
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Autors: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Shengyu Tao Ruifei Ma Zixi Zhao Guangyuan Ma Lin Su Heng Chang Yuou Chen Haizhou Liu Zheng Liang Tingwei Cao Haocheng Ji Zhiyuan Han Minyan Lu Huixiong Yang Zongguo Wen Jianhua Yao Rong Yu Guodan Wei Yang Li Xuan Zhang Tingyang Xu Guangmin Zhou Resum L'estimació ràpida i precisa de l'estat de salut (SOH) de les bateries retirades és un pre-tractament crucial per a la reutilització i el reciclatge. No obstant això, els mètodes basats en dades requereixen una cura exhaustiva de les dades en condicions de retirada aleatòries de SOH i estat de càrrega (SOC). Aquí, demostrem que l'estimació de SOH assistida per aprenentatge generatiu és prometedora per alleujar els reptes d'escassetat i heterogeneïtat de dades, validat mitjançant un conjunt de dades d'injecció de pols de 2700 mostres de bateries de ions de liti retirades, que cobreixen 3 tipus de materials de càtode, 3 formats físics, 4 dissenys de capacitat i 4 usos històrics amb 10 nivells de SOC. Utilitzant dades generades, un regressor realitza estimacions precises de SOH, amb errors percentuals absoluts mitjans inferiors al 6% sota SOC no vist. Predim que, assumint un desplegament uniforme de la tècnica proposada, això estalviaria 4.9 mil milions de dòlars en costos d'electricitat i 35.8 milions de kg d'emissions de CO2 al mitigar els costos de cura de dades per a un escenari mundial de retirada de bateries el 2030. Aquest article destaca l'explotació de dades limitades per explorar l'espai de dades estès utilitzant mètodes generatius, atès que les dades poden ser tediós, costoses i contaminants de recuperar per a moltes tasques d'estimació i predictives. Introducció L'electrificació del transport, un sector crític en una transició energètica baixa en carboni , ha remodelat sense precedents el paradigma del transport basat en combustibles fòssils. Les bateries de ions de liti són vitals per a aquesta transició, ja que proporcionen subministraments d'energia assequibles, duradors i segurs als vehicles elèctrics (VE) , . La capacitat total de les bateries de VE en ús i al final de la seva vida útil superarà els 32-62 terawatts per any 2050, considerablement superior a l'estimació en els escenaris de l'Agència Internacional d'Energies Renovables i Storage Lab . No obstant això, les bateries de VE retirades estan fortament regulades amb un enorme valor residual de capacitat infrautilitzat, típicament superior al 80% de la capacitat nominal , . Si no es gestionen adequadament, comporten càrregues econòmiques  per als fabricants i usuaris, així com problemes ambientals i socials posteriors , incloent-hi el malbaratament de recursos, riscos en la cadena de subministrament i emissions de carboni , , . 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Estratègies prometedores per abordar les preocupacions sobre l'afluència intermitent de retirada de bateries són la reutilització , ,  i el reciclatge . En la reutilització, les bateries retirades es repurposen per a aplicacions com ara sistemes d'emmagatzematge d'energia connectats a la xarxa , subministraments d'energia residencials , i vehicles de baixa velocitat. No obstant això, la reutilització requereix pre-tractaments preliminars, incloent-hi el cribratge de consistència , la classificació de capacitat , i el reagrupament ,  per complir els requisits de l'aplicació . Tot i la iniciació de programes pilot , , , l'absència d'estàndards rigorosos per als escenaris d'ús i les vies de retirada dificulten l'ús racional de la capacitat residual . El reciclatge utilitza alternativament els valors residuals de les bateries retirades mitjançant l'extracció de materials o la reparació estructural , , adequat per a bateries retirades degradades irreversiblement. Comparat amb la piraometal·lúrgia i la hidrometal·lúrgia , , el reciclatge directe destaca per la seva rendibilitat superior, menor consum d'energia i reducció d'emissions de carboni , , . Aprofitant el rejoveniment del liti i el post-tractament dels materials del càtode, el reciclatge directe aconsegueix una reparació eficient de l'estructura del material i una restauració del rendiment . No obstant això, l'estat de salut (SOH) determina el reagent químic requerit i les dosis anticipades de suplementació de liti en la formulació de la estratègia de reciclatge directe , , . Una dosi insuficient pot provocar una reparació incompleta, mentre que una dosi excessiva pot portar a la generació d'àlcali residual a la superfície del càtode, deteriorant el rendiment de restauració , . Malauradament, la recuperació de SOH requereix una caracterització invasiva del material ,  i proves de calibratge de capacitat llargues, la manca d'adquisició de SOH invasiva, ràpida i sostenible segueix sent un repte destacat. 6 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 26 27 30 31 32 33 34 27 35 36 37 Per assegurar informació consistent de SOH, les bateries de VE són monitoritzades i les dades operacionals són enregistrades per plataformes al núvol  i passaports de bateries . El Parlament Europeu va adoptar la Directiva de bateries el 14 de juny de 2023, per garantir que les bateries retirades puguin ser reutilitzades, recondicionades o reciclades al final de la seva vida útil . No obstant això, el procediment de monitoratge i enregistrament requerit només és accessible en la fase de servei del VE, les bateries retirades ja no estan connectades a la unitat de monitoratge del vehicle. Per tant, és difícil recuperar dades de SOH disponibles al camp. La integritat de les dades de vida útil segueix sent un repte important, que exigeix l'estimació de SOH utilitzant només dades de camp, enfront de dades històriques o sota condicions controlables , , . Una solució és realitzar una prova de calibratge de capacitat al camp de recollida de bateries retirades, és a dir, condicionament de l'estat de càrrega (SOC), que és senzill, però requereix un temps de prova inassequible i costos elèctrics addicionals. La prova de caracterització de potència de pols híbrida és una alternativa per a l'estimació de SOH mitjançant injecció de pols dinàmica, però la seqüència completa de proves triga més de 12 hores. Tao et al. van utilitzar polsos curts per a l'estimació de SOH de bateries retirades, assumint que es realitzava un condicionament de SOC al 5% de SOC, cosa que era amb prou feines compatible amb les condicions aleatòries de SOC de retirada . Els avenços recents en mesures basades en sensors inclouen imatges de raigs X , impedància electroquímica , , detecció per fibra òptica , , detecció acústica , , càrrega parcial , , i injecció de pols , . Les tècniques basades en sensors es troben en etapa de laboratori a causa de la invasió, mentre que la injecció de pols presenta el deslligament de la degradació de la bateria sense danys físics, simultàniament més ràpid que els mètodes de càrrega parcial i basats en impedància electroquímica , , , , , . No obstant això, la injecció de pols és un mètode centrat en dades que només és factible sota l'assumpció ideal que les dades físicament mesurades engloben les condicions de retirada de la fase de desplegament del model, conegut com el desafiament comú del canvi de domini en la comunitat d'aprenentatge automàtic. Malgrat els avenços en aprenentatge de transferència i mètodes d'adaptació de domini , , , persisteixen els reptes ja que el domini de destinació a alinear encara requereix informació prèvia en el moment del desplegament, i els mètodes d'aprenentatge existents difícilment es poden actualitzar per a condicions de retirada aleatòries . Una alternativa és estendre l'escala de proves de dades sota condicions de retirada inexplorades per mitigar l'escassetat i l'heterogeneïtat de dades, tot i que pot comportar costos creixents. Wang et al. van proposar un mètode d'excavació de temperatura per interpolar preferències cinètiques de reacció en diferents estats intermedis durant un procés termoquímic, permetent la construcció de bases de dades d'entrenament extenses amb una escala i cost experimental termoquímic mínims com a augment de dades per a l'entrenament de models d'aprenentatge automàtic . A més, l'aprenentatge generatiu també demostra les possibilitats d'estimar SOH amb dades augmentades de perfils parcialment cicles, estalviant les dades físicament provades requerides , . No obstant això, l'escassetat i l'heterogeneïtat de dades en el context de reutilització i reciclatge de bateries són encara més complexes a causa d'una barreja de tipus de materials de càtode, formats físics, dissenys de capacitat i usos històrics, restringint la possible integració de coneixements específics de les condicions de degradació en models d'aprenentatge automàtic. Per tant, és raonable considerar la relació de dependència entre les condicions de retirada i les respostes de tensió de pols per a la generació de dades, sense imposar calibratges de capacitat de sèrie temporal llargs i experiments físics addicionals simultàniament, per millorar el rendiment de l'estimació de SOH. 38 24 39 30 40 41 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 17 41 17 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 En aquest estudi, realitzem un pre-tractament de bateries retirades, és a dir, estimació de SOH, utilitzant dades de resposta de tensió de pols generades per un autoencoder variacional atencional amb un temps i cost de mesurament físic estalviats. El procés d'alt nivell dels passos generals de pre-tractament, entrenament del model generatiu i passos de desplegament pràctic del model s'il·lustra a la Fig.  . La idea de la investigació és utilitzar l'aprenentatge generatiu per explotar dades ja mesurades per a l'exploració de respostes de tensió de pols en condicions de retirada contínues, és a dir, distribució de SOC en la fase de recollida de bateries retirades. L'estimació de SOH downstream s'implementa sense dades de resposta de pols físicament mesurades, estalviant costos d'electricitat de pre-tractament i emissions de carboni que d'altra banda es requeririen del condicionament del SOC al nivell anticipat. Comparat amb el mètode d'integral amperahora i la injecció de pols d'aprenentatge automàtic, l'aprenentatge generatiu subratlla una velocitat de generació més ràpida i una estimació precisa. Amb dades generades, un simple regressor estima amb èxit el SOH amb baix error sota condicions de retirada de SOC no vistes o inaccessibles a la base de dades, un problema desafiant fora de distribució (OOD). El problema OOD es resol aprenent el patró físic heretat entre la condició de SOC i la resposta de tensió induïda pel pols ràpid. Demostrem la generalitzabilitat del nostre mètode verificant-lo amb 2700 mostres físicament mesurades, que abasten 3 tipus de materials de càtode, 3 formats físics, 4 dissenys de capacitat i 4 usos històrics (1 envelliment accelerat de laboratori, 1 conducció pura de VE, i 2 modes de conducció híbrida). L'aprenentatge generatiu s'adapta a la interpolació i extrapolació integrant coneixements previs de les condicions de retirada en l'escalat de l'espai latent dels paràmetres del model, estalviant temps de mesurament, costos d'electricitat i emissions de carboni conseqüents sense comprometre la precisió de l'estimació de SOH. Un cas d'estudi global conservador de retirada de bateries el 2030 destaca la importància de l'estimació ràpida i sostenible de SOH en circumstàncies de reciclatge piraometal·lúrgic, hidrometal·lúrgic i directe. Mitjançant anàlisis tècnic-econòmiques, l'estimació de SOH assistida per aprenentatge generatiu podria estalviar 4.9 mil milions de dòlars en costos d'electricitat i 35.8 mil milions de kg d'emissions de CO2 per al 2030 a nivell mundial. Discutim la interpretabilitat del model, les implicacions del pre-tractament de reciclatge, i aspectes més amplis de futures direccions de pre-tractament de reciclatge intel·ligent integrades amb aprenentatge automàtic. 1    Els passos de pre-tractament de la bateria retirada inclouen el condicionament de SOC, mesures físiques, aprenentatge automàtic per a diagnòstic de SOH, i el procés de presa de decisions de segona vida abans de la reutilització o el reciclatge. El condicionament de SOC es refereix a ajustar els valors de SOC de les bateries retirades a nivells desitjats utilitzant el mètode tradicional de corrent constant voltatge constant (CCCV).   L'esquema de l'autoencoder variacional atencional per a la generació de dades de resposta de tensió de pols.   L'ús pràctic del model de generació de dades per a l'estimació de SOH no requereix condicionament addicional de SOC. El model d'aprenentatge automàtic entrenat està supervisat per les dades generades i rep respostes de tensió de pols immediates quan es troba en la fase de desplegament.   Els beneficis econòmics i ambientals i la velocitat de generació ràpida de la nostra metodologia d'aprenentatge generatiu en estalviar costos de condicionament de SOC en l'escenari de retirada de bateries globals de 2030. a b c d Resultats Adquisició del conjunt de dades L'escassetat i l'heterogeneïtat de dades són reptes importants en el diagnòstic i pronòstic de bateries basats en dades, especialment per a bateries retirades. Hem recopilat 2700 mostres de 270 bateries retirades físicament en amplis nivells de SOC, és a dir, del 5% al 50% amb un gra de 5%. A la Fig.  , el conjunt de dades cobreix 3 tipus de materials de càtode prevalents, incloent-hi 119 bateries retirades NMC (òxid de níquel manganès cobalt), 56 LFP (fosfat de ferro i liti), i 95 LMO (òxid de liti manganès) recollides físicament, que abasten 3 formats físics (cilíndric, bossa, prismàtic) i 4 patrons d'ús històric (1 prova accelerada de laboratori, 3 usos de VE, incloent-hi 1 mode de propulsió purament elèctric i 2 modes de propulsió híbrida). Subratllem que la inclusió de mostres de prova altament heterogènies fa que el nostre conjunt de dades sigui el conjunt de dades més gran basat en pols ràpida per a l'estimació de SOH de bateries retirades fins ara, facilitant la generalitzabilitat del model més enllà dels conjunts de dades físicament mesurats. 2a    El gràfic Sankey per a la distribució de bateries retirades, comprèn tipus de materials de càtode, formats físics, dissenys de capacitat i usos històrics.   Corrent de pols i la resposta de tensió subseqüent de les bateries retirades, on les característiques s'extreuen dels punts de gir, és a dir, els punts amb derivada segona zero de la corba de resposta de tensió. S'extreuen els 21 punts de característiques, d'U1 a U21. La freqüència d'enregistrament de les dades brutes és de 100 Hz. El temps de repòs és de 25 segons entre cada pols en taxa C. Tingueu en compte que el terme C representa la càrrega (descàrrega) quan es realitza una càrrega (descàrrega) d'1 hora. La temperatura ambient es controla a 25 .   La distribució de l'estat de salut (SOH) (ajust Gaussiana) de les bateries retirades de 2.1 Ah i 21 Ah per a il·lustració, respectivament. Per a la distribució de SOH d'altres tipus de bateries, es pot consultar la Fig. Suplementària  .   La relació entre la resposta de tensió de pols mesurada i el SOH calibrat de la prova de calibratge de capacitat, amb condicions d'estat de càrrega (SOC) variables. S'il·lustra la primera dimensió de característica, U1.   La il·lustració del cas de generació de dades d'interpolació i extrapolació sota diferents distribucions de SOC de retirada de bateries. La configuració detallada de la prova es troba a les Notes Suplementàries 1 i  , tenint en compte que la configuració de la taxa C és idèntica entre els tipus de materials de càtode. Les dades de font es proporcionen com a fitxer de dades de font. a b c 1 d e 2 A diferència del tradicional corrent constant voltatge constant (CCCV), la prova de pols no infligeix un temps de prova llarg ni danys addicionals a les bateries retirades. Per tant, utilitzem els resultats de CCCV com a valors de capacitat de referència per a SOH. Les dades de proves de pols s'utilitzen com

Part of HackerNoon's growing list of open-source research papers, promoting free access to academic material.

Aquest àudio és produït a l'idioma original de la història!

IA generativa impulsa la reutilització sostenible de bateries de ions de liti retirades

About Author

COMENTARIS

Etiquetes penjant

AQUEST ARTICLE VA SER PRESENTAT A

Related Stories

TON Game ‘BANANA’ Hits 1M Users In 72 Hours

The Jewel Robbery at the Grand Metropolitan

Startups of The Year: Meet the Commerce Industry

How to Turn Year-End Reflections into Q1 Content Gold

TON Game ‘BANANA’ Hits 1M Users In 72 Hours

The Jewel Robbery at the Grand Metropolitan

Startups of The Year: Meet the Commerce Industry

How to Turn Year-End Reflections into Q1 Content Gold

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps