Przyspieszanie przełomów w dziedzinie baterii półprzewodnikowych dzięki sztucznej inteligencji

Oczekuje się, że szybko rozwijający się świat technologii akumulatorowych będzie wart ponad 100 miliardów dolarów w nadchodzących latach, dzięki rosnąca adopcja pojazdów elektrycznych (EV), montaż różnego rodzaju baterii i zasilanie centrów danych.

Spośród różnych typów baterii najpopularniejsze są baterie litowo-jonowe, których udział w rynku wynosi aż 44%. Akumulatory litowo-jonowe to akumulatory, z których najczęściej korzystamy we współczesnym świecie, zasilając nasze telefony komórkowe, laptopy i inne urządzenia elektroniczne, a także pojazdy elektryczne i systemy magazynowania energii.

Chociaż baterie litowo-jonowe oferują wiele korzyści pod względem lekkości, wysokiej przewodności i wysokiej gęstości energii, mają problemy z żywotnością. Bezpieczeństwo to kolejne duże wyzwanie, ponieważ zawierają lotny, ciekły elektrolit, który może się zapalić w przypadku uszkodzenia lub przegrzania.

W rezultacie powstały baterie ze stałym elektrolitem (SSB) jako alternatywa dla baterii ze stałym elektrolitem (LSB), wykorzystujące stałe elektrolity w celu uniknięcia wycieków lub wydzielania się gazów.

Oprócz większego bezpieczeństwa, takie baterie oferują również korzyści wynikające z miniaturyzacji, są lekkie, ładują się szybciej, mają doskonałą wydajność pakowania, działają w szerokim zakresie temperatur i mają długi okres trwałości.

Baterie ze stałym elektrolitem nie są jednak nowym odkryciem. Po raz pierwszy wprowadzono je w XIX wieku, ale mimo że istnieją już tak długo, nie zyskały szerokiego zastosowania. To się w końcu zmienia wraz z rosnącym trendem elektryfikacji i potrzebą lepszych i bezpieczniejszych alternatyw dla powszechnie przyjętych baterii litowo-jonowych. 

W obliczu odnowionego zainteresowania tą technologią naukowcy optymalizują baterie ze stałym elektrolitem, stosując wielopłaszczyznowe podejście, które koncentruje się na materiałach, strukturze i projektowaniu interfejsu, a także wykorzystując techniki sztucznej inteligencji oparte na danych. 

Trwające prace nad udoskonaleniem SSB

Naukowcy na całym świecie ciężko pracują nad zrozumieniem i udoskonaleniem baterii półprzewodnikowych, aby zasilać przyszłość. Oto niektóre z ostatnich, wybitnych badań przeprowadzonych w tej dziedzinie:

Dekodowanie SSB

Naukowcy z University of Missouri dogłębnie przeanalizowali problemy związane z bateriami ze stałym elektrolitem i sposoby ich rozwiązania, aby baterie SSB stały się rzeczywistością.

Naukowcy wykorzystali skaningową transmisyjną mikroskopię elektronową 4D (STEM) do analizy struktury atomowej baterii bez jej rozkładania na części i odkryli, że źródłem problemu jest warstwa interfazowa.

W SSB stały elektrolit dotykający katody prowadzi do reakcji, która tworzy warstwę interfazy o grubości 100 nm. Chociaż ta warstwa jest 1,000 razy cieńsza niż nasz pojedynczy włos, blokuje ona płynny transfer jonów litu i elektronów, co zwiększa opór i pogarsza wydajność baterii.

Po dokonaniu tego odkrycia adiunkt Matthias Young planuje teraz sprawdzić, czy specjalizacja jego laboratorium, czyli cienkie warstwy tworzone w procesie zwanym utleniającym osadzaniem warstw molekularnych (oMLD), mogą tworzyć powłoki ochronne i pomagać w zapobieganiu wzajemnym reakcjom stałego elektrolitu i materiałów katody. 

„Powłoki muszą być wystarczająco cienkie, aby zapobiec reakcjom, ale nie tak grube, aby blokowały przepływ jonów litu” – powiedział. „Naszym celem jest utrzymanie wysokiej wydajności materiałów stałego elektrolitu i katody. Naszym celem jest używanie tych materiałów razem bez poświęcania ich wydajności na rzecz kompatybilności”.

Badanie potencjału LLZO jako stałego elektrolitu w SSLMB

Najnowsze badanie przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Tohoku miało na celu ocenę stałych elektrolitów typu granatu do stałych baterii litowo-metalowych (SSLMB), które są uważane za obiecującą technologię ze względu na ich potencjał poprawy wydajności energetycznej i bezpieczeństwa.

Wyniki wykazały, że korzyści wynikające z gęstości energii, jakie można oczekiwać od tych akumulatorów, mogą być w rzeczywistości przesadzone. 

Zgodnie z tym badaniem, bateria litowo-metalowa w stanie stałym (ASSLMB) z wiodącym kandydatem na stały elektrolit LLZO (tlenek litu, lantanu i cyrkonu) zapewnia jedynie marginalny wzrost gęstości energii w porównaniu z obecnymi bateriami litowo-jonowymi, przy jednoczesnym generowaniu wysokich kosztów produkcji i zmaganiu się z wyzwaniami produkcyjnymi.

Według badania, ASSLMB osiągnąłby gęstość energii grawimetrycznej na poziomie 272 Wh/kg, podczas gdy w przypadku akumulatorów litowo-jonowych jest to 250–270 Wh/kg, co sprawia, że ​​quasi-stałe elektrolity stałyby się bardziej realną alternatywą.

„Wszystkie baterie litowo-metalowe w stanie stałym były postrzegane jako przyszłość magazynowania energii, ale nasze badanie pokazuje, że projekty oparte na LLZO mogą nie zapewnić oczekiwanego skoku gęstości energii. Nawet w idealnych warunkach zyski są ograniczone, a koszty i wyzwania produkcyjne są znaczące”.

– Główny autor badania Eric Jianfeng Cheng z WPI-AIMR, Uniwersytet Tohoku

Choć ceniony za przewodnictwo jonowe i stabilność, kompleksowy model praktycznego akumulatora opartego na ogniwach LLZO podważył tezę, że znacząco zwiększa on gęstość energii. Nawet z ultracienkim separatorem ceramicznym LLZO i katodą o dużej pojemności, badanie wykazało, że wydajność akumulatora jest tylko nieznacznie lepsza niż najlepszych konwencjonalnych ogniw litowo-jonowych.

Gęstość LLZO jest tu kluczową kwestią, która zwiększa masę ogniw i zmniejsza oczekiwane korzyści energetyczne. Do tego dochodzi kruchość materiału, problemy z dendrytami litowymi, trudności z wytwarzaniem cienkich arkuszy bez defektów oraz puste przestrzenie na styku, co komplikuje implementację na dużą skalę. Według Chenga:

„LLZO to doskonały materiał z punktu widzenia stabilności, ale jego ograniczenia mechaniczne i ciężar stanowią poważne bariery utrudniające jego komercjalizację”.

W tym przypadku połączenie materiału z elektrolitami na bazie żelu lub polimerów wykazało lepszą stabilność długoterminową.

Odkrywanie obiecujących stałych elektrolitów

Naukowcy z Uniwersytetu Naukowego w Tokio odkryli również nowe materiały na potrzeby bezpiecznych i wydajnych interfejsów SSLIB.

„Stworzenie całkowicie stałych baterii litowo-jonowych było od dawna marzeniem wielu badaczy zajmujących się bateriami” — powiedział profesor Kenjiro Fujimoto, który zauważył, że odkryli stały elektrolit tlenkowy, który jest kluczowym składnikiem baterii ASSLIB. 

Materiał (Li1.25La0.58Nb2O6F) jest bardzo stabilny i wykazuje całkowitą przewodność jonową wynoszącą 3.9 mS cm⁻¹ w temperaturze pokojowej, co jest wartością wyższą niż w przypadku wcześniej opisywanych stałych elektrolitów tlenkowych, przy jednoczesnym zachowaniu wyjątkowo niskiej energii aktywacji.

Co więcej, jeśli ulegnie uszkodzeniu, nie zapali się, dzięki czemu nowy materiał nadaje się do zastosowań, w których bezpieczeństwo jest krytyczne. Możliwość stosowania w wysokich temperaturach i obsługa szybkiego ładowania sprawiają, że nadaje się również do zastosowań o dużej pojemności, takich jak pojazdy elektryczne.

„Zastosowanie tego materiału jest obiecujące w kontekście rozwoju rewolucyjnych baterii, które mogą działać w szerokim zakresie temperatur, od niskich do wysokich”.

– Prof. Fujimoto

W międzyczasie, pod koniec ubiegłego roku, naukowcy z Uniwersytetu Metropolitalnego w Osace opracowali Na2.25TaCl4.75O1.25 jako nowy stały elektrolit.

Naukowcy opracowali wcześniej stały elektrolit NaTaCl6, który jest połączeniem chlorku sodu i chlorku tantalu. Tym razem zespół dodał do niego pięciotlenek tantalu (Ta2O5), co pomogło im uzyskać wysoką przewodność w temperaturze pokojowej. 

Wykazuje również wysoką formowalność i wyższą stabilność elektrochemiczną w porównaniu do konwencjonalnych chlorków.

„Oczekuje się, że wyniki tych badań wniosą znaczący wkład w rozwój kompozytowych elektrolitów stałych, oprócz elektrolitów stałych szklanych i krystalicznych, które zostały opracowane do tej pory”.

– Asystent profesora Kota Motohashi ze Szkoły Podyplomowej Inżynierii

Obecnie naukowcy skupiają się na zilustrowaniu mechanizmu przewodnictwa jonowego w złożonych elektrolitach stałych, a także na opracowaniu większej liczby materiałów.

Zmiana struktury, usuwanie komponentów

Tymczasem naukowcy z University of Illinois Urbana-Champaign odkryli, że struktura helisy znacząco zwiększyła przewodnictwo stałych elektrolitów polimerów peptydowych w porównaniu do odpowiedników „losowych cewek”, przy czym dłuższe helisy prowadziły do ​​wyższej przewodności. Ponadto struktura helisy zwiększa ogólną stabilność materiału pod względem napięcia i temperatury.

„Wprowadziliśmy koncepcję wykorzystania struktury drugorzędnej – helisy – do projektowania i udoskonalania podstawowej właściwości materiałowej, jaką jest przewodnictwo jonowe w ciałach stałych”.

– Kierownikiem badań jest profesor Chris Evans

To ta sama helisa, którą można znaleźć w peptydach w biologii. Wykonanie z peptydów oznacza, że ​​gdy bateria osiągnie koniec swojego okresu użytkowania, materiał można zdegradować z powrotem do pojedynczych jednostek monomerowych za pomocą kwasu lub enzymów, a materiały wyjściowe można odzyskać i ponownie wykorzystać, co czyni ją przyjazną dla środowiska.

W kolejnym ciekawym badaniu naukowcy stworzyli pierwszą bezanodową baterię sodową ze stałym stanem skupienia, która może pracować przez kilkaset cykli. Niedroga, szybko ładująca się bateria o dużej pojemności może pomóc w dekarbonizacji gospodarki.

Usunięcie anody wymagało innowacyjnej architektury, więc zespół stworzył kolektor prądu wykorzystujący proszek aluminiowy, który, choć jest ciałem stałym, może płynąć jak ciecz, otaczający elektrolit.

„Baterie sodowe ze stałym elektrolitem są zazwyczaj postrzegane jako technologia odległej przyszłości, ale mamy nadzieję, że niniejszy artykuł może pobudzić dalsze działania w obszarze sodu, pokazując, że rzeczywiście mogą one działać dobrze, a w niektórych przypadkach nawet lepiej niż wersja litowa”.

– Pierwszy autor Grayson Deysher, doktorant na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego

Czas na wykorzystanie sztucznej inteligencji do szybkiego znalezienia najlepszych kandydatów na stałe elektrolity

W obliczu szeroko zakrojonych badań nad różnymi aspektami baterii ze stałym elektrolitem, zwłaszcza elektrolitami, które mają na celu udoskonalenie ich i zwiększenie ich popularności, naukowcy sięgają obecnie po sztuczną inteligencję.

Elektrolit jest jednym z najważniejszych elementów akumulatora. Przenosi on cząsteczki niosące ładunek, zwane jonami, między dwiema elektrodami akumulatora, powodując ładowanie i rozładowywanie akumulatora. 

Stąd nacisk położony jest na poprawę wydajności elektrolitu stałego (SSE), co wiąże się ze zwiększeniem przewodnictwa jonowego, stabilności i żywotności cyklu. Jednak ograniczenia obecnych materiałów utrudniają osiągnięcie tych ulepszeń. 

Aby sprostać tym wyzwaniom, konieczne jest opracowanie wysokowydajnych materiałów SSE, które pozwolą w pełni wykorzystać potencjał baterii ze stałym elektrolitem.

Tlenki i siarczki metali to jedne z najpowszechniej badanych materiałów jako obiecujące SSE. Tutaj szczególnie korzystne jest przyjrzenie się wodorotlenkom jako SSE, które wykazują wysoką stabilność redoksową i mechaniczną oraz średnią dwuwartościową przewodność jonową w temperaturze otoczenia. 

Dzięki wysokiej przewodności jonowej i niskiej energii aktywacji, hydridki wykazały się dużym potencjałem w rozwoju SSE. Tymczasem hydridki metali oferują wyraźne korzyści ze względu na lekką masę atomów wodoru. 

Jednakże niewielka masa wodoru i złożone zachowanie dwuwartościowych wodorków stwarzają wyzwania w syntezie i charakterystyce strukturalnej, podkreślając ograniczenia obecnych technik eksperymentalnych. 

Wyzwaniem jest tutaj to, że eksperymentalne odkrycie SSE zależy od nieefektywnych, czasochłonnych metod prób i błędów. Aby temu zaradzić, potrzebujemy wspomaganych komputerowo badań, aby zrozumieć mechanizmy migracji jonów i odkryć nowe elektrolity w stanie stałym.

Rzecz w tym, że podejścia teoretyczne mają tendencję do oferowania bardziej systematycznych i szybszych sposobów eksploracji właściwości materiałów. Następnie pojawiają się postępy w dużych modelach językowych (LLM), które dodatkowo wzmacniają metodologie oparte na danych i ulepszają teoretyczne przewidywania.

Mimo to uzyskanie wysokiej dokładności w metodach teoretycznych jest trudne ze względu na złożoność materiałów SSE. Skupienie obecnych badań na pojedynczym materiale lub metodzie również ogranicza kompleksowe zrozumienie SSE.

Jak zatem możemy lepiej wykorzystać teoretyczne spostrzeżenia, aby projektować bardziej wydajne eksperymenty? A także, jaki optymalny przepływ pracy płynnie łączy teoretyczne modelowanie z eksperymentalną walidacją? Odpowiedź leży w połączeniu informacji obliczeniowych i eksperymentalnych.

Aby ominąć przeszkody związane z dwuwartościowymi SSE, które dają duże nadzieje na wydajne baterie całkowicie półprzewodnikowe (ASSB), naukowcy w ramach nowego badania opracowali zintegrowany przepływ pracy łączący eksplorację danych, analizę opartą na sztucznej inteligencji, regresję uczenia maszynowego, wyszukiwanie globalnych struktur, symulacje metadynamiki ab initio (MetaD) oraz analizę porównawczą teorii i eksperymentu.

Celem tych badań jest poprawa naszego zrozumienia dwuwartościowych SSE i zapewnienie solidnych ram do przewidywania i projektowania nowych kandydatów SSE. W zamian przyspieszy to odkrywanie zoptymalizowanych opcji SSE w celu rozwijania opłacalnych technologii magazynowania energii.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o przełomowej technologii akumulatorów ze stałym elektrolitem opracowanej przez Princeton.

W kierunku SSB nowej generacji dla zrównoważonych rozwiązań energetycznych

Aby skutecznie budować wydajniejsze i bardziej zrównoważone baterie ze stałym elektrolitem, naukowcy z Uniwersytetu Tohoku zbudowaliśmy ramy sztucznej inteligencji oparte na danych¹. 

W przeciwieństwie do tradycyjnego podejścia, które polega na testowaniu każdego materiału, a następnie ustalaniu ścieżek jedna po drugiej, te ramy identyfikują potencjalnych kandydatów na elektrolity w stanie stałym (SSE), które mogą być „tym jedynym” rozwiązaniem w zakresie stworzenia idealnego, zrównoważonego rozwiązania energetycznego.

Opracowany model nie tylko wybiera optymalnych kandydatów, ale może również prognozować, jak będzie przebiegać reakcja. Ponadto mówi, dlaczego konkretny kandydat jest dobrym wyborem, dostarczając wglądu w potencjalne mechanizmy, pomagając badaczom rozpocząć pracę jeszcze przed wejściem do laboratorium.

Profesor Hao Li z Zaawansowanego Instytutu Badań Materiałowych zauważył:

„Model zasadniczo wykonuje za nas całą pracę prób i błędów. Korzysta z dużej bazy danych z poprzednich badań, aby przeszukać wszystkie potencjalne opcje i znaleźć najlepszego kandydata SSE”.

Zaawansowana struktura AI od zespołu integruje się z Large Language Model (LLM), typem modelu uczenia maszynowego, który jest wstępnie trenowany na ogromnych ilościach danych. LLM są znane ze swojej dużej zdolności do przetwarzania, rozumienia i generowania języka ludzkiego.

Poprzez włączenie innych technik opartych na danych, model predykcyjny czerpie zarówno z danych obliczeniowych, jak i eksperymentalnych. W ten sposób badanie zapewnia badaczom solidną opcję, która ma najbardziej pomyślny wynik.

Oprócz pomocy w przyspieszeniu podróży w zakresie opracowywania wysokowydajnych, zrównoważonych baterii półprzewodnikowych, badanie ma również na celu zrozumienie złożonych zależności między strukturą a wydajnością SSE. Ta zależność obejmuje czynniki takie jak przewodnictwo jonowe, stabilność i zgodność z elektrodami i jest często badana za pomocą modelowania obliczeniowego, analizy eksperymentalnej i podejść opartych na danych.

Model zbudowany przez zespół dodatkowo przewiduje energie aktywacji, ustala stabilną strukturę krystaliczną i usprawnia ogólny przepływ pracy badaczy. Wyniki badania pokazują, że MetaD jest znakomitą metodą obliczeniową, wykazującą znaczną zgodność z danymi eksperymentalnymi dla złożonych SSE hydrydowych.

Naukowcy zidentyfikowali również nowy system transferu jonów. Mechanizm „dwuetapowy” został odkryty w obu SSE, które powstają w wyniku integracji neutralnych cząsteczek.

Tak więc, łącząc analizę cech z wielokrotną regresją liniową, zespół był w stanie pomyślnie opracować precyzyjne modele predykcyjne do szybkiej oceny wydajności SSE hydrydów. Co ważniejsze, struktura umożliwia dokładne przewidywanie struktur kandydatów bez polegania na danych wejściowych eksperymentalnych. 

Ogólnie rzecz biorąc, badanie dostarcza cennych spostrzeżeń oraz zaawansowanych metodologii efektywnego projektowania i optymalizacji baterii ze stałym elektrolitem nowej generacji.

To jednak dopiero pierwsze kroki w kierunku budowania zrównoważonych rozwiązań energetycznych, a zespół planuje rozszerzyć zastosowanie swojego frameworka na różne rodziny elektrolitów. Zespół spodziewa się, że generatywne narzędzia sztucznej inteligencji będą przydatne w badaniu ścieżek migracji jonów i mechanizmów reakcji, zwiększając tym samym możliwości predykcyjne platformy.

Inwestowanie na rynku baterii ze stałym elektrolitem

Jeśli chodzi o firmę inwestycyjną na rozwijającym się rynku baterii litowo-metalowych, QuantumScape jest na czele, jako główny gracz skupiający się na technologii litowo-metalowej. Jej zastrzeżony separator ceramiczny w stanie stałym został zaprojektowany w celu zwiększenia gęstości energii, szybkości ładowania i bezpieczeństwa, zapobiegając jednocześnie krytycznym problemom, takim jak tworzenie się dendrytów, które ograniczały stosowanie anod litowo-metalowych.

Korporacja QuantumScape (QS )

Firma QuantumScape Corporation, rozwijająca technologię SSB dla pojazdów elektrycznych i dążąca do zostania producentem oryginalnego wyposażenia (OEM), nawiązała już współpracę z dużym producentem samochodów Volkswagen Group i jego spółką zależną PowerCo.

Mimo wyzwań związanych z komercjalizacją, QuantumScape pozostaje dużym nazwiskiem w tej dziedzinie. W zeszłym roku firma rozpoczęła produkcję próbek swoich różnych produktów SSB i planuje wyprodukować ich jeszcze więcej w tym roku.

Przy kapitalizacji rynkowej wynoszącej 2.2 mld USD akcje QS są obecnie notowane po 3.90 USD, co oznacza spadek o ponad 25% YTD. Jego EPS (TTM) wynosi -0.91, a P/E (TTM) -4.30.

W pierwszym kwartale 1 r. firma odnotowała 2025 mln USD wydatków inwestycyjnych, GAAP koszty operacyjne w wysokości 5.8 mln USD oraz stratę netto GAAP w wysokości 123.6 mln USD. Kwartał zakończyła z 114.4 mln USD płynności, a zapas gotówki ma wystarczyć do drugiej połowy 860.3 r.

W tym roku firma zamierza wdrożyć proces separatora Cobra do produkcji seryjnej, poprawić jakość i wydajność próbek QSE-5 oraz wprowadzić na rynek ogniwa QSE-5, aby zademonstrować ich wyjątkowe możliwości w zastosowaniach rzeczywistych.

Najnowsze informacje o QuantumScape Corporation

Wniosek

Ponieważ baterie odgrywają kluczową rolę w zasilaniu elektroniki, pojazdów elektrycznych i systemów energetycznych, istnieje potrzeba opracowania materiałów energetycznych nowej generacji w celu stworzenia zrównoważonej przyszłości. Podczas gdy baterie półprzewodnikowe oferują obiecujące rozwiązanie, ich rozwój napotyka poważne wyzwania techniczne. Rozwój SSB wymaga poprawy wydajności elektrolitu półprzewodnikowego (SSE). 

Stąd intensywne badania dotyczące SSE, które mają przyspieszyć w szybszym tempie dzięki nowemu modelowi AI opartemu na danych. Dzięki ogromnym zestawom danych i zaawansowanym technikom symulacji ramy pomagają badaczom identyfikować i optymalizować SSE z niespotykaną dotąd szybkością i dokładnością. Ta konwergencja nauki o materiałach i uczenia maszynowego pokazuje ogromny potencjał w dostarczaniu wydajnych i zrównoważonych rozwiązań baterii półprzewodnikowych, aby zasilać przyszłość czystej energii.

Kliknij tutaj, aby zobaczyć listę najlepszych akcji producentów akumulatorów ze stałym elektrolitem.

Przywoływane badania:

1. Wang, Q., Yang, F., Wang, Y., Zhang, D., Sato, R., Zhang, L., Cheng, EJ, Yan, Y., Chen, Y., Kisu, K., Orimo, S. i Li, H. (2025). Odkrywanie złożoności dwuwartościowych elektrolitów wodorkowych w akumulatorach półprzewodnikowych za pomocą struktury opartej na danych z modelem wielojęzycznym. Angewandte Chemie International Edition, 64(22), e202506573. https://doi.org/10.1002/anie.202506573