斯坦福大學(xué)研究人工智能開發(fā)固體鋰電池，結(jié)果還不錯(cuò)!

鋰電池爆炸，不僅影響消費(fèi)者的安全，也讓“問題廠家”遭遇滑鐵盧。所以，確保鋰電池安全，已成為業(yè)界的當(dāng)務(wù)之急。固體鋰電池，在安全性能方面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過液體鋰電池。但是，從眾多候選材料中，選擇最佳的固定鋰電池材料成為了一個(gè)巨大科研挑戰(zhàn)。然而，斯坦福大學(xué)研究人員人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)方法應(yīng)對這一問題并取得顯著成果。

從傳統(tǒng)液體鋰電池的安全事故說起

目前，對于鋰電池安全事故的報(bào)道，關(guān)注度最大的莫過于三星 galaxy note7 的爆炸事件了。我們先來看看兩張觸目驚心的圖片：

網(wǎng)友展示的三星note 7 充電時(shí)發(fā)生爆炸的圖片(圖片來源于網(wǎng)絡(luò))

美國?？怂闺娨暸_報(bào)道，佛羅里達(dá)的一名男子將Note7放在車內(nèi)充電，結(jié)果手機(jī)發(fā)生爆炸，將整個(gè)吉普車也徹底燒毀。(圖片來源于?？怂闺娨暸_)

對于Note 7爆炸的原因，可謂眾說紛紜，小編認(rèn)為最靠譜的說法來源于第三方調(diào)查機(jī)構(gòu)Instrumental，他們認(rèn)為太過激進(jìn)的外觀和電池的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致了電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，正負(fù)極很容易積壓在一起，引起短路，而且隔膜太薄很容易擊穿。除此之外，也有其他種種說法和猜測，但可以確定的是爆炸肯定和液體電解質(zhì)鋰電池燃燒相關(guān)。

然而，鋰電池的事故僅僅會發(fā)生在三星一個(gè)廠家嗎?肯定不是。關(guān)于鋰電池的引起的爆炸事故，案例已經(jīng)太多，比如生產(chǎn)鋰電池的工廠的起火和爆炸，另外還有特斯拉電動(dòng)車自燃、小米移動(dòng)電源爆炸等等。

傳統(tǒng)鋰電池為什么容易爆炸呢?

對于這個(gè)問題，John在之前的文章《傳統(tǒng)鋰電池安全事故頻發(fā) 新型固態(tài)電池安全性更佳》中有過闡述，這里再簡單介紹一下：

傳統(tǒng)的鋰離子電池中，正負(fù)極電極由固態(tài)導(dǎo)電的化合物組成，但是這些電極之間的電解質(zhì)卻是液體或者膠體的，電荷在其中移動(dòng)。如果，充電方式不正確(例如過量充電)或者放在陽光下暴曬，液體電解質(zhì)可能會被點(diǎn)燃，膠體則會發(fā)生膨脹。然而，傳統(tǒng)鋰電池的電解液為有機(jī)液體，在高溫下會發(fā)生副反應(yīng)，氧化分解，產(chǎn)生氣體，發(fā)生燃燒的傾向會加劇，所以容易引起爆炸。

固體電解質(zhì)材料耐高溫不易燃

正是由于傳統(tǒng)鋰電池的不安全因素，科學(xué)家們一直在為鋰電池尋找易燃的液體電解質(zhì)的替代品。我們之前文章介紹過在這方面的研究成果(來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院)，讓鋰電池的電極和電解質(zhì)都由固體制成，因?yàn)楣腆w電極在高溫或者暴露在空氣中的情況下，都不容易燃燒。

斯坦福大學(xué)的最新研究成果簡介

然而，如何尋找最適合的固態(tài)電解質(zhì)材料呢?目前，斯坦福大學(xué)的研究人員使用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的辦法，找到了約21個(gè)固體電解質(zhì)材料，有望未來取代易燃的液體電解質(zhì)，在智能手機(jī)、平板電腦以及其他電子設(shè)備中使用，它們的研究成果發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》雜志上。

論文的第一作者、研究的帶頭人、應(yīng)用物理方面的博士研究生 Austin Sendek 對于液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)，是這么評價(jià)的：

電解質(zhì)在電池的正負(fù)極往返地運(yùn)輸鋰離子。液體電解質(zhì)很廉價(jià)，能夠很好的導(dǎo)電性能，但是它們在電池過熱或者短路時(shí)容易著火。固體電解質(zhì)最大的有點(diǎn)就是穩(wěn)定性。相對于有機(jī)溶液，固體不容易發(fā)生爆炸和蒸發(fā)現(xiàn)象。它們也更加嚴(yán)格，讓電池的結(jié)構(gòu)更強(qiáng)大。

使用人工智能尋找固體電解質(zhì)材料

通過多年的實(shí)驗(yàn)嘗試，研究人員經(jīng)歷了不少失敗，但是現(xiàn)在他們找到了廉價(jià)的固體材料，在室溫下和液體電解質(zhì)有著同樣的性能。

尋找固體電解質(zhì)材料的過程中，團(tuán)隊(duì)并不是通過隨機(jī)測試個(gè)別化合物的方法，他們使用了人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)造預(yù)測模型。他們訓(xùn)練了一種計(jì)算機(jī)算法，基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，去學(xué)習(xí)如何辨認(rèn)化合物的好壞。這個(gè)過程和人臉識別算法，在觀察幾個(gè)范例后，去辨認(rèn)人臉的過程很類似。

對于使用人工智能的方法進(jìn)行材料篩選，Sendek 這么評價(jià)道：

“現(xiàn)有的含有鋰元素的化合物數(shù)量是數(shù)以萬計(jì)的，絕大多數(shù)是未經(jīng)測試的。其中的一些可能是性能優(yōu)異的導(dǎo)體。我們開發(fā)了一個(gè)計(jì)算模型，對于我們現(xiàn)有的有限數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，從大規(guī)模的數(shù)據(jù)庫中，篩選出合適的材料。這種篩選方法的速度是現(xiàn)有篩選方法的百萬倍。”

為了設(shè)計(jì)這個(gè)模型，Sendek 花費(fèi)了差不多兩年時(shí)間，搜集關(guān)于含有鋰元素的固體化合物的所有科學(xué)數(shù)據(jù)。對于Austin Sendek 的工作， 這項(xiàng)論文的高級作者，材料科學(xué)和工程專業(yè)的助理教授 Evan Reed 如此評價(jià)：

Austin 搜集了關(guān)于這些材料的所有人類智慧，以及過去幾十年來的許多測量和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。他使用這些知識創(chuàng)建了一個(gè)模型，模型可以預(yù)測材料是否會是一個(gè)好的電解質(zhì)。這個(gè)方法可以篩選所有的候選材料，找出適合進(jìn)一步研究的最佳材料。

篩選標(biāo)準(zhǔn)的是什么?

模型使用了幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)去篩選理想的材料包括：穩(wěn)定性、成本、豐富度、鋰離子的導(dǎo)電性、在電池電路中為電子重新規(guī)劃線路的能力。科學(xué)家為了探索幾千種材料的物理和化學(xué)特性建立了“材料計(jì)劃”數(shù)據(jù)庫， 從這個(gè)數(shù)據(jù)庫中挑選候選材料。

Sendek 說：

“我們篩選了超過12，000種含有鋰元素的化合物，最終找到了21種作為固體電極的理想材料。篩選只需要花費(fèi)幾分鐘。我絕大多數(shù)的時(shí)間，實(shí)際上是用于搜集和管理所有的數(shù)據(jù)，開發(fā)對于預(yù)測模型信心度的度量機(jī)制。”

研究的意義和未來展望

研究人員未來計(jì)劃在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測試這21種材料，判斷它們是否是現(xiàn)實(shí)世界情況下的最佳選擇。