可充電鋰離子電池電極中的數十億個微小顆粒負責儲存電荷，並在需要時將其用於工作。這一過程的X 射線影片顯示，當電池充電和放電時，顆粒會吸收和釋放鋰離子。現在，研究人員利用一種被稱為”電腦視覺”的機器學習技術進行了更深入的挖掘，分析了這些X射線電影的每一個像素，發現了以前無法看到的電池循環的物理和化學細節，這是向前邁出的重要一步。

來自SLAC、史丹佛大學、麻省理工學院和豐田研究所的研究團隊利用機器學習重新分析了電池循環過程中鋰離子進出電池電極奈米粒子（左）的X 光影像。影像中的假色顯示了每個粒子的電荷狀態，並揭示了單個粒子內部的變化過程是多麼不均勻。圖片來源：Cube3D

9月13日，來自美國能源部SLAC國家加速器實驗室、史丹佛大學、麻省理工學院和豐田研究所的研究人員在《自然》雜誌上報告說，這種新方法已經提出了一種方法，可以使一種鋰離子電池電極中的數十億奈米粒子更有效地儲存和釋放電荷。

史丹佛大學副教授、SLAC 系科學家兼SLAC-史丹佛電池中心主任William Chueh 說：”現在能製作出電池奈米粒子工作時的精美X 射線影片，但這些影片資訊量太大，要了解粒子如何發揮作用的微妙細節確實是個挑戰，”他與麻省理工學院教授Martin Bazant 共同領導了這項研究。

“Chueh說：”現在我們可以獲得以前不可能獲得的洞見。我們的產業合作夥伴需要這種以科學為基礎的基本訊息，以便更快地開發出更好的電池。”

研究人員說，從更廣泛的意義上講，這種發現圖像中複雜圖案背後的物理學原理的方法甚至可以為其他類型的化學和生物系統（如發育中胚胎的細胞分裂）提供前所未有的洞察力。

透視電池洩漏秘密

研究團隊所研究的電池微粒由磷酸鐵鋰或LFP 製成。它們以數十億計地裝入許多鋰離子電池的正極，每個正極都塗有一層薄薄的碳，以提高電極的導電性。

為了觀察電池工作時內部發生的情況，Chueh 的團隊製造了微型透明電池，其中兩個電極被充滿自由移動鋰離子的電解質溶液包圍。

當電池放電時，鋰離子流入正極的鋰離子電池電極，並像擁擠的停車場中的汽車一樣停在其奈米顆粒中，稱為插層。當電池充電時，鋰離子會再次流出，到達相反的負極。

來自SLAC、史丹佛大學、麻省理工學院和豐田研究所的研究小組利用機器學習技術，逐像素重新分析了像這樣的X 光影片，發現了電池循環的新物理和化學細節。這段動畫是基於該團隊在2016 年製作的X 光影像。它展示了鋰離子電池電極中數十億個奈米粒子中的一些粒子在鋰離子流入和流出時的充電（紅到綠）和放電（綠到紅）過程，並揭示了單個粒子內部的過程是多麼不均勻。資料來源：SLAC 國家加速器實驗室

豐田研究所能源與材料高級主管布萊恩-斯托里（Brian Storey）說：”磷酸鐵鋰是一種重要的電池材料，因為它成本低、安全性能好，而且使用豐富的元素。我們看到LFP 在電動車市場的應用越來越廣泛，因此這項研究的時機再好不過了。”

合作歷史和先前的工作

Chueh 和Bazant 八年前開始合作進行電池研究。Bazant 已經對鋰離子進出LFP 粒子時形成的圖案進行了大量的數學建模。Chueh 一直在使用勞倫斯伯克利國家實驗室先進光源的先進X 射線顯微鏡，拍攝電池顆粒工作時的奈米級電影，細節可小至十億分之一米。

2016 年，他們的研究團隊發表了突破性的奈米級影片，展示了鋰離子如何進出單一LFP 奈米粒子。

隨後，在豐田研究院的資助下，團隊開始使用麻省理工學院開發的機器學習工具，大大加快了電池測試和篩選眾多可能的充電方法以找到最有效方法的過程。他們還將在數據中尋找模式的傳統機器學習與從實驗中獲得的知識和物理學指導下的方程式相結合，發現並解釋了縮短快速充電鋰離子電池壽命的過程。

逐像素分析

在這項最新研究中，Chueh 和Bazant 使用了機器學習的一個子領域–電腦視覺，從他們在2016 年拍攝的62 張關於鋰離子電池顆粒充電或放電的奈米級X 射線影片中挖掘出了更多詳細資訊。這些影片中的每張靜止影像都包含約490個像素–這是可以從影像中取得的最小資訊單位，無論是用X射線照射偵測器或是用可見光照射智慧型手機相機拍攝的影像。這就為他們提供了大約180000 個像素的資訊。

研究小組利用這18 萬個像素來訓練他們的計算模型，以產生能準確描述鋰插入反應如何進行的方程式。他們發現，離子在LFP 粒子內的運動與Bazant 的電腦模擬預測非常吻合。

Bazant說：”裡面的每個小像素都在從滿到空，從滿到空地跳躍。我們正在繪製整個過程的地圖，用我們的方程式來理解這是如何發生的。”

“新技術揭示了一些以前無法看到的現象，包括單個LFP 奈米粒子不同區域鋰插入反應速率的變化。”巴贊特說，”有些區域的反應速度似乎很快，有些則很慢”。

論文最重要的實際發現是，LFP 粒子碳塗層厚度的變化直接控制著鋰離子的進出速度，這可能會帶來更有效率的充電和放電。

科學家從這項研究中了解到，控制電池過程的是液態電解質和固態電極材料之間的界面–插層反應和顆粒碳塗層厚度的變化在這裡以複雜的方式相互作用。這意味著，下一步的重點應該真正放在該介面的工程設計上。

豐田研究所的Storey 補充說：「這篇論文的發表是我們六年努力與合作的結晶。這項技術讓我們以一種前所未有的方式揭開了電池的內部構造。我們的下一個目標是透過應用這一新的認識來改進電池設計。”