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編輯 | 蘿卜皮

未經(jīng)分類的「退役電池」具有不同的正極材料，由于其正極特定的性質(zhì)，阻礙了直接回收的采用。報(bào)廢電池的激增需要精確分類以實(shí)現(xiàn)有效的直接回收，但不同的運(yùn)營(yíng)歷史、不同的制造商以及回收合作者（數(shù)據(jù)所有者）的數(shù)據(jù)隱私問(wèn)題帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)展示了，從涵蓋 5 種陰極材料和 7 家制造商的 130 塊鋰離子電池的獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)集中，聯(lián)邦機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以對(duì)這些退役電池進(jìn)行分類，而無(wú)需依賴過(guò)去的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，從而保護(hù)回收合作者的數(shù)據(jù)隱私。

通過(guò)利用從報(bào)廢充放電循環(huán)中提取的特征，該團(tuán)隊(duì)的模型在同質(zhì)和異質(zhì)電池回收設(shè)置下分別表現(xiàn)出 1% 和 3% 的陰極排序誤差，這歸因于他們創(chuàng)新的 Wasserstein 距離投票策略。

從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，所提出的方法強(qiáng)調(diào)了精確電池分類對(duì)于繁榮和可持續(xù)回收行業(yè)的價(jià)值。這項(xiàng)研究預(yù)示著一種使用來(lái)自不同來(lái)源的隱私敏感數(shù)據(jù)的新范例，促進(jìn)分布式系統(tǒng)的協(xié)作和尊重隱私的決策。

該研究以「Collaborative and privacy-preserving retired battery sorting for profitable direct recycling via federated machine learning」為題，于 2023 年 12 月 5 日發(fā)布在《Nature Communications》。

鋰電池直接回收存在挑戰(zhàn)性

鋰離子電池（LIB）作為儲(chǔ)能器件，已成為從工業(yè)生產(chǎn)到日常生活的各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，成為公認(rèn)的技術(shù)路線。預(yù)測(cè)表明，到 2030 年，全球鋰離子電池生產(chǎn)規(guī)模將超過(guò) 1.3 TWh，屆時(shí)對(duì)電池不斷增長(zhǎng)的需求將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鋰和鈷等重要金屬資源的供應(yīng)量。

然而，目前鋰離子電池產(chǎn)品的平均壽命為 5-8 年，導(dǎo)致許多國(guó)家的退役電池即將激增。如果管理不當(dāng)，退役電池將導(dǎo)致不可持續(xù)的資源浪費(fèi)和不可逆的環(huán)境危害。鑒于這種情況，在我們面臨即將到來(lái)的鋰離子電池退役浪潮時(shí)，電池回收技術(shù)的發(fā)展顯得至關(guān)重要。

電池回收研究的最新進(jìn)展集中在火法冶金、濕法冶金和直接回收方法上。與火法冶金和濕法冶金方法相比，直接回收是一種獨(dú)特的方法。該過(guò)程不會(huì)對(duì)材料結(jié)構(gòu)造成二次損傷，能夠更高效地進(jìn)行結(jié)構(gòu)修復(fù)和性能恢復(fù)。此外，直接回收具有更高的盈利能力，因?yàn)樗梢越档湍茉聪摹p少溫室氣體排放和減輕環(huán)境足跡。

然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，電池回收商經(jīng)常遇到包含未知組件的鋰離子電池或由不同正極材料類型的混合物組成的電池模塊。考慮到直接回收可能在很大程度上是針對(duì)陰極的，這種復(fù)雜性使得直接回收的應(yīng)用無(wú)法實(shí)現(xiàn)退役電池的價(jià)值轉(zhuǎn)換。

需要強(qiáng)調(diào)的是，即使可以使用傳統(tǒng)的回收策略從混合正極材料類型中提取重要金屬，回收過(guò)程中不同正極材料之間的相互作用也會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。因此，了解回收方面的正極材料類型信息顯著影響直接回收路線的選擇，并最終提高產(chǎn)品質(zhì)量、盈利能力和可持續(xù)性。

聯(lián)邦機(jī)器學(xué)習(xí)是不錯(cuò)的解決方法

聯(lián)邦機(jī)器學(xué)習(xí)作為一種分布式和隱私保護(hù)范式，有潛力通過(guò)協(xié)作機(jī)器學(xué)習(xí)解決多方協(xié)作（相當(dāng)于電池?cái)?shù)據(jù)量和多樣性）和隱私問(wèn)題。在每次訓(xùn)練迭代中，分布式數(shù)據(jù)所有者利用其本地計(jì)算能力執(zhí)行本地訓(xùn)練，對(duì)訓(xùn)練后的模型參數(shù)/結(jié)果進(jìn)行加密，并將其上傳到中央?yún)f(xié)調(diào)器進(jìn)行聚合。

事實(shí)上，原始數(shù)據(jù)集永遠(yuǎn)不會(huì)離開(kāi)其各自的數(shù)據(jù)所有者，并且傳輸?shù)膮?shù)/結(jié)果經(jīng)過(guò)適當(dāng)加密以保護(hù)數(shù)據(jù)隱私。聯(lián)邦機(jī)器學(xué)習(xí)已在許多應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛研究，包括公共衛(wèi)生、臨床診斷、電子商務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)計(jì)算和智能電網(wǎng)。

這種方法可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)隱私保護(hù)協(xié)作，特別是對(duì)于那些數(shù)據(jù)訪問(wèn)受限的人來(lái)說(shuō)，徹底改變廣泛能源領(lǐng)域的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)研究范式。關(guān)于電池回收領(lǐng)域，聯(lián)邦機(jī)器學(xué)習(xí)假設(shè)有可能利用已經(jīng)存在但由于隱私問(wèn)題而無(wú)法共享的大量電池?cái)?shù)據(jù)。通過(guò)這種協(xié)作且保護(hù)隱私的范例，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、可擴(kuò)展性和通用性的退役電池分類，從而優(yōu)化回收電池的質(zhì)量和盈利能力。目前為止，還從未有過(guò)針對(duì)電池回收的聯(lián)邦機(jī)器學(xué)習(xí)研究的報(bào)道。

用于電池直接回收的新模型

在最新的研究中，清華大學(xué)的研究人員利用多個(gè)合作者的現(xiàn)有電池?cái)?shù)據(jù)（電池制造商、實(shí)際應(yīng)用運(yùn)營(yíng)商、學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)和第三方平臺(tái)）用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)退役電池進(jìn)行正極材料分類。

該團(tuán)隊(duì)的聯(lián)邦機(jī)器學(xué)習(xí)模型僅使用一個(gè)周期的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化特征提取過(guò)程進(jìn)行訓(xùn)練，而無(wú)需事先了解歷史操作條件。研究人員將聯(lián)邦機(jī)器學(xué)習(xí)模型的預(yù)測(cè)能力與基于本地?cái)?shù)據(jù)的獨(dú)立學(xué)習(xí)本地模型在同質(zhì)和異構(gòu)電池回收情況下的預(yù)測(cè)能力進(jìn)行了比較。

在均勻設(shè)置下，該團(tuán)隊(duì)獲得了 1% 的正極材料分選誤差；在異質(zhì)環(huán)境中，由于 Wasserstein 距離投票策略，研究人員獲得了 3% 的正極材料排序誤差。

這樣的準(zhǔn)確度是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的：（1）自動(dòng)探索顯著特征中的獨(dú)特模式，而不假設(shè)對(duì)歷史操作條件有任何先驗(yàn)知識(shí)；（2）使用他們提出的 Wasserstein 距離投票策略來(lái)糾正回收合作者之間的異構(gòu)數(shù)據(jù)分布。經(jīng)濟(jì)評(píng)估展示了準(zhǔn)確的退役電池分類對(duì)于使用直接回收的有利可圖的電池回收行業(yè)的相關(guān)性和必要性。

總的來(lái)說(shuō)，該方法可以補(bǔ)充現(xiàn)有的基于第一原理的回收路線研究范式在實(shí)際電池回收實(shí)踐中的應(yīng)用，其中退役電池是必要的，同時(shí)又難以分類。該工作啟發(fā)了利用來(lái)自多個(gè)數(shù)據(jù)所有者的現(xiàn)有數(shù)據(jù)，而不是額外耗時(shí)和昂貴的數(shù)據(jù)生成，以協(xié)作的方式開(kāi)發(fā)和優(yōu)化復(fù)雜的決策程序，如電池回收路線設(shè)計(jì)，同時(shí)保護(hù)隱私。