怎么做能讓鋰電池儲(chǔ)電量和壽命翻倍？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-27 18:03
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在第四期青創(chuàng)聯(lián)盟線上研討會(huì)上，哥倫比亞大學(xué)材料系助理教授楊遠(yuǎn)從材料學(xué)的角度回顧了電池的歷史、現(xiàn)狀以及未來(lái)發(fā)展方向。
在研討開(kāi)始，楊遠(yuǎn)教授介紹了材料科學(xué)的歷史和研究熱點(diǎn)。他介紹了人類(lèi)的發(fā)展史可以說(shuō)是一部材料發(fā)展史。無(wú)論從石器時(shí)代到青銅時(shí)代還是如今的硅時(shí)代（電子產(chǎn)品大量使用硅材料）。
據(jù)楊遠(yuǎn)教授統(tǒng)計(jì)，過(guò)去20年，諾貝爾物理獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)得主有四分之一來(lái)自材料領(lǐng)域，足見(jiàn)人們的重視程度。
隨著數(shù)字時(shí)代的到來(lái)和人類(lèi)開(kāi)始對(duì)可持續(xù)發(fā)展愈加重視，電池的應(yīng)用領(lǐng)域正不斷擴(kuò)大。
人們對(duì)電池性能提出了更高的要求，比如人們需要待機(jī)時(shí)間更久的手機(jī)、續(xù)航里程更長(zhǎng)的汽車(chē)、太陽(yáng)能和風(fēng)能的大規(guī)模儲(chǔ)能需求、可穿戴設(shè)備如心臟起搏器（通常10年一換，有了更好的電池可以一輩子不換）等。
這么多的應(yīng)用場(chǎng)景也就向電池的能量密度、使用壽命、安全性、生產(chǎn)和使用成本等方面提出了新挑戰(zhàn)。
以時(shí)下最常用的鋰離子電池為例，楊遠(yuǎn)教授介紹稱(chēng)現(xiàn)在鋰離子電池的能量密度已經(jīng)達(dá)到250Wh/kg。未來(lái)10-15年的目標(biāo)是將其能量密度從250Wh/kg提高到500Wh/kg，成本也下降到現(xiàn)在的一半。
為了達(dá)到這一目標(biāo)，楊遠(yuǎn)教授介紹了未來(lái)電池的兩個(gè)發(fā)展方向。一個(gè)方向，使用新的材料，比如負(fù)極用鋰金屬代替商用石墨，正極使用高鎳的三元材料或者硫。
另一個(gè)方向是用純固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解液，以提高電池的容量和安全性。
楊遠(yuǎn)教授還指出，有些媒體報(bào)道稱(chēng)“石墨烯電池能讓電動(dòng)車(chē)五分鐘充滿電，一次跑1000公里”。這一說(shuō)法是過(guò)分夸張的。讓鋰離子電池能量翻倍，更加切實(shí)可行。
楊遠(yuǎn)教授還介紹了如何通過(guò)同步輻射光源，也就是比普通X光強(qiáng)上億倍的光源，來(lái)給電池照相，看到電池在充放電中的變化、找到電池的缺陷。把這些照片和大數(shù)據(jù)以及AI相結(jié)合，可以了解電池材料和器件的性能，進(jìn)而更好的了解電池的內(nèi)部特征。
在報(bào)告的最后，楊遠(yuǎn)教授介紹了自己的兩個(gè)研究方向：
1.金屬鋰枝晶的生長(zhǎng)。鋰金屬電池的安全隱患主要因?yàn)榻饘黉囋谑褂眠^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生枝晶，枝晶可能會(huì)刺穿正負(fù)電極中間的塑料隔膜，進(jìn)而造成短路引發(fā)電池著火。通過(guò)研究鋰枝晶的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)而找到解決方案，提升鋰電池的安全性。
2.制作柔性電池。通過(guò)把電池做成類(lèi)脊椎狀結(jié)構(gòu)，然后把硬的部分和軟的部分連接起來(lái)，可增加電池的柔性?？梢杂糜谌嵝噪娮赢a(chǎn)品，例如智能手表的表帶，柔性顯示屏等等。
同步輻射光源+大數(shù)據(jù)+AI+新材料
一同參加青創(chuàng)聯(lián)盟線上研討會(huì)的青創(chuàng)聯(lián)盟成員還有美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家同時(shí)也是本次研討會(huì)的主持人周華、清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系副教授崔鵬、休斯頓大學(xué)電氣工程及材料科學(xué)工程系副教授姚彥。
幾位專(zhuān)家就如何提高電池能力密度和壽命等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行了探討，具體內(nèi)容如下：
楊遠(yuǎn)：如果下一代同步輻射光源亮度增強(qiáng)數(shù)十倍，能否檢測(cè)到電解液中的輕元素？研究會(huì)有哪些幫助？同步輻射光源對(duì)電池研究會(huì)有哪些幫助，如何利用它來(lái)全面地表征電池的反應(yīng)？
周華：輕元素是個(gè)物理本質(zhì)上地問(wèn)題，光源更亮可能幫助不大。因?yàn)閄-Ray是基于電子的，鋰和氫這種輕的元素，光源強(qiáng)度再?gòu)?qiáng)在本質(zhì)上幫助不大。但是亮度增加帶來(lái)了一些新的技術(shù)，如基于相干成像的一些成像和動(dòng)力學(xué)的手段。
電池體系比較復(fù)雜，電池性能的失效過(guò)程是有相關(guān)性的，一個(gè)區(qū)的失效和另一個(gè)區(qū)的失效可能有一定的關(guān)聯(lián)性。在未來(lái)的一些關(guān)聯(lián)上的相干X射線會(huì)提供一定的幫助。
在時(shí)間尺度上可以用更快的方式拍照，看得更精準(zhǔn)一些。同時(shí)聚焦也更容易，成像會(huì)更三維和動(dòng)態(tài)，對(duì)電池這些復(fù)雜的體系來(lái)說(shuō)表征就更容易，而且未來(lái)的表征會(huì)更多元化。
楊遠(yuǎn)：如果人工提取一些具有物理含義的特征，然后把它作為一個(gè)參數(shù)把譜線輸入到數(shù)據(jù)模擬里面，如何使用數(shù)據(jù)分析來(lái)預(yù)測(cè)電池的性能？
崔鵬：如果說(shuō)我們的唯一目標(biāo)就是要做一個(gè)預(yù)測(cè)。比如說(shuō)就是想預(yù)測(cè)電池到底哪個(gè)部分是壞的，哪是好的，或者是說(shuō)它的性能到底是能夠達(dá)到多少。
在訓(xùn)練數(shù)據(jù)量足夠的情況下，比如提取一千萬(wàn)條譜線再選擇六個(gè)參數(shù)（噪音水平、峰位、峰高等），再加上比較好的一些機(jī)器學(xué)習(xí)的算法。我相信會(huì)比現(xiàn)在的這六個(gè)參數(shù)的性能要好。
但如果還要知道為什么，machine learning就沒(méi)有辦法去告訴他到底為什么會(huì)這樣。在百萬(wàn)量級(jí)的參數(shù)空間里我們沒(méi)有辦法很好的去解釋這個(gè)模型。
但通過(guò)大規(guī)模數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)，我們能發(fā)現(xiàn)一些原來(lái)經(jīng)典學(xué)科推理不出來(lái)的一些動(dòng)力學(xué)的定律。那這個(gè)方向和電池這種交叉性的研究可能會(huì)貼得更近一些。
在這種情境下我們要能夠從大規(guī)模數(shù)據(jù)里面去發(fā)現(xiàn)一些新的定律出來(lái)。這就要依賴于一些新的一些模式或定律的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而能夠促進(jìn)電池性能上有進(jìn)一步的提升。
楊遠(yuǎn)：電池電解液離子的分布以及鋰枝晶的生長(zhǎng)速度和表面的離子分布的相關(guān)性研究，有沒(méi)有簡(jiǎn)單的方法把電池?cái)?shù)據(jù)和圖像讀取進(jìn)去，然后利用deep learning 自動(dòng)地去找一些特征的feature？
崔鵬：原來(lái)我們處理圖像的方式是人為的定義一些特征，比如抽取譜線的角點(diǎn)，抽取這里面的SIFT或者Gabor、小波等特征。然后設(shè)計(jì)出來(lái)一個(gè)維度相對(duì)可控的特征集，就可以在一個(gè)合適的尺度范圍內(nèi)找到一個(gè)合理的解。
但deep learning如果不抽取任何特征，把千萬(wàn)條譜線全部輸入進(jìn)去，會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題就是空間維度非常高。
所以deep learning要成功必須要有兩個(gè)因素：第一個(gè)就是你的數(shù)據(jù)量要充分；第二個(gè)就是你的算力要足夠到能夠處理這么大規(guī)模的數(shù)據(jù)和這么高維的空間。
周華：如何開(kāi)發(fā)具有更高能量密度、更長(zhǎng)壽命，更便宜和安全的電池？
姚彥：首先提到高能量密度、長(zhǎng)壽命、更便宜、更安全，其實(shí)這幾個(gè)方面都很重要。但是現(xiàn)在還沒(méi)有任何一種電池同時(shí)滿足這四方面的要求，所以完全是根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合。
比如說(shuō)電動(dòng)汽車(chē)對(duì)高能量密度要求更高，對(duì)安全性要求更高。比如在大規(guī)模風(fēng)能或太陽(yáng)能的儲(chǔ)能方面對(duì)價(jià)格和安全性要求更高。
安全性其實(shí)不光是電極材料的問(wèn)題，還涉及到電解質(zhì)的問(wèn)題。所以現(xiàn)在全世界范圍內(nèi)都比較熱的全固態(tài)電池、水系電池都是新的研究方向。
現(xiàn)有的鋰離子電池的價(jià)格雖然大幅下降，但用到大規(guī)模儲(chǔ)能上還是有很大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在很多電極材料含有鈷和鎳，這些元素在地球上的產(chǎn)量是有限的而且受到地緣政治影響，價(jià)格波動(dòng)非常大。
所以在過(guò)去這幾年中，中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展非?？?。從2015年的15萬(wàn)輛到去年是70萬(wàn)輛，今年有可能更多，所以就要考慮到是不是有足夠的鋰、鎳或者鈷來(lái)支撐這么多電動(dòng)車(chē)的需求。
所以我們要開(kāi)發(fā)新的材料體系，比如說(shuō)用鈉或鎂，亦或是不用含鈷鎳的金屬，而是用地球上更豐富的元素來(lái)做新的電池。
但是，未來(lái)4-5年里，鋰離子電池在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域仍然會(huì)占據(jù)統(tǒng)治地位（95%以上的市場(chǎng)份額）。因?yàn)?，它仍然是能力密度最高的一種電池。
