10月19日，在“2021（第十六屆）動(dòng)力鋰電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展國(guó)際論壇”上，中國(guó)科學(xué)院院士張統(tǒng)一作題為《鋰電池中的化學(xué)應(yīng)變及鋰電池壽命的機(jī)器學(xué)習(xí) 》的演講。

我開(kāi)始講一下鋰電的應(yīng)變，應(yīng)變有兩類(lèi)，一個(gè)從熱力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，就是我們叫偏多分子技術(shù)；另外一個(gè)如果有相變，包括在電池里有價(jià)態(tài)的轉(zhuǎn)變，價(jià)的轉(zhuǎn)變，實(shí)際上它的體積相互會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)變化定義在5微米的情況下，實(shí)際上是和應(yīng)力沒(méi)關(guān)的。不要一想到應(yīng)變，就和應(yīng)力聯(lián)系到一塊，我這里要給大家講的是和應(yīng)力無(wú)關(guān)的。只有有約束的時(shí)候才有應(yīng)力。

在嵌鋰的過(guò)程中，由于有集流器的約束，這時(shí)候往往在活性層，會(huì)有壓力，而集流器受到張力。脫鋰的過(guò)程剛好相反。

這是哈工大的一位講師，在鋰電做的一些探究的情況。鋰電通過(guò)第一原理計(jì)算的，和發(fā)生相變的時(shí)候，真正實(shí)驗(yàn)的時(shí)候?qū)嶋H上有一些方向的區(qū)別，在一些情況下，它的體積會(huì)發(fā)生變形。

我們都知道電池比容量和應(yīng)變有很大的關(guān)系，而且應(yīng)變是約束材料應(yīng)用的最大的問(wèn)題。這里以硅作為例子，大家都知道硅的變形是非常之大的，所以約束它在鋰電池中的應(yīng)用。

有一個(gè)有趣的現(xiàn)象，我們?cè)趯W(xué)熱力學(xué)的時(shí)候是沒(méi)有尺度的，現(xiàn)在做電極的正極材料也好，負(fù)極材料也好， 都把粒子越做越小，到了納米粒子的時(shí)候，這個(gè)材料就發(fā)生屬于他的熱力學(xué)現(xiàn)象，變成了一個(gè)和尺度有關(guān)的。

MIT曾做過(guò)一個(gè)工作，根據(jù)圖示，中間我們稱為兩相區(qū)，如果顆粒越來(lái)越小，兩相區(qū)就會(huì)變窄。所以我們的熱力學(xué)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是和尺度有關(guān)的，但我們?cè)趯W(xué)校里給學(xué)生講課的時(shí)候是說(shuō)和尺度無(wú)關(guān)的。

Nature Materials曾刊發(fā)過(guò)一篇題為《Electrochemical stiffness in lithium-ion batteries》的文章。我們常用鋰電測(cè)量力學(xué)變形有兩種模式。

這篇文章里通過(guò)協(xié)調(diào)原位應(yīng)力和應(yīng)變測(cè)量計(jì)算電化學(xué)剛度來(lái)探測(cè)電極的化學(xué)機(jī)械響應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于在循環(huán)過(guò)程中形成了不同的石墨-鋰夾層化合物，電化學(xué)剛度發(fā)生了巨大的變化。其分析顯示，應(yīng)力與鋰化/脫鋰速率成比例，應(yīng)變與容量成比例（與速率成反比）。

我們也在做類(lèi)似研究，匯報(bào)一下我們的測(cè)量結(jié)果，我們用散斑法來(lái)測(cè)量它的應(yīng)變。散斑法從力學(xué)角度來(lái)說(shuō)是非常成熟的一個(gè)技術(shù)。

我們用的石墨，對(duì)電極是純鋰，石墨如果作為紐扣電池來(lái)看，它的性能挺好。如果不是紐扣電池，如果是可以在電解液里自由伸縮，這時(shí)候性能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如在紐扣電池里的性能，特別是壽命會(huì)極大變短。其實(shí)我們充不了多少圈石墨電極就會(huì)壞掉，當(dāng)然我們說(shuō)是石墨的，但并不是純石墨的，有粘接劑等等。

我們說(shuō)應(yīng)變，實(shí)際上通過(guò)我們散斑法測(cè)的應(yīng)變是一個(gè)平面的應(yīng)變，平面應(yīng)變有沿著X軸方向的，也有沿著Y軸方向的。理論上應(yīng)該是個(gè)均勻應(yīng)變，但是由于試驗(yàn)樣品，造的不是太均勻化，所以我們這里只是說(shuō)這個(gè)加鋰/嵌鋰和脫鋰的過(guò)程基本保持一致。但是不代表以下報(bào)告。往往以這個(gè)來(lái)代表，

嵌鋰按照0.2C的速率，到了一定表觀的溫度就停下來(lái)，反向就是脫鋰的過(guò)程，在20℃比較大， 40℃、60℃應(yīng)變就比較更低一點(diǎn)。應(yīng)變和鑲嵌進(jìn)去多少鋰是直接正相關(guān)的。如果我們把應(yīng)變和電壓進(jìn)行描述，因?yàn)橛玫乃俾时容^小，所以看不出來(lái)太大的變化。微分后，嵌鋰和電壓的微分有類(lèi)似形態(tài)。

電磁充放電實(shí)際靠電壓控制，電壓控制下，應(yīng)變有很大變化。特別是在20 40 60不同溫度，和電壓有相應(yīng)關(guān)聯(lián)。

充放電過(guò)程中，嵌鋰/放鋰，每次過(guò)程會(huì)有殘留，隨著溫度越來(lái)越高，殘留越多，應(yīng)變也大。而且這邊（圖示）表明它有非常強(qiáng)的永久變形，殘留的應(yīng)變很大。

簡(jiǎn)單的假設(shè)，在非活性材料，根據(jù)文獻(xiàn)分析出SEI里，鋰在里面有一個(gè)偏多分子體積，宏觀來(lái)看，隨著溫度升高，偏多分子體積下降。就像房子很大，隨著溫度升高膨脹很快，而里面的人，膨脹的慢。

特別是在高溫的時(shí)候，電解液有變化。我們把他歸結(jié)為SEI，也可能揮發(fā)了。查文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)SEI膜確實(shí)扮演了重要的角色。

電池存放在高溫環(huán)境里，對(duì)鋰電解液是沒(méi)什么好處的。低溫有低溫的問(wèn)題，高溫有高溫的問(wèn)題。

從力學(xué)角度來(lái)看，力學(xué)損傷雖然不是電池退化的唯一因素，但是關(guān)鍵因素，典型案例是活性層-集流體界面分層。

這里我們得到一個(gè)主要結(jié)論：力學(xué)是最主要的模型之一，但不是唯一的。

材料信息學(xué)采用了從數(shù)據(jù)科學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程以及數(shù)字技術(shù)等新興領(lǐng)域汲取的技術(shù)、工具和理論，以加速材料、產(chǎn)品和制造創(chuàng)新。材料信息學(xué)可以應(yīng)用在電池研究里。

從哲學(xué)的角度，專家范式，處理數(shù)據(jù)，我們實(shí)際上是要得到知識(shí)，現(xiàn)在我們講的是機(jī)器學(xué)習(xí)的模型，這個(gè)知識(shí)可以用來(lái)：

了解事情發(fā)生的原因（解釋）;

預(yù)測(cè)會(huì)發(fā)生什么（預(yù)測(cè)）;

管理正在發(fā)生的事情（控制）;例如無(wú)人駕駛汽車(chē)，將來(lái)還有無(wú)人駕駛飛機(jī)。

學(xué)習(xí)最早是由我們?nèi)祟?lèi)自己，特別是天才，現(xiàn)在我主張是要和機(jī)器一起來(lái)完成。牛頓力學(xué)不是推導(dǎo)出來(lái)的，實(shí)際上總結(jié)了前人的信息。

自然科學(xué)的發(fā)展是連續(xù)的過(guò)程，是人類(lèi)觀察自然行為，建立學(xué)習(xí)模型，然后獲得知識(shí)。

這是MIT一個(gè)課題組，2020年發(fā)表在Nature的一篇文章，我需要電池在10分鐘充滿，怎么充電？有很多充電模式，哪個(gè)充電模式讓電池壽命最長(zhǎng)。這是基于原來(lái)電池壽命的研究。

實(shí)際上，我們跨界的認(rèn)為這就是疲勞，只是應(yīng)變不是由力學(xué)原因，而是由于化學(xué)原因，充放電循環(huán)造成電池的疲勞損傷。

這樣我們知道如何充電快、壽命高、容量大，壽命如何預(yù)測(cè)？

同樣的還是MIT這一組，在Nature Energy寫(xiě)了一篇文章，用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)來(lái)預(yù)測(cè)電池壽命。他用的商業(yè)電池，用的18650電池，充放電100次。分了三批材料，實(shí)際上數(shù)據(jù)很少，124份，充電模式72種。我們現(xiàn)在自己也在做相關(guān)工作，找了一些新的feature。我們和他們的結(jié)果基本差不多，不同的feature都可以描述壽命。同樣的壽命，可以用不同的feature，是不是最佳的還不一定，數(shù)據(jù)太少。

我要強(qiáng)調(diào)的有這么幾個(gè)事兒

1.變形在電池的性能和使用壽命上扮演著非常重要的角色。

2.足夠可靠的數(shù)據(jù)是預(yù)測(cè)電池壽命的必要和基本條件。實(shí)際上，包括汽車(chē)的疲勞、飛機(jī)的疲勞等等，大家最重視的還是實(shí)驗(yàn)。

3.將專家學(xué)習(xí)與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，必將加速電池的研發(fā)。

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10月19-20日，由清華大學(xué)、北京大學(xué)主辦，深圳市光明區(qū)人民政府指導(dǎo)，深圳市電池行業(yè)協(xié)會(huì)、貝特瑞新材料集團(tuán)股份有限公司承辦的“2021（第十六屆）動(dòng)力鋰電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展國(guó)際論壇”在深圳成功舉辦。本次論壇大咖云集，陳立泉院士、吳鋒院士、張統(tǒng)一院士、鄭綿平院士、孫世剛院士、孫學(xué)良院士、陳忠偉院士領(lǐng)銜，來(lái)自高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的業(yè)界代表近五百余人參會(huì)，圍繞 “面對(duì)新形勢(shì)下的鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展”的主題，共同探討新形勢(shì)下鋰電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展。