鋰電池作為電動(dòng)汽車最關(guān)鍵，也是成本占比最高的部件，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和評(píng)估電池壽命衰減程度越來越重要。準(zhǔn)確的壽命評(píng)估一方面可以提高車輛性能和用戶體驗(yàn)，另一方面在商業(yè)上如何最優(yōu)配置備件比例，計(jì)算資產(chǎn)殘值也需要電池壽命衰減分析作為參考。目前研究鋰電池衰減一般會(huì)從三個(gè)維度去分析，首先是從電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的角度去分析整個(gè)衰減過程是如何演化的。其次是在實(shí)驗(yàn)室對(duì)電池進(jìn)行不同的工況試驗(yàn)，通過對(duì)電池電壓、內(nèi)阻等外特性變化來分析。還有就是通過收集大量在車輛端實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)，再利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來分析。

由此我想到在自然語言處理領(lǐng)域也有過類似案例，在最初的語言研究過程中語言學(xué)家占據(jù)主要地位，當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為若需要讓計(jì)算機(jī)進(jìn)行語言翻譯或者語言理解，前提是先要讓計(jì)算機(jī)理解句子的意思。因此研究人員把研究重點(diǎn)放在了語法分析上，希望讓計(jì)算機(jī)通過語法分析樹的分解算法進(jìn)行語言理解。這種方式和試圖通過了解電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理來評(píng)估電池壽命的思路是相似的。而由于模型復(fù)雜程度高、隨機(jī)因素干擾大等原因無法得到理想效果。

在2000年后Google在語言處理領(lǐng)域投入大量的精力，并且采取了統(tǒng)計(jì)分析的技術(shù)路線取代了語言規(guī)則分析的路線。計(jì)算機(jī)完全不必理解語言的本意，而是通過網(wǎng)絡(luò)上大量的樣本統(tǒng)計(jì)形成一套與上下文相關(guān)的數(shù)學(xué)模型(即單詞可能有多個(gè)含義，通過上下文的統(tǒng)計(jì)分析來確定每種含義在該句子中的可能性概率)，最終取得了突破性的進(jìn)展。

隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)占有量的上升，采用機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)路線或許能更好的解決壽命評(píng)估問題。當(dāng)然這并非是說研究電池電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理沒有必要，相反了解電池衰減機(jī)理和電池外特性變化是構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。因此本文嘗試梳理鋰離子電池的衰減機(jī)理，從而能更好的理解和想象電池。特別是當(dāng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果與假設(shè)存在差異的時(shí)候，如果對(duì)電池反應(yīng)機(jī)理有一定的概念，那么就能更準(zhǔn)確的提出新的假設(shè)。

1.鋰電池工作原理

1)正極和負(fù)極

鋰電池的正極是將正極材料(如LFP、NCM)涂布在鋁箔(集流體)上，負(fù)極是將負(fù)極材料(如石墨、LTO)涂布在銅箔(集流體)上。一般情況下電池是根據(jù)正極材料來命名，所以一般稱三元電池或磷酸鐵鋰電池;而鈦酸鋰電池中LTO是負(fù)極材料，因此這算是以負(fù)極材料命名電池的特例。在翻閱國(guó)外文獻(xiàn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)文中常將正極材料稱為陰極(Cathode)，將負(fù)極材料稱為陽極(Anode)，一開始并不是非常理解，因?yàn)槲覀円话阏J(rèn)為，發(fā)生還原反應(yīng)的電極是陰極，發(fā)生氧化反應(yīng)的電極是陽極;而電池在放電和充電切換的過程中陰陽極也隨之在變化。后來慢慢有點(diǎn)想明白，這個(gè)定義應(yīng)該指的是沒有外部能量影響的條件下的情況，所以以放電狀態(tài)下的反應(yīng)情況來確定電池的陰陽極。

2)隔膜

正負(fù)極之間有一層隔膜(Separator)，使正負(fù)極隔離，防止電子穿過，同時(shí)又能使鋰離子順利通過。

3)電解液

電解液在電池中起到傳導(dǎo)鋰離子的作用。在電池放電的過程中，Li+從負(fù)極穿過隔膜到正極，電子則從負(fù)極經(jīng)過外部電路回到正極形成了電流。電池的充電過程則剛好相反。在電池化成過程中，電解液會(huì)和電極材料(主要是負(fù)極)發(fā)生界面反應(yīng)，消耗了一部分Li+，并在電極材料表面形成鈍化層，稱為“固態(tài)電解質(zhì)界面膜”SEI(Solidelectrolyteinterface)。SEI是電子絕緣體，卻又是Li+的導(dǎo)體。穩(wěn)定的SEI的形成有利于Li+自由地嵌入和脫出。

2.定義電池衰減

電池的衰減可以分為兩方面分析，一方面是性能上的，另一方面是安全性上的。

1)性能衰減

電動(dòng)汽車在經(jīng)過一定時(shí)間的使用后續(xù)航里程會(huì)有所下降，加速性能的衰減也可能被感受到。這主要可以從容量的衰減、內(nèi)阻的增加、以及電池自放電的增大幾個(gè)方面去分析。

2)安全性衰減

安全性的衰減相對(duì)而言就比較難比察覺。有可能電池已經(jīng)出現(xiàn)了機(jī)械形變，或者發(fā)生內(nèi)短路的概率增大了，以及存在漏液的風(fēng)險(xiǎn)。

因此接下去我們可以找到什么影響了容量的減少、內(nèi)阻增加由哪些因素引起、電池形變產(chǎn)生過程、以及導(dǎo)致內(nèi)短路發(fā)生的因素這樣的問題來理解電池的衰減過程。

為了便于理解，我突然想到一個(gè)比喻：我們可以把正極比作“工廠”，負(fù)極比作“公寓”，Li+比作“員工”。那么放電就是員工從公寓去工廠上班釋放能量的過程，充電就是員工下班回公寓休息補(bǔ)充能量的過程。從這個(gè)比喻中我們可以想象無論是工廠崗位的減少，或是公寓的年久失修，以及員工的流失，最終都會(huì)導(dǎo)致了整體的衰減。關(guān)于電池如何衰減的詳細(xì)內(nèi)容下一篇再來展開。