《斯坦福/MIT/丰田合作新研究公布 可预测电池寿命》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2019-04-08
  • 如果手机电池制造商能够判断哪些电池可至少用两年,那么就可以将此类电池卖给手机制造商,把其他类的电池出售给要求不是那么高的设备制造商。据外媒报道,由斯坦福大学、麻省理工学院以及丰田研究所开展的一项最新研究发现,制造商们能够做到这一点,而且该项技术不仅可以用来对电池进行分类,还可帮助新款电池设计更快上市。科学家们结合综合实验数据以及人工智能,揭示了在锂离子电池容量开始下降之前,准确预测电池使用寿命的关键。研究人员们利用数亿个电池充放电数据点,训练了机器学习模型,该算法根据电压下降和电池早期循环中的一些其他因素,预测了每个电池还能持续多少次充放电循环。

    预测值在电池实际能够持续的循环次数有限范围以内,此外,该算法根据电池前5次充放电循环将电池分类为长寿命电池或短寿命电池。而且,95%的预测结果都是正确的。该机器学习方法能够加速新型电池设计以及其他应用的研发,减少生产时间和成本。研究人员已经将该数据集公开,该数据集是同类数据集中最大的。

    该项目的一个重点是找到一种更好的方法,10分钟内给电池充满电,该功能可能会加速电动汽车的普及。为了生成训练数据集,该研究小组对电池不断进行充放电,直到电池的使用寿命殆尽,其中研究人员将电池容量损失定义为20%。在优化快速充电的过程中,研究人员想弄清楚,是否有必要一直将电池耗尽,答案能否从电池早期充放电循环中找到呢? 

    一般来说,锂离子电池的容量在一段时间内是稳定的,然后才会急剧下降。大多数消费者都知道,急剧下降点会存在很大差异。在该项目中,使用的电池可以持续150至2300次循环,循环次数的差异部分是由于测试了不同的快速充电方法,但是电池制造的差异也造成了电池循环次数的差异。

    研究人员研发的新方法有很多潜在应用。例如,可以缩短新型电池的验证时间,考虑到电池材料的发展迅速,缩短验证时间非常重要。此外,有了此类分类技术,对于电动汽车来说寿命较短的电池,可以用于给路灯供电,或者作为数据中心的备用电源。此外,回收电池的公司也可以从二手电动汽车电池组中找到容量足够的电池,进行二次使用。

    此外,另一种潜在应用就是优化电池制造。电池制造的最后一步是“成型”,一般需要几天至几周的时间。但是研究人员提供的方法可以显著缩短该过程,从而降低生产成本。目前,研究人员正在使用其机器学习模型,优化10分钟内给电池充满电的方法,他们表示,可让充电时间减少10倍以上。

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  • 《丰田:固态电池已有原型产品 但产业化要等到2025年》

    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2020-07-29
    • 对于固态电池的商业化量产,丰田汽车与业界的预判基本一致,预计要到2025年前后才能市场化落地。近日,丰田汽车动力总成公司执行副总裁兼电池业总经理Keiji Kaita透露,“丰田计划在2025年之前量产固态电池。” 尽管固态电池在电动汽车领域的应用预计还要四五年的时间,但这并不妨碍车企们对于固态电池技术的热情,毕竟在很多车企看来,固态电池有望成为消除电动汽车续航焦虑、安全焦虑、充电焦虑的突破性技术之一。换言之,谁先掌握了固态电池技术,谁就有可能改写电动汽车的竞争格局。 01 丰田:如期推出固态电池原型产品 明年将亮相 2019年10月,丰田执行总裁兼首席技术官寺岛茂树Shigeki Terashi曾透露,丰田将在2020年东京奥运会期间推出一款搭载固态电池的电动汽车,该车型将基于丰田e-Palette平台开发。“如果不是因为疫情的冲击,丰田下一代电动车的核心部件固态电池或许就在东京奥运会举办期间亮相了。”据知情人士透露,丰田仍在积极研发固态电池,如期推出了原型产品,并已在概念车上运行。 图片来源:易车网 那么丰田汽车的固态电池技术研发进展如何了呢? 在充电速度方面,据丰田内部人士透露,固态电池原型产品在充电速度上相较于现有锂电池具有明显优势,电量从0到100%仅需15分钟。“充电焦虑”或将在固态电池上成为过去式。 在电池寿命方面,丰田汽车计划其生产的固态电池在使用30年后仍保持90%以上的性能。如果该技术能尽快实现,那么循环性能将超越近期特斯拉、宁德时代、通用等宣传的百万公里电池。 在能量密度方面,根据丰田的规划,计划到2025年将固态电池能量密度提升到现有锂电池能量密度的2倍以上,预计可达到450Wh/kg。届时,搭载固态电池的电动汽车,续航里程将大幅提升,可与目前燃油车相媲美。 在安全性方面,由于固态电池采用固态电解质,不含可燃性的电解液等材料成分,安全性也将明显提升。 不过,尽管已推出固态电池原型产品,但真正市场化应用,丰田认为也要到2025年前后:一方面是因为技术还需要不断完善;另一方面是成本还比较高。 Keiji Kaita表示,现在讨论固态电池的上市时间还太早,和很多前瞻性技术一样,其商业化同样面临多重障碍。据悉,目前丰田工程师正在调整电池的阳极和其他材料构成,使固态电池的耐用性和安全性继续提高,“丰田希望能在 2025 年前量产固态电池,”Keiji Kaita表示。 据丰田内部人士透露,目前固态电池的另一大问题在于成本,未来成本需要低于100美元/kWh才能与燃油机相抗衡,很显然固态电池的降本还有较长一段路要走。不过,丰田并未透露目前原型产品的生产成本情况,但相信随着技术的成熟,产业化规模放量,技术成熟后其成本下降也可期。 据电池中国网了解,丰田正通过其与松下电池成立的合资企业泰星能源解决方案有限公司推动固态电池业务的发展。该公司今年4月已投入运营,丰田在合资公司中持股51%,在5人董事会中占据3席,松下电器持股49%,董事长由丰田汽车好田博昭出任。 从目前丰田透露的信息来看,固态电池真正商业化预计还要等到2025年,目前仍然有技术需要不断完善,成本依然要下降等问题需要克服。如果明年东京奥运会能如期举行,我们也可以在东京奥运会上一窥丰田汽车固态电池研发最新进展情况。 02 大众再加码 2亿美元投资固态电池技术公司 同样热衷固态电池技术的还有大众汽车。今年6月,大众汽车宣布将增加对固态电池开发商Quantum Scape的投资,增资的金额为2亿美元(约合人民币14.2亿元),大众方面表示此举是为了进一步开发固态电池。 公开信息显示,Quantum Scape是斯坦福大学前研究人员于2010年在美国圣何塞成立的新公司,主要从事固态电池研发工作,拥有了约200项固态电池技术专利和专利申请。 据电池中国网了解,这是大众汽车第三次对该公司进行投资,2014年大众就出资持有了这家公司5%的股份;2018年,大众又出资1亿美元(约合人民币7.1亿元)与QuantumScape成立了合资公司。接连三次向这家公司注资,足可见大众汽车对于固态电池的重视。 事实上,就6月份的巨额投资,大众汽车零部件管理委员会主席Thomas Schmall表示:“我们与Quantum Scape正在取得技术进步,此次投资将会有效地增强我们对全固态电池的联合研发工作。” 目前业界对于大众和Quantum Scape在固态电池技术上的研发进展并没有较多信息。大众此前透露已经对Quantum Scape的固态电池样品进行了测试,“能够使e-golf的综合续航里程从300公里提升到750公里。” 对于固态电池的量产时间节点,大众预估与丰田类似,“我们与Quantum Scape的目标是在2025年建成一条为电动汽车生产固态电池的生产线。” 除了丰田、大众外,宝马、福特、现代等车企近几年也陆续投资了Soild Power等固态电池技术科创公司。 国内方面,上汽、一汽、北汽等车企近年来也纷纷投资了固态电池技术公司。如上汽集团、北汽产投联合投资了国内固态电池技术企业清陶能源,一汽产业基金参与了辉能科技的融资项目。 实际上,除了上述一些国际车企之外,国内众多锂电池生产企业及材料企业,如宁德时代、比亚迪、国轩高科、清陶能源、力神电池、辉能科技、当升科技、赣锋锂业等也都在布局固态电池及材料技术开发。 宁德时代董事长曾毓群表示,真正的固态电池是需要用金属锂作负极,这样才能提高能量密度,现阶段业内一些企业发布的固态电池在能量密度等指标上还不如(液态)锂离子电池,公司也在持续进行固态电池等前沿技术的研究和产品研发的投入。不过,宁德时代目前并未透露过公司固态电池研发进展的相关信息。 近日,国轩高科董事长李缜透露,国轩高科在半固态电池的研究上投入了大量资源,未来国轩会结合半固态电池的研究,大大提升高镍三元电芯和Pack系统应用的安全性与可靠性。 此外,赣锋锂业、清陶能源、辉能科技都已经建成了固态电池中试产线,正在加快相关技术的落地。 事实上,在电动汽车产业飞速发展的推动下,过去十年电池技术进步速度在大幅提升,而当前电动化浪潮正席卷全球,全球主流车企也纷纷向电动化转型,预计在这一波浪潮中,作为下一代电池技术的固态电池,其研发及落地时间相信也会有所缩短,丰田、大众都给出了2025年的时间表,这一节点也非常值得期待,如果2025年固态电池技术真正实现产业化,相信汽车电动化将真正成为主流。
  • 《人工智能大模型“拿捏”电池寿命》

    • 来源专题:能源情报网监测服务平台
    • 编译者:郭楷模
    • 发布时间:2024-09-25
    • 从清晨唤醒我们的闹钟,到随身携带的手机,再到电动汽车、无人机等新兴产品,无一不依赖于电池提供的稳定电力。 然而,随着电池使用时间的增长,其容量会逐渐衰减,造成供电时间缩短,影响设备的正常功能。如果能及时检测电池寿命,用户就能在电池性能明显下降前采取相应措施,从而避免因电池问题导致的设备故障或数据丢失,延长电池整体使用寿命。 近日,中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)研究员陈忠伟、副研究员毛治宇团队,联合西安交通大学教授冯江涛,在电池健康管理领域取得新进展。他们开发了一种新型的深度学习模型,有效解决了传统方法对大量充电测试数据的依赖问题,为电池实时寿命预估提供了新思路,实现了锂电池寿命的端到端评估。同时,该模型作为团队开发的第一代电池数字大脑PBSRD Digit核心模型的重要组成部分,为电池智能管理提供了解决方案。相关成果发表于《电气电子工程师学会交通电气化学报》。 难以预测的电池寿命 电池的循环寿命是指电池在规定的充放电条件下,经历多次完全充放电循环后,容量或性能下降到初始值的某一规定百分比所能经历的充放电次数。通常以电池容量衰减到初始值的80%作为循环寿命的“终点”。 假如一部手机的电池循环寿命是500次,这就意味着,如果每天把手机电量完全用完再充满,那么大约500天后,你就会感觉手机电量没有以前那么耐用了,因为电池的循环寿命到了。 由于电池容量退化是一个受多种因素影响的动态过程,包括充放电循环次数、充放电深度、环境温度、电池老化等,这些因素相互作用,使得电池寿命预测变得尤为复杂。 此前,电池寿命预测都在实验室内进行。比如让电池加速循环,在高温45℃下高倍率运行,以此推断它在实际应用场景中的使用寿命。但是,不同的应用场景和运行条件会对锂电池寿命产生显著影响,以致无法实现对电池的精准预测。 目前,很多团队正积极投身于人工智能领域的探索。“遗憾的是,当前的人工智能技术及其学习深度,以及有限的人力资源,不能完全满足对电池寿命进行精确检测的需求。”毛治宇说,“基于这一现状,我们萌生了一个设想——设计一个能够直接且高效检测电池寿命的创新模型。这一模型致力于突破现有技术的局限,为电池健康管理提供更为可靠和智能的解决方案。” 人工智能模型让电池“透视” 2017年,毛治宇在加拿大滑铁卢大学读博士,陈忠伟是他的导师。当时,人工智能刚刚起步,他们想尝试一下,用它能否解决电池寿命检测这一难题。 “实际上,电池包括正极、负极、隔膜、电极液等,是一个复杂的电化学系统。但是,那时候的模型还停留在简单的神经网络学习,人工智能检测刚刚开始,我们就用自己的电池尝试测试,并纳入此前未被考虑到的电池老化问题,最终检测出来的电池寿命与实际寿命相比,精度有了很大提高。”毛治宇回忆当初第一次尝试时说。 这次初步尝试开启了毛治宇在人工智能应用于电池智能管理方向的科研之路。后来,二人先后归国工作,毛治宇又加入了陈忠伟的团队。 陈忠伟团队有一个方向是智能电池,包括人工智能应用于科学、人工智能应用于工程,毛治宇想在这里圆梦。而目前科技领域已有多个人工智能的计算模型,他们“借风使船”结合多个模型,实现了优势互补。 “我们利用了Vision Transformer结构,它可以进行并行计算,同时处理多个任务。”论文第一作者、在大连化物所从事博士后研究的刘云鹏介绍,“还有一个空间流加时间流的双流框架,可提取多维时间尺度信息,同时借助高效自注意力机制减少计算复杂度。我们根据不同的优势将这两种算法进行了结合。” 这项研究提出了一种基于少量充电周期数据的深度学习模型,该模型通过带有双流框架的Vision Transformer结构和高效自注意力机制,捕捉并融合多时间尺度隐藏特征,实现对电池当前循环寿命和剩余使用寿命的准确预测。 该模型在仅使用15个充电周期数据的情况下,能够将上述两种预测误差分别控制在5.40%和4.64%以内。并且,在面对训练数据集内未出现的充电策略时,仍能保持较低的预测误差,证明了其zero-shot泛化能力。 打造“电池数字大脑” 同时,该电池寿命预测模型是第一代电池数字大脑PBSRD Digit的重要组成部分。通过将模型整合到该系统中,进一步提高了系统的准确性。目前,该电池数字大脑系统作为大规模工商业储能和电动汽车的能量管理核心,可部署于云端服务器和客户端嵌入式设备。 “现在新能源特别是储能是热点话题,很多厂家都想开发全生命周期的电池智能管理系统。我们希望建设一个完整的电池数字大脑,能够更好地管理电池,像大脑一样控制电池的各个方面,让电池效率更高、寿命更长。这是我们未来的一个智能化发展方向。”毛治宇介绍说。 事实上,陈忠伟、毛治宇、刘云鹏正好是一个团队内的“师徒三代”。经过多年发展,团队在电化学、电催化、人工智能方面都有着深厚的积累。他们的目标是打造从基础研究到关键技术开发再到产业应用示范的全链条模式,以应用为导向真正走向产业化,乃至对整个领域产生影响。 150余人的团队中,会聚了超过50位经验丰富的工程师。他们具有不同的技术背景,不乏在大数据架构与算法领域深耕多年的专家,擅长将前沿的算法研究转化为高效、稳定的系统架构,确保技术成果能够顺利落地。 正是这种“研究+开发”深度融合的模式,使得团队能够跨越传统界限,促进不同领域知识与技术的交叉融合。工程师们不仅能独立承担项目研发的重任,还能与科研人员紧密合作,将最新研究成果迅速转化为产品功能,从而加速技术创新与产业升级的步伐。 通过这种高效的协作机制,团队不仅在电池寿命检测等特定领域取得突破,还能灵活应对各种复杂挑战,推动多个项目并行发展,最终实现多元化、全方位的技术创新目标。 “未来,我们计划利用模型提炼等技术进一步优化模型,以提高资源利用率,打造真正的数字大脑。”陈忠伟说。 相关论文信息: https://doi.org/10.1109/TTE.2024.3434553