Миллиарды мельчайших частиц в электродах литий-ионных аккумуляторов отвечают за сохранение заряда и его использование при необходимости. Рентгеновские снимки этого процесса показывают, что частицы поглощают и выделяют ионы лития по мере зарядки и разрядки аккумулятора. Теперь исследователи использовали технику машинного обучения, называемую компьютерным зрением, чтобы копнуть глубже и проанализировать каждый пиксель этих рентгеновских снимков, раскрывая ранее невидимые физические и химические детали цикла работы батареи, что является важным шагом вперед.
Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США, Стэнфордского университета, Массачусетского технологического института и Исследовательского института Toyota сообщают 13 сентября в журнале Nature, что новый подход предлагает способ позволить миллиардам наночастиц в электроде литий-ионной батареи более эффективно хранить и высвобождать заряд.
«Теперь возможно создавать красивые рентгеновские снимки аккумуляторных наночастиц в действии, но эти фильмы настолько информативны, что понимание тонких деталей функционирования частиц является настоящей проблемой», — сказал Уильям Чу, доцент Стэнфордского университета, научный сотрудник отдела SLAC и директор Стэнфордского батарейного центра SLAC, который руководил исследованием вместе с профессором Массачусетского технологического института Мартином Базантом.
«Теперь мы можем получить информацию, которая была невозможна раньше», — сказал Чуэ. Наши отраслевые партнеры нуждаются в этой важной научно обоснованной информации, чтобы быстрее разрабатывать более качественные аккумуляторы. "
В более широком смысле, по словам исследователей, этот метод обнаружения физики, лежащей в основе сложных закономерностей на изображениях, может даже обеспечить беспрецедентное понимание других типов химических и биологических систем, таких как деление клеток в развивающихся эмбрионах.
Прозрачная батарея раскрывает секреты
Частицы аккумуляторной батареи, изученные исследовательской группой, состоят из фосфата лития-железа или LFP. Миллиарды их упакованы в положительные электроды многих литий-ионных батарей, каждый из которых покрыт тонким слоем углерода для улучшения проводимости электрода.
Чтобы увидеть, что происходит внутри батареи во время ее работы, команда Чуэ создала крошечные прозрачные ячейки, в которых два электрода окружены раствором электролита, наполненным свободно движущимися ионами лития.
Когда аккумулятор разряжается, ионы лития попадают в положительный электрод литий-ионного аккумулятора и задерживаются в его наночастицах, как автомобиль на переполненной парковке. Эта реакция известна как интеркаляция. Когда аккумулятор заряжается, ионы лития снова выходят наружу, достигая противоположного отрицательного электрода.
Команда исследователей из SLAC, Стэнфордского университета, Массачусетского технологического института и Исследовательского института Toyota использовала методы машинного обучения для повторного анализа рентгеновских фильмов, подобных этому, попиксельно, открывая новые физические и химические детали цикла работы батареи. Эта анимация основана на рентгеновских изображениях, полученных командой в 2016 году. Она показывает, как некоторые из миллиардов наночастиц в электроде литий-ионной батареи заряжаются (от красного к зеленому) и разряжаются (от зеленого к красному) при втекании и выходе ионов лития, а также показывает, насколько неравномерно происходит этот процесс внутри отдельных частиц. Источник: Национальная ускорительная лаборатория SLAC.
Брайан Стори, старший директор по энергетике и материалам Исследовательского института Toyota, сказал: «Литий-железо-фосфат является важным материалом для аккумуляторов из-за его низкой стоимости, хороших показателей безопасности и широкого использования элементов. Мы наблюдаем рост использования LFP на рынке электромобилей, поэтому время для этого исследования не может быть лучшим».
История сотрудничества и предыдущие работы
Чуэ и Базант начали сотрудничество в исследовании аккумуляторов восемь лет назад. Базант провел обширное математическое моделирование структур, образуемых ионами лития, когда они входят и выходят из частиц LFP. Чуэ использовал современный рентгеновский микроскоп в усовершенствованном источнике света Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, чтобы снимать наноразмерные снимки работающих частиц батареи с деталями размером всего в одну миллиардную метра.
В 2016 году их исследовательская группа опубликовала революционные наноразмерные фильмы, показывающие, как ионы лития входят и выходят из отдельных наночастиц LFP.
Затем, при финансовой поддержке Исследовательского института Toyota, команда начала использовать инструменты машинного обучения, разработанные в Массачусетском технологическом институте, чтобы значительно ускорить процесс тестирования аккумуляторов и перебрать множество возможных методов зарядки, чтобы найти наиболее эффективный. Они также объединили традиционное машинное обучение, которое ищет закономерности в данных, со знаниями, полученными в результате экспериментов и уравнениями, основанными на физике, чтобы обнаружить и объяснить процессы, которые сокращают срок службы литий-ионных батарей с быстрой зарядкой.
Попиксельный анализ
В своем последнем исследовании Чу и Базант использовали компьютерное зрение, область машинного обучения, для получения более подробной информации из 62 наноразмерных рентгеновских снимков, снятых ими в 2016 году, о зарядке или разрядке частиц литий-ионных аккумуляторов. Каждое неподвижное изображение в этих фильмах содержит около 490 пикселей — наименьшую единицу информации, которую можно получить из изображения, будь то детектор, снятый с помощью рентгеновских лучей, или видимый свет, снятый камерой смартфона. Это дает им примерно 180 000 пикселей информации.
Команда использовала эти 180 000 пикселей для обучения своей вычислительной модели созданию уравнений, которые точно описывают, как протекает реакция внедрения лития. Они обнаружили, что движение ионов внутри частиц LFP очень хорошо соответствует предсказаниям компьютерного моделирования Базанта.
«Каждый маленький пиксель внутри прыгает от полного к пустому, от полного к пустому», — сказал Базант. «Мы составляем карту всего процесса, используя наши уравнения, чтобы понять, как это происходит».
«Новая технология выявила некоторые ранее невиданные явления, в том числе изменения в скорости реакций внедрения лития в различных областях одной наночастицы LFP», — сказал Базант. «Некоторые регионы реагируют очень быстро, а другие очень медленно».
Наиболее важным практическим выводом статьи является то, что изменения толщины углеродного покрытия частиц LFP напрямую контролируют скорость входа и выхода ионов лития, что может привести к более эффективной зарядке и разрядке.
В результате этого исследования ученые узнали, что процесс работы батареи контролируется границей раздела между жидким электролитом и твердым материалом электрода, где реакции интеркаляции и изменения толщины гранулированного углеродного покрытия взаимодействуют сложным образом. Это означает, что следующим шагом действительно должна быть разработка интерфейса.
Стори из исследовательского института Toyota добавил: «Публикация этой статьи является кульминацией шести лет напряженной работы и сотрудничества. Эта технология позволяет нам раскрыть внутреннюю работу батареи так, как никогда раньше не делалось. Наша следующая цель — улучшить конструкцию батареи, применяя это новое понимание».