Большая часть современной портативной электроники использует литийионные батареи в качестве источника энергии. Одна из проблем этих устройств — снижение емкости вследствие осаждения лития на одном из электродов. Это же процесс повышает риск короткого замыкания и возгорания.
Группа химиков и инженеров придумала, как контролировать этот процесс. С помощью глубокого обучения они создали виртуальный референтный электрод, который предсказывает потенциал на отрицательном электроде в реальном времени, а на основе этой информации можно управлять процессами в батарее. Результаты моделирования и экспериментов опубликовали в журнале Nature Communications.
Виртуальный референтный электрод имитировал ансамбль нейронных сетей. Его обучили на 10 миллионах точек данных, снятых с 55 трехэлектродных миниатюрных батарей при различных режимах зарядки.
Обученные нейросети мгновенно и с высокой точностью предсказывали потенциал отрицательного электрода относительно литиевого. В отличие от физического третьего электрода, который деградирует со временем, виртуальный сохраняет точность на протяжении всего времени работы.
Результаты моделирования подтвердили экспериментально. Ученые работали с двухэлектродными ячейками: отрицательный электрод — из графита, положительный — из LiFePO₄, а третий — виртуальный. Они заряжали графитовый электрод и останавливали процесс, когда виртуальный электрод показывал напряжение на определенном пороге относительно литиевого.
После эксперимента ученые рассмотрели поверхность электродов под электронным микроскопом. Литий совершенно не осаждался на поверхности графита при потенциале отрицательного электрода относительно литиевого в 0,01 и 0 вольт. Когда созданная учеными модель показывала разницу потенциалов -0,01 вольта, на электроде появлялись островки нуклеации, мельчайшие частицы лития. При -0,02 вольта на графите возникали ветви металла, похожие на мох. Площадь покрытия литием достигала 50 процентов.
Этим ученые подтвердили, что виртуальный электрод замечает начало осаждения лития так, будто в системе есть третий реальный референтный электрод. На основе этого вывода ученые создали адаптивный протокол зарядки. Его выбрали адаптивным: сначала заряд идет на высоком токе, но как только потенциал отрицательного электрода приближается к пороговому значению 0,02 вольта, система автоматически ступенчато снижает его, не давая потенциалу уйти в опасную зону.
Эксперименты провели на ячейках, для которых осаждение лития на электроде наиболее вероятно — отношение емкостей электродов около единицы. При стандартном протоколе, с постоянным током и напряжением, ячейка потеряла 80 процентов емкости к 10-15-му циклу. Зарядка с виртуальным электродом продлила жизнь ячейки до 120 циклов, более чем в восемь раз. Умный протокол также со временем не терял в средней скорости зарядки, а на графите не осаждался литий.
Так как химики обучили модель на реальных данных, а не на уравнениях, описывающих реальность, она улавливает сложные эффекты деградации системы: изменение импеданса, потерю лития. Чем больше данных получает модель, тем точнее становятся ее предсказания.
Построенная учеными система открывает путь к динамическому управлению каждой ячейкой батареи. Исследователи считают, что предварительные затраты на имплементацию системы позволяют выжать из батарей максимум производительности без увеличения рисков. Выбранный подход можно распространить на виртуальные сенсоры для внутреннего давления и температуры.