鈣鈦礦傳感器+機(jī)器學(xué)習(xí)，用于鋰離子電池氣體監(jiān)測(cè)

近年來，鋰離子電池的需求量出現(xiàn)爆發(fā)式增長。與此同時(shí)，由鋰離子電池?zé)崾Э匾l(fā)的重大事故層出不窮。在熱失控過程中，電池會(huì)不斷釋放大量有毒有害、易燃易爆的氣體。這些氣體不僅是熱失控的標(biāo)志性特征，也是火災(zāi)爆炸的罪魁禍?zhǔn)住榱烁玫乇O(jiān)測(cè)電池內(nèi)部產(chǎn)生的氣體，氣體傳感器成為一種重要的手段。但是，目前最流行的金屬氧化物氣體傳感器，其工作溫度超過200℃，不利于電池內(nèi)易燃易爆氣體的監(jiān)控。因此，迫切需要尋找能夠用于監(jiān)測(cè)鋰離子電池內(nèi)部氣體的室溫氣敏材料。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，鑒于此，中國礦業(yè)大學(xué)黃勝副教授團(tuán)隊(duì)在Sensors and Actuators A: Physical（IF=4.6, JCR Q1）期刊上發(fā)表題為“Machine Learning Prediction of Perovskite Sensors for Monitoring the Gas in Lithium-ion Battery”的研究文章，提出了一種通過機(jī)器學(xué)習(xí)和第一性原理計(jì)算相結(jié)合來探索目標(biāo)室溫氣敏鋰離子電池氣體監(jiān)測(cè)的策略。在這項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)以室溫氣敏材料乙酰丙酮銅配位的CsPbBr3（CsPbBr3_Cu）為例，選擇鋰離子電池中常見的11種氣體，研究氣體分子與CsPbBr3_Cu表面原子的相互作用，驗(yàn)證了該策略的正確性和可擴(kuò)展性（圖1）。通過第一性原理計(jì)算表明，不同氣體的吸附特征參數(shù)變化決定了電響應(yīng)行為的唯一性。隨后利用機(jī)器學(xué)習(xí)，將多個(gè)特征數(shù)據(jù)與Voting算法相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)85.71%的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，并證明了吸附能、能帶結(jié)構(gòu)和密度狀態(tài)等特征對(duì)載流子輸運(yùn)有較大影響，在氣敏性能預(yù)測(cè)中起主要作用。

圖1 用于監(jiān)測(cè)鋰離子電池中氣體的鈣鈦礦傳感器的機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)流程圖

研究團(tuán)隊(duì)選用乙酰丙酮銅對(duì)鈣鈦礦CsPbBr3進(jìn)行配位處理，以期利用CsPbBr3_Cu中的Cu-O鍵獲得更豐富的氣敏性能。由能帶結(jié)構(gòu)分析可知，CsPbBr3為直接帶隙半導(dǎo)體（圖2b）；乙酰丙酮銅分子帶隙為2.33 eV，呈現(xiàn)出高度局域化的能帶結(jié)構(gòu)（圖2d）。在乙酰丙酮銅配位的CsPbBr3中（圖2e），乙酰丙酮銅的吸附能為-1.64 eV，材料帶隙由2.50 eV降低到2.28 eV（圖2f），配位后產(chǎn)生明顯的缺陷能級(jí)（圖2g），在1.45 eV和2.60 eV下分別產(chǎn)生了峰值為11.29和11.47的雜化軌道，這表明乙酰丙酮銅的加入不僅可以提升體系的穩(wěn)定性，還能有助于電子躍遷，使CsPbBr3_Cu具有理論上成為優(yōu)異氣敏材料的潛力。

圖2 CsPbBr3、乙酰丙酮銅和CsPbBr3_Cu的弛豫結(jié)構(gòu)和電子性能

隨后，利用鋰離子電池工作中容易產(chǎn)生的HF、CO2、CO、H2、CH4等氣體，建立氣體吸附模型。每種氣體構(gòu)建了三種吸附位點(diǎn)不同的吸附模型，最終選取吸附能最低的結(jié)構(gòu)作為所有后續(xù)計(jì)算的基礎(chǔ)。為了深入研究吸附強(qiáng)度和電學(xué)性質(zhì)，計(jì)算了氣體分子的吸附能、吸附高度、吸附前后電荷轉(zhuǎn)移量、扭曲度、能帶變化、態(tài)密度等特征數(shù)據(jù)。DFT計(jì)算進(jìn)一步闡明了氣體吸附反應(yīng)的機(jī)制，表明了CsPbBr3_Cu氣敏材料在理論上會(huì)對(duì)HF、苯類、醚類、酯類、醛類和醇類產(chǎn)生氣敏響應(yīng)行為。

理論計(jì)算證明了不同氣體的吸附特征參數(shù)變化決定了電響應(yīng)行為的唯一性?；诖?，研究團(tuán)隊(duì)選擇了18個(gè)特征變量，對(duì)8種算法進(jìn)行評(píng)估，來智能識(shí)別CsPbBr3_Cu對(duì)特定分子是否具有氣敏行為（圖3a）。首先，對(duì)每個(gè)模型的樣本分類結(jié)果的輸出準(zhǔn)確率（圖3b）、AUC數(shù)值（圖3c）進(jìn)行了比較。結(jié)合多方評(píng)估，Voting的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)85.71%，其ROC曲線下的面積(AUC)為0.70，最終選擇Voting算法作為本工作模型。隨后對(duì)該模型進(jìn)行訓(xùn)練，Pearson相關(guān)系數(shù)（圖3d）證明了E_ads、H、VBM對(duì)分類具有顯著的影響程度，特征值重要性（圖3e）說明了E_ads、H和Y1是模型訓(xùn)練與預(yù)測(cè)的關(guān)鍵屬性，其驗(yàn)證集得到的混淆矩陣表現(xiàn)良好（圖3f），這均證明了這個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型魯棒性較好、適用性廣泛、準(zhǔn)確率較高。

圖3 機(jī)器學(xué)習(xí)模型應(yīng)用流程及數(shù)據(jù)分析

綜上所述，該工作以鋰離子電池的產(chǎn)氣行為為切入點(diǎn)，首次從氣體吸附理論的角度提出了尋找適合鋰離子電池的氣敏材料的研究思路。該策略利用第一性原理計(jì)算來解釋微觀物理化學(xué)性質(zhì)，并為氣敏機(jī)理提供理論框架。機(jī)器學(xué)習(xí)的使用彌補(bǔ)了傳統(tǒng)理論計(jì)算在時(shí)間成本高、工作量大、預(yù)測(cè)效率低等缺點(diǎn)?？傊?，采用機(jī)器學(xué)習(xí)與第一性原理計(jì)算相結(jié)合來智能識(shí)別氣敏材料的策略將為尋找用于鋰離子電池中危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)的氣敏材料提供新的視角。

同時(shí)，除了熱失控發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的氣體，鋰離子電池中電解液組分的有效監(jiān)測(cè)，也是監(jiān)測(cè)預(yù)警鋰離子電池安全性的方式之一。基于此，研究團(tuán)隊(duì)采用原位溶液方法，將有機(jī)金屬聚合物醋酸銦摻雜鈣鈦礦合成CsPbBr3@In NCs納米晶體，傳感器對(duì)電解質(zhì)中常見酯類氣體碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯和丁酸乙酯具有優(yōu)異的氣敏性能。室溫條件下對(duì)1500 ppm氣體靈敏度分別為0.27、0.21、0.50，檢測(cè)濃度寬至10 ppm~7000 ppm，且具有良好的穩(wěn)定性。通過密度泛函理論（DFT）揭示了CsPbBr3@In NCs的形成過程和目標(biāo)氣體識(shí)別機(jī)理。隨后結(jié)合智能算法ResNet18發(fā)現(xiàn)單一傳感器可以有效識(shí)別混合氣體濃度。采用數(shù)值模擬方法發(fā)現(xiàn)植入式傳感器感知?dú)怏w所需時(shí)間僅需3.1s比外置傳感器用時(shí)減少8.7倍，為傳感器的嵌入、貼附和集成到電池內(nèi)部監(jiān)測(cè)鋰離子電池安全健康狀態(tài)提供了思路及理論支撐。相關(guān)成果以論文“Room-temperature Smart Sensor based on Indium Acetate Functionalized Perovskite CsPbBr3 Nanocrystals for Monitoring Electrolyte in Lithium-ion Batteries”發(fā)表于期刊ACS Applied Materials & Interfaces (IF = 9.5, JCR Q1)。

圖4 氣敏測(cè)試結(jié)果

圖5 VGG16和ResNet18網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練結(jié)果

圖6 監(jiān)測(cè)流程示意圖

上述研究的通訊作者為中國礦業(yè)大學(xué)材料與物理學(xué)院黃勝副教授，第一作者分別為材料與物理學(xué)院本科生胡杜楠和安全工程學(xué)院博士生高丹紅。

審核編輯：劉清