利用人工智能加速固态电池的突破

预计未来几年，快速发展的电池技术领域的价值将超过 100 亿美元，这得益于 电动汽车（EV）的普及率不断上升、各种电池的安装、数据中心的供电。

在不同类型的电池中，锂离子电池是最受欢迎的电池，占据了 44% 的市场份额。 锂离子电池 是当今世界最常用的可充电电池，除了电动汽车和储能系统外，还为我们的手机、笔记本电脑和其他消费电子产品供电。

锂离子电池虽然在重量轻、导电性高、能量密度高等方面具有诸多优势，但也面临使用寿命短的问题。安全性是另一大挑战，因为锂离子电池含有挥发性液体电解质，如果损坏或过热，可能会着火。

因此，固态电池 (SSB) 已成为液态电池 (LSB) 的替代品，它利用固体电解质来避免泄漏或起气。

除了更高的安全性之外，这种电池还具有小型化、轻量化、充电速度更快、封装效率高、可在宽温度范围内工作以及保质期长等优点。

固态电池并非新发现。它们早在19世纪就已问世，但尽管存在已久，却一直未能得到广泛应用。随着电气化趋势的不断发展，以及人们对广泛采用的锂离子电池更好、更安全的替代品的需求，这种情况终于正在改变。 

随着人们对该技术的兴趣重新燃起，研究人员正在通过多方面的方法优化固态电池，重点关注材料、结构和界面设计，同时利用数据驱动的人工智能技术。 

持续改进 SSB 的工作

世界各地的研究人员正在努力理解和改进固态电池，为未来提供动力。该领域近期开展的一些重要研究如下：

解码 SSB

密苏里大学的研究人员深入研究了固态电池的问题以及克服这些问题的方法，以帮助固态电池成为现实。

他们使用 4D 扫描透射电子显微镜 (STEM) 在不拆卸电池的情况下分析了电池的原子结构，并发现中间层是问题的根源。

在固态电池中，固体电解质与阴极接触后会发生反应，形成一层厚度为 100 纳米的界面层。虽然这层界面层比我们一根头发丝薄 1,000 倍，但它阻碍了锂离子和电子的无缝传输，从而增加了电阻，损害了电池性能。

有了这一发现，助理教授 Matthias Young 现正计划测试他的实验室的专长，即通过氧化分子层沉积 (oMLD) 工艺创建的薄膜，是否可以形成保护涂层并有助于防止固体电解质和阴极材料相互反应。 

他说：“涂层需要足够薄以防止反应，但也不能太厚，以免阻碍锂离子的流动。我们的目标是保持固体电解质和正极材料的高性能特性。我们的目标是将这些材料一起使用，但又不为了兼容性而牺牲它们的性能。”

探索 LLZO 作为 SSLMB 固体电解质的潜力

东北大学研究人员最近的一项研究评估了固态锂金属电池（SSLMB）的石榴石型固体电解质，由于其具有提高能源性能和安全性的潜力，该技术被认为是一项很有前景的技术。

研究发现，这些电池所预期的能量密度优势实际上可能被夸大了。 

根据这项研究，采用领先固体电解质候选材料 LLZO（锂镧锆氧化物）的全固态锂金属电池（ASSLMB）与当前的锂离子电池相比，能量密度仅略有提高，同时生产成本高昂且面临制造挑战。

根据这项研究，ASSLMB 的质量能量密度将达到 272 Wh/kg，而锂离子的质量能量密度为 250-270 Wh/kg，这使得准固态电解质成为更可行的替代品。

全固态锂金属电池一直被视为储能的未来，但我们的研究表明，基于LLZO的设计可能无法实现预期的能量密度飞跃。即使在理想条件下，增益也是有限的，而且成本和制造挑战巨大。

– 主要研究作者、日本东北大学 WPI-AIMR 的 Eric Jianfeng Cheng

尽管LLZO因其离子电导率和稳定性而备受推崇，但对实际应用的LLZO基电池进行全面建模，对其大幅提升能量密度的说法提出了质疑。研究发现，即使采用超薄LLZO陶瓷隔膜和高容量正极，该电池的性能也仅略优于目前最好的传统锂离子电池。

LLZO 的密度是关键问题，它会增加电池质量，并降低预期的能量效益。此外，还有材料的脆性、锂枝晶问题、制造无缺陷薄片的困难以及界面空隙，所有这些都使大规模应用变得复杂。据 Cheng 介绍：

“从稳定性的角度来看，LLZO 是一种优秀的材料，但它的机械限制和重量损失对商业化造成了严重的障碍。”

在这里，将材料与凝胶或聚合物基电解质相结合表现出更好的长期稳定性。

发现有前景的固体电解质

东京理科大学的研究人员还发现了安全、高性能 SSLIB 的新材料。

“制造全固态锂离子二次电池一直是许多电池研究人员的梦想，”Kenjiro Fujimoto 教授表示，他指出他们发现了一种氧化物固体电解质，这是 ASSLIB 的关键成分。 

该材料（Li1.25La0.58Nb2O6F）高度稳定，室温下总离子电导率为3.9 mS cm⁻¹，高于以前报道的氧化物固体电解质，同时活化能极低。

此外，即使损坏也不会起火，这使得这种新材料非常适合安全性至关重要的应用。由于可在高温下使用并支持快速充电，它也非常适合电动汽车等高容量应用。

“这种材料的应用有望开发出能够在从低温到高温的广泛温度范围内运行的革命性电池。”

– 藤本教授

与此同时，去年年底，大阪都立大学的研究人员开发出Na2.25TaCl4.75O1.25作为一种新型固体电解质。

研究人员此前开发了固体电解质NaTaCl6，它是氯化钠和氯化钽的混合物。此次，团队在其中添加了五氧化二钽（Ta2O5），这有助于他们在室温下实现高导电性。 

与传统氯化物相比，它还表现出较高的成形性以及更高的电化学稳定性。

“除了迄今为止开发的玻璃和晶体固体电解质之外，该研究成果有望对复合固体电解质的开发做出重大贡献。”

– 工学研究科助理教授本桥功太

他们目前正致力于阐明复合固体电解质的离子传导机制以及开发更多材料。

改变结构，移除组件

与此同时，伊利诺伊大学香槟分校的研究人员发现，与“随机卷绕”结构相比，螺旋结构显著提高了固态肽聚合物电解质的导电性，且螺旋越长，导电性越高。此外，螺旋结构还提高了材料对电压和温度的整体稳定性。

“我们引入了利用二级结构——螺旋——的概念来设计和改进固体材料中离子导电性的基本材料特性。”

– 研究负责人 Chris Evans 教授

这与生物学中肽类物质的螺旋结构相同。由肽类物质制成意味着，一旦电池达到使用寿命，可以使用酸或酶将材料降解回单个单体单元，然后回收并再利用起始材料，从而实现环保。

在另一项有趣的研究中，研究人员研制出首款无阳极钠固态电池，可稳定循环数百次。这种价格低廉、容量高、充电速度快的电池有望助力经济脱碳。

去除阳极需要创新的结构，因此该团队使用铝粉创建了一个集电器，铝粉虽然是固体，但可以像液体一样流动，包围电解质。

“钠固态电池通常被视为一种遥远的未来技术，但我们希望这篇论文能够证明它确实可以很好地工作，甚至在某些情况下比锂电池更好，从而激发人们对钠领域的更多推动。”

– 第一作者 Grayson Deysher，加州大学圣地亚哥分校博士生

是时候利用人工智能快速找到最佳固体电解质候选材料了

在对固态电池的不同方面（尤其是电解质）进行广泛的持续研究中，为了使它们更好地帮助推动其应用，科学家们现在正在利用人工智能。

电解质是电池最关键的成分之一。它在电池的两个电极之间来回传输带电粒子（即离子），从而实现电池的充电和放电。 

因此，重点在于提升固态电解质 (SSE) 的性能，包括提高离子电导率、稳定性和循环寿命。然而，当前材料的局限性使得这些改​​进难以实现。 

克服这些挑战需要开发高性能 SSE 材料，这将释放固态电池的全部潜力。

金属氧化物和硫化物是目前研究最广泛的有前景的SSE材料之一。在这里，研究在室温下表现出高氧化还原稳定性、机械稳定性和平均二价离子电导率的氢化物作为SSE尤其有益。 

氢化物凭借其高离子电导率和低活化能，在SSE开发中展现出巨大的潜力。与此同时，金属氢化物由于氢原子质量轻，也展现出独特的优势。 

然而，氢的重量轻以及二价氢化物的复杂行为给合成和结构表征带来了挑战，凸显了当前实验技术的局限性。 

这里的挑战在于，实验性的SSE发现依赖于低效且耗时的反复试验方法。为了解决这个问题，我们需要计算辅助研究来理解离子迁移机制并发现新的固态电解质。

事实是，理论方法往往能提供更系统、更快捷的方法来探索材料特性。此外，大型语言模型 (LLM) 的进步也进一步增强了数据驱动的方法论，并改进了理论预测。

然而，由于SSE材料的复杂性，理论方法的高精度化仍面临挑战。当前研究主要集中于单一材料或方法，也限制了对SSE的全面理解。

那么，我们如何才能更好地利用理论洞见来设计更高效的实验？此外，什么样的最佳工作流程才能将理论建模与实验验证无缝结合？答案在于结合计算信息和实验信息。

为了克服二价 SSE 的障碍，这些障碍对高性能全固态电池 (ASSB) 显示出巨大的前景，研究人员在一项新研究中开发了一种集成工作流程，结合了数据挖掘、人工智能驱动的分析、机器学习回归、全局结构搜索、从头算元动力学 (MetaD) 模拟和理论实验基准测试。

这项研究旨在加深我们对二价SSE的理解，并提供一个强大的框架来预测和设计新的SSE候选物。反过来，它将加速发现优化的SSE方案，以推进可行的储能技术。

点击此处了解普林斯顿大学改变游戏规则的固态电池技术。

面向可持续能源解决方案的下一代SSB

为了成功制造出更强大、更可持续的固态电池，东北大学的研究人员 已经建立了一个数据驱动的人工智能框架¹. 

与传统方法不同，传统方法需要测试每种材料，然后逐一设置路径，而该框架可以识别出可能成为创造理想可持续能源解决方案的“唯一”固态电解质 (SSE) 候选者。

该模型不仅可以筛选出最佳候选化合物，还能预测反应的发生方式。此外，它还能通过提供潜在机制的洞见，解释为什么某个候选化合物是一个不错的选择，帮助研究人员在进入实验室之前就开始着手研究。

高等材料研究所的郝力教授指出：

“该模型基本上为我们完成了所有反复试验的繁琐工作。它利用先前研究的大型数据库，搜索所有潜在选项，最终找到最佳的 SSE 候选方案。”

该团队的先进人工智能框架与大型语言模型 (LLM) 相集成，LLM 是一种基于海量数据进行预训练的机器学习模型。LLM 以其强大的处理、理解和生成人类语言的能力而闻名。

通过整合其他数据驱动技术，该预测模型能够同时利用计算数据和实验数据。如此一来，该研究为研究人员提供了一个可靠的、能够带来最佳结果的方案。

除了帮助加快开发高性能、可持续固态电池的进程外，该研究还旨在了解SSE复杂的结构-性能关系。这种关系涵盖离子电导率、稳定性以及与电极的兼容性等因素，通常通过计算建模、实验分析和数据驱动的方法来研究。

该团队建立的模型进一步预测了活化能，确定了稳定的晶体结构，并增强了研究人员的整体工作流程。研究结果表明，MetaD 是一种卓越的计算方法，与复杂氢化物 SSE 的实验数据具有高度一致性。

研究人员还发现了一种新的离子转移系统。在两种由中性分子整合而产生的SSE中都发现了“两步”机制。

因此，通过将特征分析与多元线性回归相结合，该团队成功开发出用于快速评估氢化物SSE性能的精确预测模型。更重要的是，该框架能够在不依赖实验输入的情况下准确预测候选结构。 

总体而言，该研究为下一代固态电池的高效设计和优化提供了深刻的见解和先进的方法。

但这些只是构建可持续能源解决方案的初步步骤，该团队计划将其框架的应用扩展到不同的电解质系列。该团队实际上希望生成式AI工具能够用于研究离子迁移路径和反应机制，从而增强平台的预测能力。

投资固态电池市场

在蓬勃发展的固态电池市场中，QuantumScape 无疑是值得投资的领军企业，它专注于锂金属技术。其专有的固态陶瓷隔膜旨在提高能量密度、充电速度和安全性，同时防止枝晶形成等关键问题，而枝晶形成一直制约着锂金属负极的普及。

QuantumScape公司 (QS -5.08％)

QuantumScape Corporation 致力于开发电动汽车的 SSB 技术，并致力于成为原始设备制造商 (OEM)，目前已与主要汽车制造商大众集团及其子公司 PowerCo 建立了合作伙伴关系。

尽管面临商业化的挑战，QuantumScape 仍然是该领域的领军企业。去年，该公司开始生产各种 SSB 产品的样品，并计划今年生产更多产品。

QS 市值 2.2 亿美元，目前股价为 3.90 美元，年初至今已下跌逾 25%。其每股收益 (TTM) 为 -0.91，市盈率 (TTM) 为 -4.30。

1年第一季度，该公司资本支出为2025万美元，GAAP运营支出为5.8亿美元，GAAP净亏损为123.6亿美元。本季度末，该公司流动资金为114.4亿美元，预计现金流将持续到860.3年下半年。

今年，该公司旨在将 Cobra 隔膜工艺投入基线生产，提高 QSE-5 样品的质量和产量，并运送 QSE-5 电池以展示其在实际应用中的卓越性能。

QuantumScape Corporation 的最新消息

结语

电池在电子设备、电动汽车和能源系统的供电中发挥着关键作用，因此，为了创造可持续的未来，开发下一代能源材料势在必行。虽然固态电池提供了一种颇具前景的解决方案，但其开发面临着重大的技术挑战。固态电池（SSB）的开发需要的是提高固态电解质（SSE）的性能。 

因此，围绕固态电池（SSE）的深入研究正加速推进，而这一切都得益于新的数据驱动型人工智能模型。该框架依托海量数据集和先​​进的模拟技术，能够帮助研究人员以前所未有的速度和精度识别和优化固态电池。材料科学与机器学习的融合展现出巨大的潜力，能够提供高性能、可持续的固态电池解决方案，为清洁能源的未来提供动力。

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参考研究：

1. 王 Q.、杨 F.、王 Y.、张 D.、佐藤 R.、张 L.、程 EJ、严 Y.、陈 Y.、基苏 K.、奥里莫 S. 和李 H. (2025)。通过具有大型语言模型的数据驱动框架揭示固态电池中二价氢化物电解质的复杂性。应用化学国际版，64(22)，e202506573。 https://doi.org/10.1002/anie.202506573