- 美國科學家識別出近 63,000 種固態電池材料。
- IonNet 能預測鋰離子在固體材料中的移動效率。
- 研究團隊成功確認 13 種快速離子導體材料。
- 新方法能顯著節省計算資源，優先篩選候選材料。
美國科學家已識別出近 63,000 種有前景的材料，這些材料有助於推進固態電池技術，加速安全性更高、性能更佳的能源儲存裝置的開發。康奈爾大學的研究人員利用一種名為 IonNet 的人工智能 (AI) 框架，對數百萬種可能的材料進行搜索，以尋找快速離子導體，這是固態電池中的關鍵組件。固態電池用固體材料取代了傳統鋰離子電池中的易燃液體電解質。然而，發現能夠讓鋰離子快速移動的固體材料仍然是一個主要挑戰。
根據研究人員的説法，IonNet 能夠根據材料的化學成分預測鋰離子在固體材料中的移動效率。
IonNet 的創新預測能力
康奈爾大學的教授及研究共同作者 You Fengqi 表示：「大多數針對材料的 AI 模型需要可靠的晶體結構，而這些結構往往無法獲得，特別是對於新材料或實驗報告的化合物。IonNet 即使在缺乏精確晶體結構的情況下，也能根據化學成分預測離子運動性。」研究人員最初將 IonNet 應用於約 4,500 種穩定化合物，識別出 87 種潛在的快速離子導體。隨後，將搜索擴展至五百萬種替代化學成分，系統發現了 63,000 種具備潛在快速離子導體特性的候選材料。
為了驗證 AI 的預測是否經得起更嚴格的測試，團隊選擇了約 20 種候選材料進行基於物理的模擬。他們成功確認了 13 種為快速離子導體。You 表示，這種新方法能夠顯著節省計算資源，因為它能在進行昂貴的模擬或實驗之前，過濾掉不太有前景的材料。他強調，僅對一種材料進行物理模擬可能需要數萬小時的 CPU 時間。「雖然 IonNet 無法取代實驗或高級模擬，但它是一個快速的前端，能在投入重大實驗或計算資源之前優先篩選候選材料。」
新電池設計的突破
IonNet 還能識別與快速鋰離子運動相關的化學設計規則，這將使研究人員更好地理解為何某些材料的性能更佳。在另一項涉及 You 實驗室及波多黎各大學–裏奧皮德拉斯校區的研究中，科學家們展示了改變離子周圍化學環境可以提高濃度電池的電壓。這些非常規電池是利用電解質成分的差異而非不同電極材料來產生電力。先前預計其電壓不會超過 0.06 伏特 (V)。然而，研究小組設計了離子與周圍分子相互作用的方式，將基於鋅和銅的濃度電池的電壓提升至 0.7 伏特，超過了先前假設的限制十倍以上。
一旦將電解質策略與傳統電極結合，團隊生產的水基電池運行電壓介於 2.2 伏特至 2.5 伏特之間。相比之下，典型的鹼性 AA 電池產生的電壓約為 1.5 伏特。You 在新聞稿中指出：「這些電解質研究的共同目標是將電池設計從試錯法轉向由 AI、化學和物理見解指導的理性設計。」這些研究已分別發表於《科學進展》和《自然通訊》期刊。
項目 規格 電壓範圍 2.2 – 2.5 伏特 電壓提升 0.7 伏特
IonNet 對固態電池研發的影響
IonNet 的出現為固態電池材料的發現提供了一種有效的途徑，尤其是在缺乏可靠晶體結構的情況下。這不僅加速了材料篩選過程，還能顯著減少計算資源的消耗。隨著固態電池技術的發展，這些新材料的潛力將有助於提升電池的安全性和性能，對未來能源儲存技術的進步具有重要意義。