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紛繁復(fù)雜的使用場(chǎng)景需要具有相應(yīng)功能的鋰離子電池來匹配。因此，每種鋰離子電池都必須針對(duì)一系列性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，包括能量密度、電池使用壽命和安全性。

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，目前的研究將重點(diǎn)放在引入新的負(fù)極和正極材料或設(shè)計(jì)新配方電解液上。例如，為了降低舊款 LIB 鋰離子電池潛在的起火隱患，該電池生產(chǎn)商探索了在電解液中使用揮發(fā)性較低的溶劑或添加阻燃添加劑來提高整體閃點(diǎn)的方案。

但與此同時(shí)，研發(fā)人員需要確保新配方或添加劑不會(huì)降低電池原有的電化學(xué)性能。這就意味著還需要考慮其他相關(guān)特性，例如鋰離子在電解液中的滲透性能。如此多的參數(shù)進(jìn)行組合將為每個(gè)新電池項(xiàng)目創(chuàng)造出巨大的可選配方樣本空間。

如此龐大的潛在電解液配方如何進(jìn)行快速篩選是企業(yè)所面臨的重大挑戰(zhàn)。特別是在保持研發(fā)按計(jì)劃完成且不超過預(yù)算的前提下。這意味著在實(shí)驗(yàn)室中只能實(shí)際測(cè)試計(jì)劃設(shè)計(jì)空間中的一小部分配方，這大大限制了對(duì)電解液新配方的探索。

由于他們用于規(guī)劃新配方的大部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) (DoE) 流程主要依賴專家知識(shí)，因此許多具有潛在應(yīng)用價(jià)值的配方、新溶劑和新添加劑都未能進(jìn)行測(cè)試。為了最大限度地發(fā)揮新配方項(xiàng)目的潛力，還需要采用其他方法來簡(jiǎn)化 DoE 流程，擴(kuò)大早期配方設(shè)計(jì)的范圍，并降低成本。

為了解決這一問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)決定首先通過性質(zhì)預(yù)測(cè)拿到最有可能成功的配方和添加劑，來幫助改善 DoE 流程，以更好地進(jìn)行物理測(cè)試。他們所建立的第一個(gè)模型著眼于最大限度地提高電解液的閃點(diǎn)，同時(shí)優(yōu)化三個(gè)鋰離子傳輸特性：鋰離子擴(kuò)散系數(shù)、離子電導(dǎo)率和離子轉(zhuǎn)移數(shù)。

達(dá)索系統(tǒng)BIOVIA Pipeline Pilot 為此數(shù)據(jù)科學(xué)方案提供了完整工具集。它幫助數(shù)據(jù)科學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)整合，匯總和混合現(xiàn)有的電池性能數(shù)據(jù)用于創(chuàng)建訓(xùn)練集。此外，它還能夠自動(dòng)執(zhí)行數(shù)據(jù)清理流程，移除重復(fù)值和異常值，并通過 K-近鄰算法估算并填充缺失值。所有這些步驟都可以通過 Pipeline Pilot 的圖形用戶界面在一個(gè)單一工作流中完成，從而使數(shù)據(jù)科學(xué)團(tuán)隊(duì)可清晰地了解數(shù)據(jù)是如何在整個(gè)組織內(nèi)獲取和處理的。

為構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型而準(zhǔn)備好現(xiàn)有配方的數(shù)據(jù)后，團(tuán)隊(duì)就開始著手解決如何高效引入降低閃點(diǎn)新型添加劑進(jìn)行研究的問題。

借助 Pipeline Pilot，研發(fā)團(tuán)隊(duì)可以計(jì)算各種配方電解液的電化學(xué)特性，例如對(duì)鋰離子滲透性的影響。該團(tuán)隊(duì)結(jié)合了實(shí)驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)每種添加劑對(duì)鋰離子擴(kuò)散系數(shù)所產(chǎn)生的不同影響。通過類似的方式，他們還可以推導(dǎo)了電解液配方的其他特性，如電解液中的鋰離子電導(dǎo)率和鋰離子的轉(zhuǎn)移數(shù)。

這些值使得他們能夠篩選目前已有的潛在添加劑庫，并創(chuàng)建新的添加劑，所產(chǎn)生的模型使研發(fā)人員能夠更深入地了解電池的分子組成和圍觀結(jié)構(gòu)的變化與性能之間的潛在關(guān)系。這是對(duì)潛在的可提高鋰離子電池安全性的新型電解液配方的有力補(bǔ)充，同時(shí)也為未來優(yōu)化其他特性的實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

借助這些數(shù)據(jù)集，Pipeline Pilot 使數(shù)據(jù)科學(xué)家能夠構(gòu)建、訓(xùn)練和測(cè)試機(jī)器學(xué)習(xí)模型，通過生成的模型來預(yù)測(cè)配方性能，從而在保持高鋰離子擴(kuò)散系數(shù)的同時(shí)，最大限度地提高電解液的閃點(diǎn)。

Pipeline Pilot 提供一整套機(jī)器學(xué)習(xí)工具集。開發(fā)人員可以直接比較不同的算法，以便預(yù)測(cè)候選電解液配方的閃點(diǎn)，并選擇最能滿足其需求的特定算法。在這種場(chǎng)景下，研發(fā)團(tuán)隊(duì)考慮了隨機(jī)森林、遺傳函數(shù)算法和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，其中隨機(jī)森林算法生成的模型效果最優(yōu)。通過將此數(shù)學(xué)模型與預(yù)測(cè)添加劑性能的化學(xué)模型相結(jié)合，研發(fā)人員可以自動(dòng)化創(chuàng)建和預(yù)測(cè)數(shù)千種潛在電解液配方的性能，包括引入新添加劑的電解液配方。

然后，他們使用帕累托 (Pareto) 排序算法篩查這些配方，確定給定鋰離子擴(kuò)散系數(shù)下閃點(diǎn)最低的配方，以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。這些結(jié)果還可進(jìn)一步用于預(yù)測(cè)電芯其他電化學(xué)性能的模型進(jìn)行參數(shù)化。

利用 Pipeline Pilot，這家鋰離子電池生產(chǎn)商能夠高效地簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) DoE，從而幫助研發(fā)人員找出最有可能成功的潛在配方。在這種情況下，他們發(fā)現(xiàn)使用一種新型共混添加劑可以顯著提高電解液的閃點(diǎn)。該混合物僅略微影響系統(tǒng)的總體鋰離子擴(kuò)散系數(shù)，隨后實(shí)驗(yàn)對(duì)這點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

此外，由于這些模型是基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)構(gòu)建的，并且隨著新的物理和仿真數(shù)據(jù)的獲取可以定期進(jìn)行模型的重新訓(xùn)練，因此研發(fā)人員會(huì)對(duì)他們生成的預(yù)測(cè)越來越充滿信心。研發(fā)領(lǐng)導(dǎo)層也很樂于看到其現(xiàn)有知識(shí)庫價(jià)值的增加。

放眼未來，在 Pipeline Pilot 中開發(fā)的工作流可以輕松進(jìn)行共享和再利用來針對(duì)其他特性對(duì)新配方進(jìn)行優(yōu)化，并以此確定更優(yōu)化的方案。到目前為止，該團(tuán)隊(duì)正在構(gòu)建可用于預(yù)測(cè)電解液電化學(xué)穩(wěn)定窗口的模型，專注于進(jìn)一步優(yōu)化鋰離子電池安全性，同時(shí)確保延長電池的總體使用壽命。他們將通過對(duì)現(xiàn)有的工作流進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)快速創(chuàng)建服務(wù)于產(chǎn)品全新設(shè)計(jì)目標(biāo)的配方研發(fā)流程，從而幫助企業(yè)更高效地?cái)U(kuò)展產(chǎn)品組合。

總而言之，BIOVIA Pipeline Pilot 幫助這家鋰離子電池生產(chǎn)商改進(jìn)了其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) DoE，引入了全新的配方設(shè)計(jì)流程。最重要的是，他們成功地完成了最關(guān)鍵的任務(wù)，也就是通過調(diào)整電解液配方來提高下一代電池的安全性能。