重構(gòu)電池壽命預(yù)測(cè)體系，《Nature》刊登孚能科技一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

　　電池技術(shù)的迭代周期和研發(fā)范式正在被改寫(xiě)。

　　2月4日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Nature》發(fā)表了題為《Discovery Learning predicts battery cycle life from minimal experiments》的研究論文，對(duì)電池壽命預(yù)測(cè)提出了成本更低、時(shí)間更短、預(yù)測(cè)更精準(zhǔn)的新方法。

　　《Nature》顯示，Discovery Learning可以實(shí)現(xiàn)將新電池驗(yàn)證周期從約1333天縮短至33天，能耗從8.523 MWh降低至0.468 MWh。該技術(shù)擺脫了對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和原型制作的依賴(lài)，大幅降低了新電池開(kāi)發(fā)時(shí)間與能耗成本，將為推動(dòng)電池在電動(dòng)汽車(chē)、電網(wǎng)儲(chǔ)能以及其它應(yīng)用場(chǎng)景大規(guī)模應(yīng)用提供關(guān)鍵支撐。

左為孚能科技研發(fā)副總裁姜蔚然，右為密歇根大學(xué)宋子由教授

　　該論文成果由中國(guó)動(dòng)力電池企業(yè)——孚能科技研發(fā)副總裁姜蔚然與密歇根大學(xué)安娜堡分校教授宋子由聯(lián)合主導(dǎo)。

01

發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)，極低實(shí)驗(yàn)成本實(shí)現(xiàn)電池壽命精準(zhǔn)預(yù)測(cè)

　　電網(wǎng)儲(chǔ)能與電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，對(duì)電池循環(huán)壽命要求和關(guān)注度，都要遠(yuǎn)高于消費(fèi)電子、工業(yè)備用電源等其它應(yīng)用領(lǐng)域。其核心原因在于，電池循環(huán)壽命直接決定了儲(chǔ)能項(xiàng)目全生命周期的收益、成本和穩(wěn)定性;電動(dòng)汽車(chē)特別是如商用車(chē)，其運(yùn)營(yíng)成本、長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)收益和二手車(chē)殘值，直接取決于電池本身。可以說(shuō)，電池循環(huán)壽命設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，直接影響著電網(wǎng)儲(chǔ)能和汽車(chē)電動(dòng)化進(jìn)程。

　　然而，傳統(tǒng)電池壽命評(píng)估存在兩大痛點(diǎn)：一是時(shí)間成本極高，單次完整退化實(shí)驗(yàn)耗時(shí)數(shù)年，嚴(yán)重拖慢下一代電池研發(fā)迭代;二是能耗與環(huán)境代價(jià)大，電池原型制造與循環(huán)測(cè)試能耗高。

　　在此背景下，孚能科技研發(fā)副總裁姜蔚然、密歇根大學(xué)宋子由教授團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新性提出“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)(Discovery Learning, DL)”的科學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)方法，做到了以極低的實(shí)驗(yàn)成本，實(shí)現(xiàn)電池壽命的快速精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

　　“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”方法，受教育心理學(xué)啟發(fā)，模擬人類(lèi)推理過(guò)程，將主動(dòng)學(xué)習(xí)、物理約束學(xué)習(xí)和零樣本學(xué)習(xí)有機(jī)融合，構(gòu)建類(lèi)人推理閉環(huán)學(xué)習(xí)框架：

　　首先由“學(xué)習(xí)者”(Learner)主動(dòng)篩選信息量最大的未測(cè)試電池設(shè)計(jì);“解釋者”(Interpreter)構(gòu)建跨設(shè)計(jì)的物理特征空間，以對(duì)齊歷史與未知數(shù)據(jù);“先知”(Oracle)則基于歷史數(shù)據(jù)，對(duì)新設(shè)計(jì)進(jìn)行零樣本推斷，生成偽標(biāo)簽反饋給學(xué)習(xí)者。

　　DL定義的三個(gè)核心智能體，Learner、Interpreter 和 Oracle閉環(huán)迭代，直至達(dá)到預(yù)設(shè)精度閾值，大幅減少原型實(shí)驗(yàn)依賴(lài)，為電池壽命評(píng)估提供高效捷徑。

　　為驗(yàn)證“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”模型，孚能科技研發(fā)副總裁姜蔚然、密歇根大學(xué)宋子由教授團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建了一個(gè)工業(yè)級(jí)電池老化數(shù)據(jù)集：用123 個(gè)大型軟包電池做了工業(yè)級(jí)驗(yàn)證，覆蓋8種電極材料設(shè)計(jì)，壽命跨度 250-1700 次循環(huán)。

　　最終實(shí)驗(yàn)顯示，“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”僅用51% 的電池原型，且只測(cè)前50 次循環(huán)(相當(dāng)于壽命的零頭)，就可以做到對(duì)全新設(shè)計(jì)電池壽命預(yù)測(cè)誤差控制到7.2%以?xún)?nèi)，比現(xiàn)有主流測(cè)試方法高效、精準(zhǔn)。

　　更值得一提的是，相比傳統(tǒng)耗時(shí)近1333天、能耗8.523MWh的流程，“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”僅需33天與0.468MWh，節(jié)省約98%的時(shí)間與95%的能耗，為電池創(chuàng)新提供了高效可靠的評(píng)估路徑。

02

“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”，將重構(gòu)電池研發(fā)底層邏輯

　　當(dāng)前，電池的能量密度、安全和補(bǔ)能效率已快速提升，但循環(huán)壽命及精準(zhǔn)預(yù)測(cè)一直是行業(yè)的短板，限制了電池在高度關(guān)注運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性的商用車(chē)和大儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

　　孚能科技研發(fā)副總裁姜蔚然、密歇根大學(xué)宋子由教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”方法，之所以能在國(guó)際頂級(jí)期刊亮相，不僅是其基于電池循環(huán)壽命的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，突破了電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)儲(chǔ)能對(duì)電池壽命預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確的痛點(diǎn)，更是讓電池研發(fā)不再受限于“時(shí)間黑洞”和“盲人摸象”。

　　傳統(tǒng)的電池材料開(kāi)發(fā)，主要依賴(lài)于科學(xué)家，往往存在經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)氣的成分，且測(cè)試、驗(yàn)證時(shí)間周期非常長(zhǎng)。“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”方法的出現(xiàn)，遠(yuǎn)不止對(duì)于電池壽命的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)。

　　據(jù)電池中國(guó)了解，“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”還可以拓展至電池其它方面，未來(lái)還能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)電池安全性、快充能力，以及電池其它性能優(yōu)化。

　　依托“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”的理論驗(yàn)證模型，結(jié)合先進(jìn)制造、高通量測(cè)試，電池研發(fā)效率有望實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)跨越。

　　此外，“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”類(lèi)人推理，也為其它材料、能源等復(fù)雜系統(tǒng)的研發(fā)，提供了“少實(shí)驗(yàn)、高精度”的可借鑒思路。

　　鋰離子電池商業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)有三十多年的歷史，但目前仍然基于三元、磷酸鐵鋰等基礎(chǔ)材料體系，同時(shí)電池材料、設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的迭代節(jié)奏，是按年甚至十年推進(jìn)。

　　過(guò)去，電池研發(fā)是“十年磨一劍”，現(xiàn)在“Discovery Learning”基于工業(yè)級(jí)和量產(chǎn)線(xiàn)的驗(yàn)證，有望讓電池各性能的研發(fā)，進(jìn)入“一年磨十劍”的新階段。

03

“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”，孚能科技的“新利器”

　　作為全球軟包動(dòng)力電池頭部企業(yè)，孚能科技在高能量密度、高安全、快充電池研發(fā)領(lǐng)域，一直處于行業(yè)前列。

　　其中，在高能量密度電池產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面，孚能科技為高端車(chē)型開(kāi)發(fā)的三元高鎳電池，量產(chǎn)產(chǎn)品能量密度已達(dá)300-330Wh/kg;三元中鎳電池能量密度285Wh/kg已實(shí)現(xiàn)裝車(chē)應(yīng)用，且循環(huán)壽命超5000次，在全電壓區(qū)間針刺達(dá)標(biāo);磷酸鐵鋰電池量產(chǎn)能量密度也達(dá)到了220Wh/kg。

　　在前沿電池技術(shù)方面，孚能科技半固態(tài)電池已成功量產(chǎn)兩代，出貨量已達(dá)GWh級(jí)別，產(chǎn)品獲得三一重卡、一汽解放、美國(guó)頭部eVTOL客戶(hù)、上海時(shí)的、小鵬匯天、沃飛長(zhǎng)空、零重力等多領(lǐng)域頭部客戶(hù)認(rèn)可。

　　在全固態(tài)電池方面，孚能科技已完成向某頭部人形機(jī)器人客戶(hù)送樣硫化物全固態(tài)電池。

　　在行業(yè)非常關(guān)注的安全方面，孚能科技半固態(tài)電池在80%、100% SOC狀態(tài)下，均能輕松通過(guò)針刺測(cè)試，且能耐受250℃熱箱測(cè)試，遠(yuǎn)超國(guó)標(biāo)130℃的要求;全固態(tài)電池在經(jīng)過(guò)剪切、針刺等極端測(cè)試后，依然能夠正常工作，產(chǎn)品已通過(guò)技術(shù)和市場(chǎng)的雙重驗(yàn)證，充分彰顯了其高可靠的安全性與穩(wěn)定性。

　　此次研究成果在《Nature》刊發(fā)，并獲封面推薦展示，這背后既得益于孚能科技在技術(shù)開(kāi)發(fā)、理論探索方面的長(zhǎng)期積累，也得益于其在新技術(shù)和模型驗(yàn)證上具備的制造優(yōu)勢(shì)。該成果破解了電池開(kāi)發(fā)成本高昂、周期過(guò)長(zhǎng)的長(zhǎng)期行業(yè)痛點(diǎn)，充分展現(xiàn)了孚能科技在新能源領(lǐng)域卓越的科研實(shí)力與引領(lǐng)行業(yè)變革的先鋒姿態(tài)。而孚能科技之所以能在電池產(chǎn)品及性能方面，始終保持行業(yè)領(lǐng)先地位，正是源于其在研發(fā)能力上的持續(xù)引領(lǐng)與支撐。

　　同樣的，這種新技術(shù)的快速驗(yàn)證優(yōu)勢(shì)，也將進(jìn)一步鞏固孚能科技在新電池技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)優(yōu)勢(shì)。

　　例如，“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”將電池傳統(tǒng)壽命驗(yàn)證，壓縮至33 天、0.468 MWh，節(jié)省 98% 時(shí)間與 95% 能耗，可將孚能科技在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)周期，從“年級(jí)”縮至“月級(jí)”，加快其在固態(tài)電池等前沿技術(shù)上的迭代速度;

　　其次，僅需51%原型的前50次循環(huán)數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超現(xiàn)有主流路徑，可幫助孚能科技大幅減少研發(fā)制造的試錯(cuò)成本。

　　當(dāng)然，更為重要的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在產(chǎn)品和市場(chǎng)側(cè)。一方面，孚能科技將“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”遷移到快充、安全、高能量密度等性能預(yù)測(cè)上，將加速公司整體研發(fā)平臺(tái)迭代，從而可滿(mǎn)足乘用車(chē)、商用車(chē)、eVTOL、機(jī)器人、船舶等不同場(chǎng)景的產(chǎn)品研發(fā)效率與可靠性。

　　另一方面，孚能科技也可基于“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”等顛覆技術(shù)，為更多汽車(chē)、儲(chǔ)能、低空、機(jī)器人和其它領(lǐng)域客戶(hù)，提供更可靠、精準(zhǔn)的產(chǎn)品技術(shù)支持。比如，為電網(wǎng)儲(chǔ)能提供循環(huán)壽命和成本的精準(zhǔn)測(cè)算，從而可實(shí)現(xiàn)全生命周期成本大幅下降，這種更為清晰可見(jiàn)的“收益”，才是競(jìng)爭(zhēng)的利器。