可充电锂离子电池电极中的数十亿个微小颗粒负责储存电荷，并在需要时将其用于工作。这一过程的 X 射线电影显示，当电池充电和放电时，颗粒会吸收和释放锂离子。现在，研究人员利用一种被称为"计算机视觉"的机器学习技术进行了更深入的挖掘，分析了这些X射线电影的每一个像素，发现了以前无法看到的电池循环的物理和化学细节，这是向前迈出的重要一步。
来自 SLAC、斯坦福大学、麻省理工学院和丰田研究所的研究小组利用机器学习重新分析了电池循环过程中锂离子进出电池电极纳米粒子（左）的 X 射线图像。图像中的假色显示了每个粒子的电荷状态，并揭示了单个粒子内部的变化过程是多么不均匀。图片来源：Cube3D
9月13日，来自美国能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学、麻省理工学院和丰田研究所的研究人员在《自然》杂志上报告说，这种新方法已经提出了一种方法，可以使一种锂离子电池电极中的数十亿纳米粒子更有效地储存和释放电荷。
斯坦福大学副教授、SLAC 院系科学家兼 SLAC-斯坦福电池中心主任 William Chueh 说："现在能制作出电池纳米粒子工作时的精美 X 射线影片，但这些影片信息量太大，要了解粒子如何发挥作用的微妙细节确实是个挑战，"他与麻省理工学院教授 Martin Bazant 共同领导了这项研究。
"Chueh说："现在我们可以获得以前不可能获得的见解。我们的行业合作伙伴需要这种以科学为基础的基本信息，以便更快地开发出更好的电池。"
研究人员说，从更广泛的意义上讲，这种发现图像中复杂图案背后的物理学原理的方法甚至可以为其他类型的化学和生物系统（如发育中胚胎的细胞分裂）提供前所未有的洞察力。
透视电池泄露秘密
研究小组所研究的电池微粒由磷酸铁锂或 LFP 制成。它们以数十亿计地装入许多锂离子电池的正极，每个正极都涂有一层薄薄的碳，以提高电极的导电性。
为了观察电池工作时内部发生的情况，Chueh 的团队制造了微型透明电池，其中两个电极被充满自由移动锂离子的电解质溶液包围。
当电池放电时，锂离子流入正极的锂离子电池电极，并像拥挤的停车场中的汽车一样停在其纳米颗粒中，这种反应被称为插层。当电池充电时，锂离子会再次流出，到达相反的负极。
来自 SLAC、斯坦福大学、麻省理工学院和丰田研究所的研究小组利用机器学习技术，逐像素重新分析了像这样的 X 射线影片，发现了电池循环的新物理和化学细节。这段动画基于该团队在 2016 年制作的 X 射线图像。它展示了锂离子电池电极中数十亿个纳米粒子中的一些粒子在锂离子流入和流出时的充电（红到绿）和放电（绿到红）过程，并揭示了单个粒子内部的过程是多么不均匀。资料来源：SLAC 国家加速器实验室
丰田研究所能源与材料高级主管布莱恩-斯托里（Brian Storey）说："磷酸铁锂是一种重要的电池材料，因为它成本低、安全性能好，而且使用丰富的元素。我们看到 LFP 在电动汽车市场的应用越来越广泛，因此这项研究的时机再好不过了。"
合作历史和先前的工作
Chueh 和 Bazant 八年前开始合作进行电池研究。Bazant 已经对锂离子进出 LFP 粒子时形成的图案进行了大量的数学建模。Chueh 一直在使用劳伦斯伯克利国家实验室先进光源的先进 X 射线显微镜，拍摄电池颗粒工作时的纳米级电影，细节可小至十亿分之一米。
2016 年，他们的研究团队发表了突破性的纳米级影片，展示了锂离子如何进出单个 LFP 纳米粒子。
随后，在丰田研究院的资助下，该团队开始使用麻省理工学院开发的机器学习工具，大大加快了电池测试和筛选众多可能的充电方法以找到最有效方法的过程。他们还将在数据中寻找模式的传统机器学习与从实验中获得的知识和物理学指导下的方程式相结合，发现并解释了缩短快速充电锂离子电池寿命的过程。
逐像素分析
在这项最新研究中，Chueh 和 Bazant 使用了机器学习的一个子领域--计算机视觉，从他们在 2016 年拍摄的 62 张关于锂离子电池颗粒充电或放电的纳米级 X 射线影片中挖掘出了更多详细信息。这些影片中的每张静止图像都包含大约490个像素--这是可以从图像中获取的最小信息单位，无论是用X射线照射探测器还是用可见光照射智能手机摄像头拍摄的图像。这就为他们提供了大约 180000 个像素的信息。
研究小组利用这 18 万个像素来训练他们的计算模型，以生成能准确描述锂插入反应如何进行的方程。他们发现，离子在 LFP 粒子内的运动与 Bazant 的计算机模拟预测非常吻合。
Bazant说："里面的每个小像素都在从满到空，从满到空地跳跃。我们正在绘制整个过程的地图，用我们的方程来理解这是如何发生的。"
"新技术揭示了一些以前无法看到的现象，包括单个 LFP 纳米粒子不同区域锂插入反应速率的变化。"巴赞特说，"有些区域的反应速度似乎很快，有些则很慢"。
论文最重要的实际发现是，LFP 粒子碳涂层厚度的变化直接控制着锂离子的进出速度，这可能会带来更高效的充电和放电。
科学家们从这项研究中了解到，控制电池过程的是液态电解质和固态电极材料之间的界面--插层反应和颗粒碳涂层厚度的变化在这里以复杂的方式相互作用。这意味着，下一步的重点应该真正放在该界面的工程设计上。
丰田研究所的 Storey 补充说："这篇论文的发表是我们六年努力与合作的结晶。这项技术让我们以一种前所未有的方式揭开了电池的内部构造。我们的下一个目标是通过应用这一新的认识来改进电池设计。"