隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮娜找嬖鲩L(zhǎng)，電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的地位愈發(fā)凸顯。然而，電池研發(fā)過(guò)程中面臨著從材料原型到商業(yè)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的重重挑戰(zhàn)，電池原型驗(yàn)證效率低、研發(fā)成本高以及生產(chǎn)廢料管理不善等問(wèn)題制約著電池行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
圖1.研究概念圖
在電池制造領(lǐng)域，傳統(tǒng)的容量校準(zhǔn)方法在原型驗(yàn)證時(shí)需耗費(fèi)大量時(shí)間。同時(shí)，制造的不一致性和電池老化的多樣性，使得電池原型的性能評(píng)估變得極為復(fù)雜。為此，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院張璇、周光敏、李陽(yáng)副教授團(tuán)隊(duì)與合作者提出了一種基于物理信息學(xué)習(xí)的電池衰減軌跡早期預(yù)測(cè)方法。該方法通過(guò)計(jì)算熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并將其關(guān)聯(lián)至未來(lái)狀態(tài)變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池整個(gè)衰減軌跡的早期預(yù)測(cè)。與傳統(tǒng)方法相比，該方法僅利用電池原型的早期循環(huán)數(shù)據(jù)（50次循環(huán)，占總壽命4%），即可達(dá)成95.1%全壽命平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，將原型驗(yàn)證速度提升了至少25倍。
圖2.應(yīng)用物理信息學(xué)習(xí)方法的動(dòng)機(jī)、模型構(gòu)建和部署
圖3.原始數(shù)據(jù)集信息及可視化
團(tuán)隊(duì)采用與電動(dòng)汽車(chē)快速充電兼容的多步充電方案，范圍從0.33C到3C，共包含9個(gè)步驟。其中的截止電壓（U1-U9）代表每個(gè)荷電狀態(tài)即SOC的充電接受程度，并在25℃、35℃、45℃和55℃四個(gè)溫度下進(jìn)行測(cè)試（圖3）。
團(tuán)隊(duì)基于電化學(xué)原理進(jìn)行特征工程，核心思想是：大電流充電時(shí)動(dòng)力學(xué)過(guò)程主導(dǎo)，小電流階段時(shí)熱力學(xué)過(guò)程主導(dǎo)。由此可得到代表熱力學(xué)衰減和動(dòng)力學(xué)衰減的特征，分別描述了與電流無(wú)關(guān)的材料不可逆衰減和與電流相關(guān)的電化學(xué)過(guò)程可逆衰減。
圖4.可解釋特征工程
本研究所提出的物理信息學(xué)習(xí)模型分為三個(gè)步驟：首先，用可解釋特征工程表達(dá)電池多維電化學(xué)過(guò)程；其次，用早期電化學(xué)過(guò)程數(shù)據(jù)推演后期尚未建立的電化學(xué)狀態(tài)；最后，用推演后的電化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行電池衰減曲線預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)采用多源域自適應(yīng)設(shè)置（25℃和55℃數(shù)據(jù)可用）并在35℃和45℃溫度下預(yù)測(cè)，利用早期循環(huán)數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的全壽命衰減曲線預(yù)測(cè)。
圖5.物理信息學(xué)習(xí)模型的統(tǒng)計(jì)學(xué)性能
團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)值模擬確認(rèn)了多階段充電方式在表達(dá)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)衰減過(guò)程的電化學(xué)原理依據(jù)，并通過(guò)物理信息學(xué)習(xí)模型的特征重要性分析，發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)衰減在電池總衰減比例上吻合。這說(shuō)明，所提出的模型可以通過(guò)結(jié)合電化學(xué)原理和可獲取的電流和電壓信號(hào)表達(dá)電化學(xué)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)非侵入式的電池衰減曲線預(yù)測(cè)。
圖6.物理信息學(xué)習(xí)模型的電化學(xué)原理分析
團(tuán)隊(duì)分析了利用所提出的物理信息學(xué)習(xí)模型進(jìn)行電池生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的劣品檢測(cè)和廢料回收的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，其中重點(diǎn)分析了直接修復(fù)輕微衰減電池（健康狀態(tài)即SOH＞95%）的年利潤(rùn)、累計(jì)利潤(rùn)，以及不同SOH下回收的單位利潤(rùn)構(gòu)成和環(huán)境能源影響。結(jié)果表明，所提出的模型對(duì)于生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的廢料管理可持續(xù)性具有顯著提升效果。
圖7.物理信息學(xué)習(xí)模型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析
論文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ee/d4ee03839h
（原標(biāo)題：深圳國(guó)際研究生院張璇、周光敏、李陽(yáng)團(tuán)隊(duì)合作在電池衰減軌跡早期預(yù)測(cè)研究中取得新進(jìn)展）
本文鏈接：http://m.enbeike.cn/news-8-789-0.html新模型預(yù)測(cè)電池衰減軌跡
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