迈向未来：如何实现对电池数据的统一描述？
电池数据在新材料开发、电池设计和制造过程等方面起着至关重要的作用。人工智能(AI)方法的最新进展，如机器学习(ML)，有望加速和提高人们对电池制造、性能和寿命的认识。人工智能方法需要大量的数据来实现有价值的预测。然而，由于所需的数据量非常庞大，人工智能的数据集可能包括由不同实验室或现场来源产生的数据。因此，实现对于电池数据的统一描述是非常关键的一步。
本体是一种数据模型，它将领域知识表示为概念图及其之间的关系。电池本体提供了一种有效的方法来统一不同领域的电池相关活动，加速人类和机器可读格式的知识流动，并支持将人工智能集成到电池开发中。此外，逻辑一致且扩展的本体对于支持电池数字化和标准化工作至关重要。
1、成果简介
挪威科技工业研究院（SINTEF）SimonClark等人总结了本体开发的现状、电池领域对本体的需求以及满足这一需求的当前活动。该研究以题目为“Towarda Unified Description of Battery Data”的论文发表在材料领域国际顶级期刊《AdvancedEnergy Materials》。
2、研究亮点
本文介绍了电池本体论的基本概念和框架模型，包括基本的多角度材料本体论（EMMO）、电池界面本体论(BattINFO)和电池价值链本体论（BVCO）。本体论为创建电池领域的通用概念并将其应用于电池数据的语义注释提供了一个很好的工具，为研究人员和工程师提供了从他们的数据中获得最大价值的工具。
3、图文导读
【图1】本体以及它的各个方面和应用的概念概述。
本体的各个方面和应用的概述如图1所示。本体的核心是一种用机器可读代码形式化的知识模型。本体的各个方面包括注释，它们提供了概念的上下文和相关解释。然后使用关系将概念连接到一个逻辑层次结构中。本体提供了一个共同的概念化和一致的词汇表来描述一个领域。它的应用程序包括（但不限于）软件设计、数据互用性和自动化。
【图2】本体的层次结构集合的概述
图2使用葡萄藤隐喻说明了本体层次结构的概念。这个组织层次结构通常被分为四个级别：顶级、中级、域级和应用级。顶级本体包含层次结构中所有本体所共享的共同定义和理论基础。顶层本体通常很小，只包括基本概念和定义良好的逻辑理论。中级本体扩展了多个领域之间共享的概念。域级本体描述了一个特定的学科或领域。域本体在域内提供了一种通用的语言。应用级本体占据最低级别，并定义特定于应用的概念。
【图3】在EMMO中定义的物理、材料表征和建模之间的多学科联系的简化概念概述
今天开发电池领域本体的主要活动利用基本的多角度材料本体论（EMMO）作为顶级本体。图3显示了在EMMO中定义的多学科联系的简化概念概述。为了便于讨论，这些学科被分为三个概念上的“世界”：物理世界、物质表征世界和建模世界。在物理世界中，材料是根据它们的成分和物理特性来描述的。材料表征世界将测量的一般过程本体化。在建模世界中，模型被定义为由物理方程和材料关系组成。EMMO的开发和使用得到了欧洲材料建模委员会(EMMC)的支持，该委员会旨在使材料建模更贴近行业需求。EMMC的一个核心焦点是促进跨不同技术领域的数据和模型的互用性。
【图4】BattINFO中描述电池的一些核心概念的简化概述
电池界面本体(BattINFO)是一个关于电池单元及其材料界面的域级本体。图4显示了BattINFO中一个电极的基本关系。电极必须包含一个或多个支持电子传导的部分，它必须与相邻的介质（电解质）接触，并且它必须支持界面的载流子交换（通过电化学反应）。可以假定，电极必须保持物理完整才能发挥作用。因此，电极必须包含部分具有电子导电性的材料，并参与与相邻介质的电化学反应。在BattINFO中，这种材料被称为活性电化学材料。
【图5】BattINFO中电解质关系概述
图5显示了BattINFO中一些电解质关系的简化概述。电解质是电化学系统中最重要、最复杂的材料之一。它可以采取多种不同的形式，包括电解溶液（使用水溶液或有机溶剂）、离子导电凝胶、聚合物膜或固态陶瓷材料。然而，电解质设计的某些方面是所有电解质共同的，而不管它们的确切组成如何。电解质是一种电子绝缘和离子导电的材料。它们必须抵抗电子的流动，以迫使它们通过外部电路，同时也必须穿梭离子，以维持电极上的电化学反应。
【图6】BattINFO中测量过程的本体化关系概述
BattINFO 中测量过程的本体化关系概述如图6所示。产生电池相关数据的测量可以来自各种各样的仪器，从常见的实验室仪器到超级工厂生产线中的设备或同步加速器等大型国家研究基础设施。对这个多样化领域的整体进行本体化需要与其他领域本体的合作。在其早期开发中，BattINFO专注于对BIG-MAP（电池接口基因组-材料加速平台，欧盟新项目）中使用的研究和工业基础设施所需的测量仪器进行本体化。BattINFO中的电池测量仪器分类定义了仪器在测量过程中的角色和属性。这些仪器测试结果产生了必须量化的测量结果。
【图7】Butler-Volmer方程和 Nernst方程中耦合电化学关系的量的简化概述
图 7显示了用于对Nernst 和Butler-Volmer方程进行本体化的关系的简化概述。在BattINFO中包含这些允许机器推断所涉及的数量的描述。例如，即使电极平衡电位没有明确出现在Butler-Volmer方程中，但使用表面过电位的关系可以阐明其是与Nernst方程的耦合点。尽管在电化学领域工作的人们很清楚这一点，但以机器可读的格式表达这些关系为未来的计算电池研究工作铺平了道路。
【图8】电池价值链定义概述。箭头从主体指向客体。
电池价值链本体论（BVCO）是一个针对电池价值链的域本体，包括原材料、制造和回收利用。图8显示了BVCO中电池价值链中定义的工艺步骤的概述。价值链从开采锂矿、钴矿等电池原料开始。然后将电池原料传递给电池原料精炼过程，并进行精炼和净化，用于电池制造。所制造的电池被用于某些应用中，如电动汽车。在电池寿命结束时，废电池被送往电池回收过程中，回收原材料、精炼材料甚至部件，循环重新开始。
【图9】BVCO-BattINFO电池制造子流程的简化概述
图9显示了一些电池制造子流程的简化概述，这些子流程与电池的BattINFO定义相一致。电池制造的基本步骤（对于所有化学物质和电池类型都是通用的）是基本组件的生产：电极、电解质和隔膜。BVCO将所制造的组件与组件本身区分开来。例如，根据BattINFO中电极的定义，电极中的活性电化学材料必须与某些电解质接触。在制造过程的范围内，打算用作电极的制造对象被称为“制造电极”。只有在电池制造步骤中注入电解质后才成为电极。
总之，BVCO将物理材料部件定义为制造过程的结果（制造部件）。BattINFO定义了功能电化学系统中的功能部件。在某些时间点，这两种本体和概念之间存在着过渡，例如在制造过程中，电池充满电解质；在回收利用过程中，去除电解质。
4、总结和展望
电池行业的未来取决于数据。数据推动了新电池材料的发现，优化了制造和性能之间的联系，它为工程师们对自己产品的健康和使用寿命提供了关键的见解，它使回收者能够有效地回收原材料。在世界各地，电池研究实验室和超级工厂正在产生前所未有的丰富的电池数据。然而，电池领域迄今为止只利用了其全部潜力的一小部分。要充分获取潜力，这些数据必须具有互用性。由不同制造商制造的不同设备产生的数据应该能够被网络上的不同计算机无缝地交换和理解。要实现这一目标，就需要开发一种通用的机器可读语言来注释电池数据。本体论为创建电池领域的通用概念并将其应用于电池数据的语义注释提供了一个很好的工具，同时提供了一个完善的电池知识来源，为研究人员和工程师提供了从他们的数据中获得最大价值的工具。
参考文献
Simon Clark*, Francesca L.Bleken, Simon Stier, Eibar Flores, Casper Welzel Andersen, MarekMarcinek, Anna Szczesna-Chrzan, Miran Gaberscek, M. Rosa Palacin,Martin Uhrin, Jesper Friis Toward a Unified Description of BatteryData, Advanced EnergyMaterials.
DOI:10.1002/aenm.202102702
https://doi.org/10.1002/aenm.202102702