蓋世汽車訊 可充電電池的發明偉大且神奇，但電池都會老化，因此在進行電池更換或回收時會產生高昂費用。為解決該問題，斯坦福大學（Stanford University）材料科學與工程系的副教授William Chueh發明出一種首創的分析方法，可生產出性能更好的電池，從而助力生產出理想的“堅不可摧”的電池。

（圖片來源：Ella Maru Studio）

Chueh、研究論文主要作者Haitao“Dean”Deng博士以及勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）、麻省理工學院（MIT）和其他研究機構的合作者使用人工智能分析新型原子級顯微圖像，以準確了解電池磨損的原因。研究人員稱，發現這些原因可能會大大延長電池壽命。具體來說，他們研究出一種基于LFP材料的特定類型的鋰離子電池。該電池不使用供應鏈受限的化學品，因此會加快電動汽車進入大眾市場的步伐。

納米裂縫

Chueh解釋說：“想象電池是一個陶瓷咖啡杯，在加熱或冷卻時會出現熱脹冷縮現象，從而導致陶瓷出現缺陷。每次充電時，可充電電池中的材料都會發生同樣的過程，然后用完電，引起故障。”

Chueh指出，溫度不是導致電池產生裂縫的原因，而是材料在每個充電循環中彼此間的機械應變。

Chueh表示：“不幸的是，我們對原子結合的納米級上發生的變化知之甚少。但憑借全新高分辨率顯微鏡技術，我們能夠看到變化，而人工智能幫助我們了解變化。這是我們第一次可以在單納米級上可視化和測量這些力。”

Chueh還表示：“所有給定材料的性能都是其化學和原子級材料中物理相互作用的函數，我將其稱之為‘化學力學’。更重要的是，物體越小，構成材料的原子越多樣化，就越難預測材料的行為方式。”

變革性工具

使用AI進行圖像分析并不新鮮，但使用該技術來研究最小尺度的原子相互作用卻很少見。在醫學領域，人工智能已經成為一種變革性工具，可以分析從膝蓋缺陷到癌癥等各種疾病的圖像。同時，在材料科學中，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。

越來越多的電動汽車制造商和電池密集型企業采用LFP材料。在該項目中，研究團隊選擇采用常用于正極的材料LFP和磷酸鐵鋰。該電極不含鈷和鎳，而這兩種材料多用于市售電池。LFP電池也非常安全，盡管它們每磅所含電量更少。

盡管LFP已經研究了20年，但迄今為止只能了解到兩個關鍵的突出技術問題。第一個問題是了解材料在充放電時的彈性和變形。第二個問題是材料如何在LFP部分穩定或“亞穩態”的特定機制中擴展和收縮。

通過使用圖像學習技術，Deng首次解釋了這兩個問題。他將其應用于由掃描透射電子顯微鏡產生的一系列二維圖像，以及先進的（光譜-疊層成像術）X射線圖像。Deng表示這些發現對電池的容量、能量保持和速率很重要。更重要的是，Deng認為這項技術可進行推廣至大多數晶體材料，或可制成良好的電極。

Deng表示：“人工智能可以幫助我們了解這些物理關系，而這些關系對于預測新電池性能、實際應用的可靠性以及隨時間退化至關重要。”

研究人員稱已利用該技術在原子水平上采用各種新電池設計。一種是新的電池控制軟件，可以延長電池壽命的方式管理充電和放電。另一種是開發更精確的計算模型，使電池工程師能夠在計算機上而不是在實驗室中探索替代電極材料。Chueh說：“人工智能可以幫助我們采用新方式看待就材料，從而有可能找到更好的替代材料。”

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