问答：优化锂离子电池以实现极速充电

爱达荷国家实验室的 Tanvir Tanim 博士和他的团队设计的锂离子电池可以在路边充电站充电 10 到 15 分钟。他们开发了一种机器学习算法，可以检测在这些条件下可能发生的不良锂镀层。

技术简介： 项目是如何开始的？

博士。坦维尔·塔尼姆： 我们参与了 2017 年由能源部汽车技术办公室赞助的极速充电计划。目标是在锂离子电池中实现极速充电（XFC）——充电 10 到 15 分钟左右——基本上让电动汽车的充电体验媲美汽油车的加油体验。这是电动汽车消费者的主要考虑因素之一。

对于那个项目，我们以极快的充电速率测试了很多锂离子电池。当您以高速率为这些电池充电时，您会遇到许多问题——锂电镀是主要问题之一。电池含有有限量的锂，因此您不希望它在充电和放电过程中丢失，您希望它从阳极到阴极来回循环。然而，在快速充电过程中，可循环锂可以镀到阳极表面，这是一种不希望的寄生反应——镀上的锂无法回收——在放电过程中它无法返回到阴极。

电镀还有其他问题。如果您不及早发现它，它将继续发生并可能导致灾难性事件。例如，镀层的锂可能呈树枝状，从阳极像针一样生长，并可能刺穿隔膜，造成内部短路。

因此，我们测试了很多锂离子电池，进行了设计修改，然后重新测试以查看是否发生了锂电镀。然而，当时我们并没有很好的方法来检测镀层。测试后，我们将撕开电池以查看是否有电镀，或者我们将进行额外的后测试。我们真的没有任何基于固体电化学特征的镀锂检测方法，但我们学到了很多东西。

然后我们参与了一个不同的项目，称为基于物理的机器学习，也是由 DOE 资助的。该计划的目标是开发基于人工智能/机器学习的算法，以获得可靠的电池寿命预测，同时确定退化的根本原因。到那时，我们已经收集了大量数据，并对不同的降解模式和机制有了全面的了解。我们想，既然我们拥有所有这些数据，并且我们知道与锂电镀相关的电化学特征，我们为什么不将其转化为机器学习问题。我们可以使用电化学特征，将机器学习引入其中，看看这是否可以帮助我们提出检测锂镀层的策略。

一件事导致另一件事，我们得出的结论是，这可能是一种非常好的早期检测锂镀层的方法，而无需撕开电池。打开电池并进行后测需要时间，成本高昂，并且会延迟电池生命周期的开发。

技术简介： 那么，您的方法是检测某些电化学特征？

塔尼姆： 到那时，我们已经掌握了大量的电化学数据，并且对其背后的物理学有了很好的理解。我们确定了可能与锂电镀相关的关键电化学特征。然后我们用这些数据运行，将机器学习带入其中，并解决了我们当时制定的问题。

技术简介： 您能告诉我您使用了哪些特定类型的数据吗？

塔尼姆： 我们主要关注电化学数据，因为您可以轻松收集它——事实上，在测试期间，我们总是寻找电化学特征来描述锂离子电池的寿命和性能问题。典型的特征是电压、电流、温度等。您可以将这些签名转换为不同的辅助变量。例如，我们研究了放电容量和容量衰减趋势、它们的线性或非线性。此外，充电终止电压、放电终止电压以及它们在循环过程中如何变化，以及库仑效率。

技术简介： 放电容量是什么意思？

塔尼姆： 如果你在使用电池，你就是在消耗它的能量，这就是我们所说的放电。容量的衡量标准之一是安培小时。

技术简介： 容量衰减怎么办？

塔尼姆： 一块新电池有一定的容量——比如说一安培小时。随着骑自行车，这种能力会降低。容量（或能量）衰减是减少的百分比。在正常情况下，下降趋势将是相当线性的，尤其是在初始周期中。但对于锂电镀，趋势是非常非线性的——开始时褪色率较高，后期褪色率较低。

锂电镀可以在不同的条件下发生。除了快速充电之外，如果您在低于零的温度下为电池充电，或者电池中存在与老化相关的不平衡问题，也会发生这种情况。对于所有这些电镀条件，签名可能并不同样敏感。因此，我们确定了最敏感的快速充电签名，然后使用它们来开发我们的机器学习算法。

技术简介 ： 您使用的签名是什么？

塔尼姆： 我们发现，对快速充电最敏感的特征是电池容量衰减的趋势（线性或非线性）、充电终止电压和库仑效率。

我们还发现其他人报告的两个显着特征 dQ/dV 和 dV/dt 在快速充电条件下不是很敏感，除非有非常激进的电镀情况。

技术简介： 你能解释一下库仑效率吗？

塔尼姆： 库仑效率是放电容量除以充电容量的百分比。

技术简介： 您如何衡量容量衰减？

塔尼姆： 你必须做一些测试。在实验室规模上，当我们循环电池时，我们可以选择特定的循环来测量其充电或放电容量。从电流和时间，我们可以计算以安培小时为单位的容量。现在，如果您在电池退化时重复相同的过程，您可以找到老化状态下的容量，并从中计算衰减百分比（相对于新状态的容量衰减）。

技术简介： 您是否尝试过不同的充电协议？

塔尼姆： 为避免镀锂，您可以通过不同方式修改电池设计：您可以更改材料、您可以更改电极设计或电池设计的其他几个方面，例如电解质。

您还可以更改操作条件或充电配置文件。例如，您可以尝试不同的充电协议并将它们与基线进行比较。例如，您可以尝试多步或其他充电协议，而不是恒定电流/恒定电压。而且你还可以改变温度。

无论任何设计更改或充电协议如何，我们的锂镀层检测方法都将适用。

技术简介： 您如何看待这一点？

塔尼姆： 这种方法在两种情况下会做出有价值的贡献。第一个是供研究科学家在实验室使用。这种方法将更快地告诉我们在给定的操作条件下是否发生了锂电镀——我们不必撕开电池或进行任何其他测试后分析。仅电化学特征就可以告诉我们是否在这种特殊的设计和操作条件下发生了锂电镀。这可以在 10 到 25 个周期内完成。它让我们知道是否必须修改电池的设计——我们希望尽快确定这一点。然后我们可以返回，重复设计，重新进行测试，看看我们是否朝着正确的方向前进。

电化学签名，经过一些修改和进一步验证，也可以在电动汽车上的电池管理系统以及使用锂离子电池的固定应用中实现。原始设备制造商或电池制造商已经收集了大部分这些签名。使用它们作为基准，我们可以（也许不是在生命周期的早期，也许是几年后）提醒用户，尽管电池在其生命之初还不错，但有些东西已经发生了变化，锂电镀已经开始发生。 “既然现在有锂电镀，这是一个预警，你应该对电池做点什么。”

技术简介： 您能否大胆猜测一下这可能在多长时间内商业化？

塔尼姆： 我们对此有一项临时专利，我们正在努力尽快提交完整的专利。我们也在寻找进一步发展它的合作机会，我们看到私营公司对此很感兴趣。此外，DOE 有一个技术商业化基金，我们可以与其他私营企业合作，进一步改进它并为车载应用进行演示，但我不想给你任何特别的猜测。

本次采访的编辑版本出现在 2021 年 12 月的《技术简报》中。