Kiihdyttämällä kiinteän olomuodon paristojen läpimurtoja tekoälyllä

Nopeasti kasvava paristoteknologian maailma odotetaan olevan yli 100 miljardin dollarin arvoinen tulevina vuosina, kiitos sähköajoneuvojen (EV) kasvavan omaksumisen, erilaisten paristojen asennuksen ja datakeskusten käytön.

Lithium-ioni on suosituin paristotyyppi, joka kattaa massiiviset 44 % markkinaosuuuden. Li-ioni-paristot ovat latauskelpoisia paristoja, joita käytetään säännöllisesti nykyään, voittaen matkapuhelimia, kannettavia tietokoneita ja muita kuluttajaelektroniikkaa lisäksi EV- ja energiatallennusjärjestelmiä.

Vaikka lithium-ioni-paristot tarjoavat monia etuja kevyen luonteen, korkean johtavuuden ja korkean energiatiheyden suhteen, ne kohtaavat ongelmia käyttöiän suhteen. Turvallisuus on toinen suuri haaste, koska ne sisältävät herkän, nestemäisen elektrolyytin, joka voi syttyä tuleen, jos se vahingoittuu tai ylikuumenee.

Tämän seurauksena kiinteän olomuodon paristot (SSB) ovat nousseet vaihtoehtona nesteolmoisiin paristoihin (LSB), jotka hyödyntävät kiinteitä elektrolyytteja välttääkseen vuotoa tai kaasua.

Lisäksi turvallisuuden, nämä paristot tarjoavat etuja miniaturisoinnista, keveydestä, nopeasta latauksesta, erinomaisesta pakkaustehokkuudesta, laajasta lämpötila-alueesta ja pitkästä hyllyelinaikasta.

Kiinteän olomuodon paristot eivät ole uusi keksintö. Ne esiteltiin ensimmäisen kerran 1800-luvulla, mutta huolimatta siitä, että ne ovat olleet olemassa niin kauan, ne eivät ole saavuttaneet laajaa soveltamista. Tämä muuttuu kuitenkin hitaasti sähköistymisen kasvavan suuntauksen ja tarpeen parempien ja turvallisempien vaihtoehtojen kehittämiseksi laajalti hyväksyttyjen Li-ioni-paristojen sijaan.

Tutkijat ympäri maailmaa työskentelevät ahkerasti kiinteän olomuodon paristojen ymmärtämiseksi ja parantamiseksi tulevaisuuden voimavaraksi. Jotkut viimeaikaiset, merkittävät tutkimukset, jotka on tehty tässä alalla, ovat seuraavat:

Tutkijat Missourin yliopistosta tekivät syvän analyysin kiinteän olomuodon paristojen ongelmista ja keinoista niiden voittamiseksi auttaakseen SSB:itä toteutumaan.

He käyttivät 4D-skannaus-transmissioelektronimikroskopiaa (STEM) analysoimaan pariston atomirakennetta purkamatta sitä ja totesivat, että interfase-kerros oli ongelman lähde.

SSB:issä kiinteä elektrolyytti, joka koskettaa anodia, johtaa reaktioon, joka muodostaa 100 nm paksun interfase-kerroksen. Vaikka tämä kerros on 1000-kertaa ohuempi kuin yksittäinen hiussuoni, se estää litium-ionien ja elektronien vaivattoman siirtymisen, mikä lisää resistanssia ja vahingoittaa pariston suorituskykyä.

Tämän havainnon jälkeen apulaisprofessori Matthias Young aikoo testata, voivatko hänen laboratorionsa erikoistumisalat, ohuet kalvot, jotka luodaan oksidatiivisella molekyylkerroskasvatusmenetelmällä (oMLD), muodostaa suojakaltevia ja auttaa estämään kiinteän elektrolyytin ja anodimateriaalien reagointia toisiinsa.

Tutkijat Tokion yliopistosta löysivät uusia materiaaleja turvallisille, suorituskykyisille SSLIB-elektrolyyteille.

Materiaali (Li1.25La0.58Nb2O6F) on erittäin stabiili ja näyttää kokonaisen ionisen johtavuuden 3,9 mS cm⁻¹ huoneenlämmössä, mikä on korkeampi kuin aiemmin raportoitu oksidipohjaiset kiinteät elektrolyytit, ja se on erittäin alhaisella aktivaatioenergialla.

Lisäksi, jos se vahingoittuu, se ei syty, mikä tekee uudesta materiaalista soveltuvan sovelluksiin, joissa turvallisuus on kriittinen. Käytettävissä olevan korkeiden lämpötilojen ja nopean latauksen tukeminen tekee siitä sovellettavan korkean kapasiteetin sovelluksiin, kuten sähköajoneuvoihin.

Tutkijat Osakan metropolialueen yliopistosta kehittivät Na2.25TaCl4.75O1.25:n uudeksi kiinteäksi elektrolyytiksi.

Tutkijat olivat aiemmin kehittäneet kiinteän elektrolyytin NaTaCl6, joka on natriumkloridin ja tantaalikloridin yhdistelmä. Tällä kertaa tutkijaryhmä lisäsi tantaalipentoksidia (Ta2O5) siihen, mikä auttoi heitä saavuttamaan korkean johtavuuden huoneenlämmössä.

Se näyttää myös korkean muovattavuuden ja korkeamman elektrokemiallisen stabiilisuuden kuin perinteiset kloridit.

Tutkijat Illinoisin yliopistossa Urbana-Champaignissa totesivat, että helikaalirakenne lisäsi merkittävästi kiinteän olomuodon peptidipolymeerelektrolyyttien johtavuutta verrattuna “sattumanvaraiseen” vastineisiin, ja pidemmät helikat johtivat korkeampaan johtavuuteen. Lisäksi helikaalirakenne lisäsi aineen yleistä stabiilisuutta jännitteeseen ja lämpötilaan.

Tämä on sama heliksi, jota tavataan biologisissa peptideissä. Sen valmistus peptidistä tarkoittaa, että kun paristo saavuttaa eliniän lopussa, materiaali voidaan hajottaa takaisin yksittäisiin monomeereihin happamalla tai entsyymeillä, ja aloitusmateriaalit voidaan sitten palauttaa ja uudelleenkäyttää, mikä tekee siitä ympäristöystävällisen.

Tutkijat loivat myös ensimmäisen anodittoman natriumkiinteän olomuodon pariston, jossa on stabiili syklingi useita satoja syklejä. Halpa, suurikapasiteettinen, nopeasti latautuva paristo voi auttaa puhdistamaan taloutta.

Anodin poistaminen vaati innovatiivisen arkkitehtuurin, joten tutkijaryhmä loi virtalähteen alumiinipulverista, joka voi virrata kuin neste, ja se ympäröi elektrolyytin.

Ajan myötä, kun tutkijat työskentelevät kiinteän olomuodon paristojen kehittämiseksi, he käyttävät yhä enemmän tekoälyä.

Kiinteän olomuodon paristot ovat lupaava ratkaisu, mutta niiden kehittäminen kohtaa merkittäviä teknisiä haasteita. Mitä SSB-kehitys tarvitsee, on parantaa kiinteän olomuodon elektrolyytin (SSE) suorituskykyä.

Tästä syystä tutkijat kehittävät uusia SSE-materiaaleja, joilla on korkea ioninen johtavuus, stabiilisuus ja syklinen elinikä. SSE on yksi pariston tärkeimmistä komponenteista, ja sen tehtävänä on siirtää varauksenkantajia, ioneja, pariston kahden elektroodin välillä, mikä aiheuttaa pariston lataamisen ja purkamisen.

SSE:n suorituskyvyn parantamiseksi tarvitaan korkean suorituskyvyn SSE-materiaalien kehittäminen, mikä avaa kiinteän olomuodon paristojen täyden potentiaalin.

Metallioksidit ja sulfidit ovat joitakin laajimmin tutkituista materiaaleista lupaavina SSE:inä. Tässä yhteydessä hydridien tutkiminen SSE:inä, jotka näyttävät korkeaa redox- ja mekaanista stabiilisuutta ja keskivertaisen divalenttisen ionisen johtavuuden huoneenlämmössä, on erittäin hyödyllistä.

Hydridit ovat osoittaneet suuren lupaavuuden SSE-kehityksessä korkean ionisen johtavuutensa ja matalan aktivaatioenergiansa ansiosta. Metallihydridit tarjoavat erityisiä etuja vetyatomin kevyen massan vuoksi.

Kuitenkin vetyatomin kevyys ja divalenttisten hydridien monimutkainen käyttäytyminen aiheuttavat haasteita synteesissä ja rakenteellisessa karakterisoinnissa, korostaa nykyisten kokeellisten menetelmien rajoituksia.

Haasteena on, että kokeellinen SSE-löytäminen perustuu tehokkaasti virheen ja kohtalon menetelmiin. Tätä varten tarvitaan laskennallista tutkimusta ymmärtääkseen ionien siirtymismekanismeja ja löytääkseen uusia kiinteän olomuodon elektrolyyttejä.

Teoreettiset lähestymistavat tarjoavat usein systemaattisemman ja nopeamman tavan tutkia materiaalien ominaisuuksia. Edistysaskeleet suurissa kielimalleissa (LLM) ovat edelleen parantamassa dataohjattuja menetelmiä ja teoreettisia ennusteita.

Kuitenkin saada korkea tarkkuus teoreettisissa menetelmissä on haasteellista SSE-materiaalien monimutkaisuuden vuoksi. Nykyisen tutkimuksen painopiste yhdessä materiaalissa tai menetelmässä rajoittaa myös SSE:iden kattavaa ymmärrystä.

Miten voimme parantaa teoreettisia näkemyksiä suunnitellaksemme tehokkaampia kokeita? Mitä optimaalista työnkulkua, joka yhdistää teoreettisen mallinnuksen kokeelliseen validointiin, voimme käyttää?

Vastaus piilee laskennallisen ja kokeellisen tiedon yhdistämisessä.

Jotta voidaan päästä divalenttisten SSE:iden esteiden yli, jotka lupaavat suorituskykyisiä kaikki-kiinteän-olomuodon paristoja (ASSB), tutkijat kehittivät uuden integroidun työnkulun, joka yhdistää datakaiverruksen, tekoälyohjatun analyysin, koneoppimisen regressiot, globaalin rakenteen etsinnän, ab initio -metadynamiikkasimulaatiot (MetaD) ja teoria-koevertailun.

Tämä tutkimus pyrkii parantamaan ymmärrystämme divalenttisista SSE:istä ja tarjoamaan vankilan kehyksen uusien SSE-ehdokkaiden ennustamiseksi ja suunnittelua varten. Vastavuoroisesti se kiihdyttää optimoiden SSE-vaihtoehtojen löytämistä kehittääkseen toimivia energiatallennusratkaisuja.

Kohti seuraavan sukupolven SSB:itä kestävien energiaratkaisujen luomiseksi, tutkijat Tohokun yliopistosta kehittivät dataohjatun tekoälymallin.

Mallin kehittäminen poikkeaa perinteisestä lähestymistavasta, joka kokeilee kunkin materiaalin ja määrittää polut yksitellen. Tämä malli tunnistaa potentiaaliset kiinteän olomuodon elektrolyytti (SSE) -ehdokkaat, jotka voisivat olla “se oikea” luomaan ihanteellisen kestävän energiaratkaisun.

Malli, jonka tutkijaryhmä kehitti, ei ainoastaan valitse optimaalisia ehdokkaita vaan voi myös ennustaa, miten reaktio tapahtuu. Lisäksi se kertoo, miksi tietty ehdokas on hyvä valinta antamalla näkemyksiä potentiaalisista mekanismeista, auttaen tutkijoita aloittamaan ennen kuin he astuvat laboratorioon.

Professori Hao Li Advanced Institute for Materials Research -yksiköstä totesi:

“Malli tekee kaiken vaivaisen työn meidän puolesta. Se piikittelee suuren tietokannan kautta aiemmista tutkimuksista etsimään parasta SSE-ehdokasta.”

Edistynyt tekoälymalli tutkijaryhmältä integroituu suuren kielimallin (LLM) kanssa, joka on tietyn tyyppinen koneoppimismalli, joka on esikoulutettu valtavilla määrillä dataa. LLM:t tunnetaan erinomaisesta kyvystään prosessoida, ymmärtää ja generoida ihmisen kieltä.

Yhdistämällä muita dataohjattuja menetelmiä, ennustemalli piikittelee sekä laskennallisista että kokeellisista tietoja. Tällä tavoin tutkimus tarjoaa tutkijoille vankilan vaihtoehdon, jolla on menestyksekkäin lopputulos.

Lisäksi auttaa kiihdyttämään korkean suorituskyvyn, kestävien kiinteän olomuodon paristojen kehittymistä, tutkimus pyrkii ymmärtämään monimutkaisia rakenteen ja suorituskyvyn suhteita SSE:issä. Tämä suhde kattaa tekijöitä, kuten ionisen johtavuuden, stabiilisuuden ja yhteensopivuuden elektrodeiden kanssa, ja se tutkitaan usein laskennallisella mallinnuksella, kokeellisella analyysillä ja dataohjatuilla lähestymistavoilla.

Malli, jonka tutkijaryhmä kehitti, ennustaa myös aktivaatioenergioita, kiinnittää stabiileja kiteisiä rakenteita ja parantaa tutkijoiden työnkulkua. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että MetaD on erinomainen laskennallinen menetelmä, joka osoittaa merkittävää sopimusta kokeellisten tietojen kanssa monimutkaisille hydridi-SSE:ille.

Tutkijat ovat myös tunnistaneet uuden ioninsiirtojärjestelmän. “Kahden vaiheen” mekanismi on havaittu sekä SSE:issä, jotka johtuvat neutraalisten molekyylien yhdistymisestä.

Yhdistämällä ominaisuusanalyysin useiden lineaaristen regressioiden kanssa, tutkijaryhmä pystyi kehittämään tarkan ennustemallin hydridi-SSE-suorituskyvyn nopeaan arviointiin. Ennätyksellisesti malli mahdollistaa tarkan ennusteen ehdokasrakenteista ilman kokeellisia syötearvoja.

Yleisesti ottaen tutkimus tarjoaa erinomaisia näkemyksiä sekä edistyneitä menetelmiä seuraavan sukupolven kiinteän olomuodon paristojen tehokkaaseen suunnitteluun ja optimointiin.

Mutta nämä ovat vain alkuvaiheet kestävien energiaratkaisujen luomiseksi, ja tutkijaryhmä aikoo laajentaa mallinsa soveltamista eri elektrolyyttiperheisiin. Tutkijaryhmä odottaa, että generatiiviset tekoälytyökalut ovat hyödyllisiä ionien siirtymisteiden ja reaktiomekanismien tutkimisessa, parantaen alustan ennustuskykyä.

Kun on kyse investoinnista kiinteän olomuodon paristomarkkinoilla, QuantumScape on edelläkävijä, suurimpana toimijana, joka keskittyy lithium-metalliteknologiaan. Sen patentoidtu kiinteäkeramiikkaerottimen suunniteltiin parantamaan energiatiheyttä, latausnopeutta ja turvallisuutta estämällä kriittisiä ongelmia, kuten dendriittien muodostumista, joka on rajoittanut lithium-metallianodin omaksumista.

QuantumScape Corporation on kehittänyt SSB-teknologiaa sähköajoneuvojen tarpeisiin ja aikoo tulla alkuperäiseksi laitteistonvalmistajaksi (OEM). Se on jo solminut kumppanuuksia suurten autonvalmistajien, kuten Volkswagen Groupin ja sen tytäryhtiön PowerCon, kanssa.

Vaikka se kohtaa haasteita kaupallistamisessa, QuantumScape on edelleen suuri nimi alalla. Viime vuonna se aloitti erilaisten SSB-tuotteidensa näytteiden tuotannon ja aikoo tuottaa vielä enemmän tänä vuonna.

Sen markkina-arvo on 2,2 miljardia dollaria, ja QS-osakkeet kaupataan tällä hetkellä 3,90 dollarin hinnalla, mikä on laskenut yli 25 % vuoden alusta. Sen TTM-EPS on -0,91, ja P/E (TTM) on -4,30.

Tänä vuonna yhtiö aikoo tuoda Cobra-erottimen prosessin perusproduktioon, parantaa QSE-5-näytteiden laatua ja tuotantoa ja toimittaa QSE-5-soluja osoittamaan sen erinomaisia suorituskykyominaisuuksia todellisessa sovelluksessa.

Johtopäätös:
Paristot ovat avainroolissa sähköisten laitteiden, sähköajoneuvojen ja energiajärjestelmien toiminnassa, ja niiden kehittämiseen tarvitaan seuraavan sukupolven energiamateriaaleja kestävän tulevaisuuden luomiseksi. Vaikka kiinteän olomuodon paristot tarjoavat lupaavan ratkaisun, niiden kehittäminen kohtaa merkittäviä teknisiä haasteita. Mitä SSB-kehitys tarvitsee, on parantaa kiinteän olomuodon elektrolyytin suorituskykyä.

Tästä syystä tutkijat kehittävät uusia SSE-materiaaleja, joilla on korkea ioninen johtavuus, stabiilisuus ja syklinen elinikä. SSE on yksi pariston tärkeimmistä komponenteista, ja sen tehtävänä on siirtää varauksenkantajia, ioneja, pariston kahden elektroodin välillä, mikä aiheuttaa pariston lataamisen ja purkamisen.

Tutkimus on edelleen alkuvaiheessa, mutta se osoittaa suurta potentiaalia toimivien, kestävien kiinteän olomuodon paristojen luomiseksi, jotka voivat voimalla tulevaisuuden energiaratkaisuja.