件（快充等），這些復(fù)雜的反應(yīng)過程加大了預(yù)測(cè)全電池壽命的難度。

近年來，大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)分析處理的信息技術(shù)日漸成熟，信息技術(shù)被廣泛應(yīng)用到材料分析領(lǐng)域：預(yù)測(cè)材料性質(zhì)、判斷化學(xué)反應(yīng)路徑、能源催化等新材料的發(fā)現(xiàn)等等。將先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析處理的信息技術(shù)與材料研發(fā)相結(jié)合，極大地推動(dòng)了材料科學(xué)的快速發(fā)展。電池循環(huán)壽命預(yù)測(cè)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性一直是傳統(tǒng)電池壽命預(yù)測(cè)研究中的難點(diǎn)，將機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析引入電池壽命預(yù)測(cè)，無疑會(huì)更早、更快、更準(zhǔn)地進(jìn)行電池壽命預(yù)測(cè)。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，麻省理工學(xué)院的RichardD.Braatz教授課題組和伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室WilliamC.Chueh教授課題組合作在NatureEnergy上發(fā)表題為“Data-drivenpredictionofbatterycyclelifebeforecapacitydegradation”的最新研究成果。文章的第一作者為KristenA.Severson以及PeterM.Attia。在該項(xiàng)研究中，作者發(fā)展了一種新的電池壽命預(yù)測(cè)模型，可以更為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)商業(yè)化磷酸鐵鋰和石墨全電池的使用壽命。作者用72種快速充放電條件使得電池容量降低為額定容量的80%，收集了124個(gè)不同使用壽命的電池組數(shù)據(jù)。作者提出的預(yù)測(cè)模型僅僅使用前100圈的循環(huán)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于電池誤差的較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)（預(yù)測(cè)誤差僅為9.1%）。此外，當(dāng)僅僅使用前5圈數(shù)據(jù)進(jìn)行電池長(zhǎng)短壽命的定性預(yù)測(cè)時(shí)，模型預(yù)測(cè)誤差僅為4.9%。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1(a)LFP/Graphite全電池前1000圈的放電容量圖，(b)LFP/Graphite全電池前100圈的放電容量圖，(c)第100圈與第2圈不同容量比值的電池統(tǒng)計(jì)；不同圈數(shù)與電池壽命的相互關(guān)系：(d)第二圈，(e)第100圈，(f)95-100圈

【數(shù)據(jù)收集】

在實(shí)際使用的鋰電池中，電池的容量衰減是多個(gè)物理化學(xué)過程耦合在一起的，復(fù)雜的衰退機(jī)制以及不同的裝配、使用條件使得鋰電池容量衰減的參數(shù)化是復(fù)雜的、高緯度的。為了建立這種高緯度的數(shù)據(jù)空間，作者使用商業(yè)化的磷酸鐵鋰/石墨全電池（A123，APR18650M1A，額定容量為1.1Ah）進(jìn)行測(cè)試，將溫度控制在30℃，使用不同的快速充放電條件對(duì)電池進(jìn)行循環(huán)。通過改變不同的充放電倍率，作者獲得了大量的電池循環(huán)壽命信息：循環(huán)壽命范圍在150到2300圈之間，電池的平均循環(huán)壽命為806，標(biāo)準(zhǔn)偏差為377。盡管控制了測(cè)試溫度，電池內(nèi)部在充放電循環(huán)時(shí)熱量的逐漸累積使得部分電池的溫度仍然有高達(dá)10℃的變化。作者獲得總計(jì)96700圈的電池?cái)?shù)據(jù)，是目前文獻(xiàn)中最大的已公開的商業(yè)化電池循環(huán)數(shù)據(jù)集。

圖1a展示了電池前1000圈的放電容量曲線，圖1b的前100圈放電容量曲線顯示出了容量幾乎沒有衰減，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電池的容量衰減加快。電池的壽命的對(duì)數(shù)與電池的初始容量有著弱關(guān)系：與第二圈的相關(guān)性為-0.06，與第100圈的相關(guān)性為0.27，接近100圈時(shí)為0.47。這種較弱的相互關(guān)系使得利用初始循環(huán)數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)電池壽命的難度加大。作者隨后采用了新的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法和模型，在作者的研究中，全電壓曲線、電池阻抗以及電池工作溫度都被采集并加以應(yīng)用。

圖2(a)循環(huán)壽命較高的電池第10圈和第100圈的放電容量圖，(b)Q100-Q10與V的數(shù)據(jù)關(guān)系曲線，(c)ΔQ100-10(V)方差與循環(huán)壽命關(guān)系

【機(jī)器學(xué)習(xí)方法】

基于此前獲得的大量數(shù)據(jù)，作者使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立了新的電池壽命早期預(yù)測(cè)模型：原始數(shù)據(jù)經(jīng)過線性、非線性轉(zhuǎn)換生成‘彈性網(wǎng)絡(luò)’。模型可以根據(jù)放電容量電壓曲線的特征來預(yù)測(cè)電池的循環(huán)壽命。如圖2a所示，在放電容量電壓曲線中，每一圈的電壓曲線都有著區(qū)別，將容量視為電壓的函數(shù)Q(V)。圖2b展示了Q100-Q10與V的數(shù)據(jù)關(guān)系曲線，作者隨后總結(jié)了這些數(shù)據(jù)的最小值、平均值和方差等等。這些數(shù)據(jù)并沒有明顯的物理意義，這些數(shù)據(jù)因?yàn)榫哂蓄A(yù)測(cè)電池壽命的特征而被用到作者的模型中。基于這些數(shù)據(jù)，作者使用了三種不同的模型來進(jìn)行研究：(1)使用方差(Variancemodel)，(2)放電中的其他特征(Dischargemodel)，(3)引入溫度、阻抗等額外特征(Fullmodel)。在所有的模型中，都只使用了前一百圈的電池循環(huán)數(shù)據(jù)。機(jī)器學(xué)習(xí)模型中定義了兩個(gè)矩陣來評(píng)估預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性：均方根方差以及平均百分比誤差。

圖3三種模型結(jié)果分析：(a)Variance模型，(b)Discharge模型，(c)Full模型

表1不同模型的預(yù)測(cè)結(jié)果

【電池壽命早期預(yù)測(cè)模型】

作者提出了三種進(jìn)行電池壽命早期預(yù)測(cè)的模型：Variance，Discharge以及Fullmodel。如圖3和表1所示，在只使用方差的Variance模型中，在主數(shù)據(jù)集上存在15%的平均百分比誤差，在輔助數(shù)據(jù)集上存在11%的平均百分比誤差；Discharge模型考慮了前一百圈的放電電壓和電流信息，作者選取了13個(gè)特征集中的6個(gè)，將誤差分別降低到10.1%以及8.6%；Full模型綜合考慮了放電過程中的各種可用特性，將誤差分別降到了7.5%和10.7%。

作者進(jìn)一步對(duì)比前人文獻(xiàn)中的預(yù)測(cè)模型以及naive模型。本文中的預(yù)測(cè)模型在僅適用前100圈早期循環(huán)的電池循環(huán)數(shù)據(jù)，使用相關(guān)容量增加0.2%的中位數(shù)，對(duì)電池的循環(huán)壽命實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。與其他的預(yù)測(cè)模型相比，將預(yù)測(cè)精度提高了25%。鋰電池的生產(chǎn)中，往往需要對(duì)電池進(jìn)行循環(huán)壽命的快速可靠分揀，作者進(jìn)一步提出了基于前5圈電池循環(huán)數(shù)據(jù)的壽命預(yù)測(cè)模型，對(duì)電池高低循環(huán)壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。如表2所示，作者使用ΔQ5-4(V)的數(shù)據(jù)依據(jù)前文中的提到的三種模型來預(yù)測(cè)電池壽命，Variance方差模型可以達(dá)到88.8%的預(yù)測(cè)精度，F(xiàn)ull模型可以達(dá)到95.1%的高準(zhǔn)確度。

表2基于前5圈預(yù)測(cè)電池循環(huán)壽命結(jié)果

圖40.1C倍率不同循環(huán)圈數(shù)的：(a-c)dQ/dV曲線，(d-f)dV/dQ曲線；4C倍率不同循環(huán)圈數(shù)的：(g-i)dQ/dV曲線；(j-l)預(yù)測(cè)壽命與實(shí)際壽命

【壽命早期預(yù)測(cè)模型的合理性】

作者使用電池早期循環(huán)的快速充放電數(shù)據(jù)，對(duì)電池壽命進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。作者又研究了適用于低倍率充放電循環(huán)的電池壽命預(yù)測(cè)模型。為了研究去鋰化負(fù)極LAMdeNe對(duì)于電池壽命預(yù)測(cè)的影響，作者使用不同倍率(4C、6C和8C)的充電速率和恒定的4C放電倍率進(jìn)行電池循環(huán)，并將這些數(shù)據(jù)與低倍率0.1C的電池在第10圈、第101圈以及電池循環(huán)壽命結(jié)束時(shí)的放電過程的dQ/dV和dV/dQ數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（圖4）。dQ/dV以及dV/dQ的變化與充電時(shí)鋰嵌入石墨而引起的電壓變化相對(duì)應(yīng)，并且隨著充電倍率增加，從第1圈到第100圈曲線偏移程度增加。LAMdeNe在早期的循環(huán)中沒有明顯的容量衰減，本文中的基于放電容量電壓曲線特征的預(yù)測(cè)模型相比于其他基于容量循環(huán)曲線的預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確性更高。

圖5預(yù)測(cè)誤差與循環(huán)圈數(shù)周期指數(shù)的關(guān)系.

作者進(jìn)一步進(jìn)行了回歸分析，研究ΔQ(V)受周期指數(shù)的影響。作者研究了基于主數(shù)據(jù)集僅使用Qi(V)-Qj(V)的方差模型，如圖5所示，該模型在i>60時(shí)不敏感，使用更早的周期進(jìn)行壽命早期預(yù)測(cè)也同樣適用。

【總結(jié)與展望】

基于大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的電池壽命早期預(yù)測(cè)模型可以及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)電池壽命進(jìn)行可靠預(yù)測(cè)，在鋰電池研發(fā)、生產(chǎn)、使用中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。在本文的研究工作中，作者收集了大量的不同充放電條件的商業(yè)化磷酸鐵鋰/石墨全電池的循環(huán)數(shù)據(jù)，并使用電池早期循環(huán)的數(shù)據(jù)建模，在不深入研究電池內(nèi)部反應(yīng)、衰退機(jī)理的情況下有效而準(zhǔn)確地對(duì)電池壽命了進(jìn)行了預(yù)測(cè)。本文的研究將先進(jìn)的信息技術(shù)應(yīng)用到復(fù)雜電池系統(tǒng)的研究中，對(duì)于今后電池的研發(fā)具有指導(dǎo)意義。