Vědci se obracejí na AI, aby navrhli lepší elektrolyty baterií
Návrh baterie se skládá ze tří částí. Potřebujete kladnou elektrodu, potřebujete zápornou elektrodu a – což je důležité – potřebujete elektrolyt, který pracuje s oběma elektrodami.
Elektrolyt je součást baterie, která přenáší ionty – částice nesoucí náboj – tam a zpět mezi dvěma elektrodami baterie, což způsobuje nabíjení a vybíjení baterie. Pro dnešní lithium-iontové baterie je chemie elektrolytů poměrně dobře definovaná. Pro budoucí generace baterií vyvíjených po celém světě a v národní laboratoři Argonne National Laboratory Ministerstva energetiky USA (DOE) je však otázka designu elektrolytu široce otevřená.
„Zatímco jsme uvězněni v konkrétním konceptu elektrolytů, který bude fungovat s dnešními komerčními bateriemi, pro baterie přesahující lithium-iontové baterie bude zásadní návrh a vývoj různých elektrolytů,“ řekl Shirley Meng, hlavní vědecký pracovník Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science (ACCESS) a profesor molekulárního inženýrství na Pritzkerově škole molekulárního inženýrství na Chicagské univerzitě.
"Vývoj elektrolytů je jedním z klíčů k pokroku, kterého dosáhneme, když se tyto levnější, trvanlivější a výkonnější baterie stanou realitou, a uděláme jeden významný krok k pokračování dekarbonizace naší ekonomiky."
V novém článku publikovaném v Science, Meng a jeho kolegové představili svou vizi designu elektrolytu v budoucích generacích baterií.
I relativně malé odchylky od dnešních baterií si podle Menga vyžádají přehodnocení konstrukce elektrolytu. Přechod z oxidu obsahujícího nikl na materiál na bázi síry jako hlavní součást kladné elektrody lithium-iontové baterie by mohl přinést významné výkonnostní výhody a snížit náklady, pokud vědci dokážou přijít na to, jak znovu nastartovat elektrolyt, řekl.
V případě jiných chemických látek než lithium-iontových baterií, jako je dobíjecí sodík-ion nebo lithium-kyslík, budou muset vědci podobně věnovat značnou pozornost otázce elektrolytu.
Jedním z hlavních faktorů, které vědci zvažují při vývoji nových elektrolytů, je způsob, jakým mají tendenci vytvářet mezifázi, která se nazývá interfáze a která využívá reaktivitu elektrod. "Interfáze jsou zásadní pro fungování baterie, protože řídí, jak selektivní ionty proudí do a z elektrod," řekl Meng. "Interfáze fungují jako brána ke zbytku baterie; pokud vaše brána nefunguje správně, selektivní transport nefunguje."
Krátkodobým cílem je podle týmu navrhnout elektrolyty se správnými chemickými a elektrochemickými vlastnostmi, které umožní optimální tvorbu mezifází na kladných i záporných elektrodách baterie. Nakonec se však výzkumníci domnívají, že mohou být schopni vyvinout skupinu pevných elektrolytů, které by byly stabilní při extrémních (vysokých i nízkých) teplotách a umožnily bateriím s vysokou energií mít mnohem delší životnost.
" Pevný elektrolyt pro plně pevnou baterii změní hru," řekl Venkat Srinivasan, ředitel ACCESS, zástupce ředitele Společného centra pro výzkum skladování energie a spoluautor článku. "Klíčem k polovodičové baterii je kovová anoda, ale její výkon je v současné době omezen tvorbou jehličkovitých struktur nazývaných dendrity, které mohou zkratovat baterii. Tím, že nalezneme pevný elektrolyt, který zabraňuje nebo inhibuje tvorbu dendritů, možná budete schopni realizovat výhody některých opravdu vzrušujících chemických látek v bateriích."
Aby vědci urychlili hledání průlomů v oblasti elektrolytů, obrátili se na sílu pokročilé charakterizace a umělé inteligence (AI), aby digitálně prohledali mnohem více možných kandidátů a urychlili tak pomalý a namáhavý proces laboratorní syntézy.
„Vysoce výkonné výpočty a umělá inteligence nám umožňují identifikovat nejlepší deskriptory a charakteristiky, které umožní přizpůsobený návrh různých elektrolytů pro konkrétní použití,“ řekl Meng. "Místo toho, abychom se v laboratoři dívali na několik desítek možností elektrolytů ročně, díváme se na mnoho tisíc s pomocí výpočtů."
"Elektrolyty mají miliardy možných kombinací složek - solí, rozpouštědel a přísad - se kterými si můžeme hrát," řekl Srinivasan. "Aby se toto číslo stalo lépe zvládnutelným, začínáme skutečně využívat sílu AI, strojového učení a automatizovaných laboratoří."
Automatizované laboratoře, o kterých Srinivasan hovořil, budou zahrnovat experimentální režim řízený robotem. Tímto způsobem mohou stroje bez pomoci provádět stále pečlivěji rafinované a kalibrované experimenty, aby nakonec určily, která kombinace komponent vytvoří dokonalý elektrolyt. "Automatizované objevování může dramaticky zvýšit výkon našeho výzkumu, protože stroje mohou pracovat nepřetržitě a snížit potenciál lidské chyby," řekl.
