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麻省理工Joule：僅需跑三圈！貝葉斯學(xué)習(xí)快速預(yù)測鋰離子電池循環(huán)壽命協(xié)議

影響電池效用和壽命的循環(huán)協(xié)議的優(yōu)化是為電動汽車、智能手機(jī)等常見應(yīng)用開發(fā)先進(jìn)電池的關(guān)鍵。由于 (1) 參數(shù)空間的高維度，(2) 制造可變性高，以及 (3) 測試時間長，這種優(yōu)化既昂貴又耗時。

在此，美國麻省理工學(xué)院Richard D. Braatz等人開發(fā)了數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，通過將分層貝葉斯模型 (HBM) 方法與電池壽命早期預(yù)測模型相結(jié)合，使用僅持續(xù)3個循環(huán)的單個加速實驗測試來快速預(yù)測鋰離子電池循環(huán)協(xié)議。這種方法減少了迭代循環(huán)協(xié)議優(yōu)化所需的測試時間和測試總數(shù)，即使與之前的數(shù)據(jù)驅(qū)動加速方法相比，總測試時間也減少了一個數(shù)量級。

HBM方法不僅能了解每個循環(huán)協(xié)議的壽命分布，而且能描述不同協(xié)議之間電池壽命可變性程度的抽象知識，以及協(xié)議的整體壽命分布，這使模型能夠從很少的測量中推斷新循環(huán)協(xié)議。作者采用包括29種不同快充協(xié)議的LFP/石墨電池的綜合數(shù)據(jù)集進(jìn)行驗證，其中113個電池的循環(huán)壽命為 500~1200圈，將壽命終止定義為標(biāo)準(zhǔn)容量下降20%。

圖1. 基于來自不同循環(huán)協(xié)議電池的分層貝葉斯模型圖示

結(jié)果顯示，從數(shù)據(jù)子集學(xué)習(xí)后，僅HBM方法就提供了高協(xié)議預(yù)測性能。在使用新循環(huán)協(xié)議進(jìn)行一次全循環(huán)壽命測試后，對于任何新循環(huán)協(xié)議壽命預(yù)測的最佳測試平均百分比誤差為5.7%，總體測試誤差為 6.5%。通過將HBM方法與電池壽命預(yù)測模型相結(jié)合，僅3次循環(huán)測試后就實現(xiàn)了8.8%的新循環(huán)協(xié)議壽命預(yù)測的測試誤差，比傳統(tǒng)測試時間減少了99% 以上。

此外，作者使用該方法針對NMC/石墨電池的數(shù)據(jù)集進(jìn)行了演示，與基準(zhǔn)單級預(yù)測方法相比，僅3次循環(huán)后協(xié)議壽命預(yù)測的準(zhǔn)確度提高了近兩倍。

圖2. HBM預(yù)測置信度85%、90%、95%、99.5%所需要的觀測數(shù)目

Bayesian learning for rapid prediction of lithium-ion battery-cycling protocols, Joule 2021. DOI: 10.1016/j.joule.2021.10.010

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