Вопросы и ответы:Оптимизация литий-ионных аккумуляторов для сверхбыстрой зарядки

Доктор Танвир Таним и его команда из Национальной лаборатории Айдахо разработали литий-ионные батареи, которые можно заряжать за 10–15 минут на придорожной зарядной станции. Они разработали алгоритм машинного обучения, который обнаруживает нежелательное литиевое покрытие, которое может произойти в этих условиях.

Технические обзоры: Как начался проект?

Доктор. Танвир Таним: Мы участвовали в программе экстремальной быстрой зарядки, которую спонсировал Департамент транспортных технологий Министерства энергетики в 2017 году. Цель состояла в том, чтобы обеспечить экстремально быструю зарядку (XFC) литий-ионных аккумуляторов — от 10 до 15 минут зарядки или около того — в основном сделать процесс подзарядки электромобиля сопоставимым с опытом заправки бензиновых автомобилей. Это одно из главных соображений потребителей электромобилей.

Для этой программы мы тестировали множество литий-ионных аккумуляторов с очень высокой скоростью зарядки. Когда вы заряжаете эти батареи с высокой скоростью, вы сталкиваетесь со многими проблемами — литиевое покрытие является одной из основных. Аккумуляторы содержат ограниченное количество лития, поэтому вы не хотите, чтобы он терялся во время зарядки и разрядки, вы хотите, чтобы он циклически перемещался от анода к катоду. Однако во время быстрой зарядки литий, пригодный для повторного использования, может напыляться на поверхность анода, что является нежелательной паразитной реакцией — нанесённый литий невозможно восстановить — во время разряда он не может вернуться на катод.

Есть и другие проблемы с покрытием. Если вы не обнаружите это на ранней стадии, это будет продолжаться и может привести к катастрофическим последствиям. Например, напыленный литий может принять дендритную форму и расти подобно игле из анода и может проколоть сепаратор, создав внутреннее короткое замыкание.

Итак, мы тестировали множество литий-ионных аккумуляторов, вносили изменения в конструкцию, а затем повторно тестировали, чтобы увидеть, происходит ли нанесение литиевого покрытия. Однако в то время у нас не было хорошего способа обнаружить покрытие. После тестирования мы вскрывали ячейку, чтобы увидеть, есть ли покрытие, или проводили дополнительное пост-тестирование. На самом деле у нас не было надежного метода обнаружения литиевого покрытия на основе электрохимических сигнатур, но мы многому научились.

Затем мы стали участвовать в другой программе, называемой машинным обучением на основе физики, которая также финансировалась Министерством энергетики США. Цель этой программы заключалась в разработке алгоритмов на основе искусственного интеллекта/машинного обучения для получения надежного прогноза срока службы батареи, а также выявления основных причин деградации. К тому времени мы собрали много данных и получили всестороннее представление о различных режимах и механизмах деградации. Мы подумали, что, поскольку у нас есть все эти данные и мы знаем электрохимические сигнатуры, связанные с литием, почему бы нам просто не сформулировать это в виде задачи машинного обучения. Мы могли бы использовать электрохимические сигнатуры, внедрить в них машинное обучение и посмотреть, поможет ли это разработать стратегию обнаружения литиевого покрытия.

Одно влекло за собой другое, и мы пришли к выводу, что это может быть очень хороший метод для раннего обнаружения литиевого покрытия без вскрытия элемента. Вскрытие элемента и проведение пост-тестирования требуют времени, затрат и задерживают разработку жизненного цикла батареи.

Технические обзоры: Итак, ваш метод заключался в обнаружении определенных электрохимических сигнатур?

Таним: К тому времени у нас было множество электрохимических данных, и мы хорошо понимали лежащую в их основе физику. Мы определили ключевые электрохимические признаки, которые могут быть связаны с литием. Затем мы обработали эти данные, внедрили в них машинное обучение и решили поставленную тогда задачу.

Технические обзоры: Не могли бы вы рассказать мне что-нибудь о том, какие именно данные вы использовали?

Таним: В первую очередь мы сосредоточились на электрохимических данных, потому что их можно легко собрать — на самом деле, во время тестирования мы всегда ищем электрохимические сигнатуры, чтобы описать проблемы со сроком службы и производительностью литий-ионных аккумуляторов. Типичными сигнатурами являются напряжение, ток, температура и т.д. Вы можете преобразовать эти подписи в различные вторичные переменные. Например, мы рассмотрели тренды разрядной емкости и угасания емкости, их линейность или нелинейность. Кроме того, напряжение покоя в конце заряда, напряжение в конце разряда и их изменение при циклировании, а также кулоновская эффективность.

Технические обзоры: Что означает разрядная емкость?

Таним: Если вы используете батарею, вы берете из нее энергию, это то, что мы называем разрядкой. Одной из мер емкости являются ампер-часы.

Технические обзоры: Как насчет потери емкости?

Таним: Новый аккумулятор имеет определенную емкость — скажем, один ампер-час. При езде на велосипеде эта способность будет уменьшаться. Затухание емкости (или энергии) представляет собой процент уменьшения. В нормальных случаях тенденция снижения будет довольно линейной, особенно в начальных циклах. Но с литием тенденция очень нелинейна — более высокая скорость выцветания в начале и меньшая позже.

Литиевое покрытие может происходить в различных условиях. В дополнение к быстрой зарядке это может произойти, если вы заряжаете аккумулятор при минусовой температуре или если в аккумуляторе есть проблемы с дисбалансом, связанные со старением. Сигнатуры могут быть неодинаково чувствительными для всех этих условий покрытия. Итак, мы определили наиболее важные сигнатуры для быстрой зарядки, а затем использовали их для разработки нашего алгоритма машинного обучения.

Технические обзоры <эм>: Какие подписи вы использовали?

Таним: Мы обнаружили, что наиболее чувствительными сигнатурами для быстрой зарядки были тенденции уменьшения емкости элемента, линейного или нелинейного, напряжения покоя в конце заряда и кулоновского КПД.

Мы также обнаружили, что две заметные сигнатуры, о которых сообщали другие, dQ/dV и dV/dt, не были очень чувствительными в условиях быстрой зарядки, если только не были очень агрессивные ситуации с покрытием.

Технические обзоры: Можете ли вы объяснить кулоновскую эффективность?

Таним: Кулоновский КПД – это процентное отношение емкости разряда к емкости заряда.

Технические обзоры: Как вы измеряете исчезновение емкости?

Таним: Вы должны сделать некоторые тесты. В лабораторных масштабах, когда мы циклируем аккумулятор, мы можем выбрать конкретный цикл для измерения его зарядной или разрядной емкости. По току и времени мы можем рассчитать емкость в ампер-часах. Теперь, если вы повторите тот же процесс по мере износа батареи, вы сможете найти емкость в изношенном состоянии и оттуда рассчитать процент угасания (снижение емкости по отношению к свежему состоянию).

Технические обзоры: Вы экспериментировали с различными протоколами зарядки?

Таним: Чтобы избежать литиевого покрытия, вы можете изменить конструкцию батареи различными способами:вы можете изменить материалы, вы можете изменить конструкцию электрода или некоторые другие аспекты конструкции батареи, такие как электролит.

Вы также можете изменить условия работы или профили зарядки. Например, вы можете попробовать разные протоколы зарядки и сравнить их с базовым уровнем. Например, вместо постоянного тока/постоянного напряжения вы можете попробовать многоступенчатый или другой протокол зарядки. И вы также можете изменить температуру.

Наш метод обнаружения литиевого покрытия будет применяться независимо от любых изменений конструкции или протоколов зарядки.

Технические обзоры: Как вы видите, как это реализуется?

Таним: Есть два сценария, в которых этот метод внесет ценный вклад. Первый предназначен для использования учеными-исследователями в лаборатории. Этот метод быстрее скажет нам, происходит ли в данных рабочих условиях литиевое покрытие или нет — нам не нужно вскрывать ячейку или проводить какой-либо другой анализ после испытаний. Только электрохимическая сигнатура скажет нам, происходит ли литиевое покрытие для этой конкретной конструкции и условий эксплуатации. Это можно сделать за 10-25 циклов. Это позволяет нам узнать, должны ли мы изменить конструкцию батарей — мы хотим определить это как можно скорее. Затем мы можем вернуться, повторить дизайн и повторить тест, чтобы увидеть, движемся ли мы в правильном направлении.

Электрохимические сигнатуры, с некоторой модификацией и дополнительной проверкой, также могут быть реализованы в системе управления батареями на борту электромобиля, а также в стационарных приложениях, где используются литий-ионные батареи. OEM-производители или производители аккумуляторов уже собирают большинство этих подписей. Используя их в качестве основы, мы можем, может быть, не в начале жизненного цикла, может быть, через несколько лет, предупредить пользователя о том, что, хотя батарея была в порядке в начале своей жизни, что-то изменилось, и литиевое покрытие начало приходить в негодность. случаться. «Поскольку теперь есть литиевое покрытие, это раннее предупреждение о том, что вы должны что-то сделать с батареей».

Технические обзоры: Не могли бы вы предположить, как скоро это может быть коммерциализировано?

Таним: У нас есть предварительный патент на это, и мы работаем над подачей полного патента в ближайшее время. Мы также ищем возможности сотрудничества для дальнейшего развития и видим большой интерес со стороны частных компаний. Кроме того, у Министерства энергетики есть фонд коммерциализации технологий, в рамках которого мы можем сотрудничать с другими частными предприятиями, улучшать их и демонстрировать для бортовых приложений, но я не хочу давать вам никаких конкретных предположений.

Отредактированная версия этого интервью была опубликована в выпуске Tech Briefs за декабрь 2021 г.