Разработка батареи состоит из трех частей. Вам нужен положительный электрод, вам нужен отрицательный электрод и, что важно, вам нужен электролит, который работает с обоими электродами.
Электролит — это компонент батареи, который переносит ионы — несущие заряд частицы — туда и обратно между двумя электродами батареи, заставляя батарею заряжаться и разряжаться. Для современных литий-ионных аккумуляторов химический состав электролита относительно хорошо определен. Однако для будущих поколений аккумуляторов, разрабатываемых по всему миру и в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), вопрос о конструкции электролита остается открытым.
«Хотя мы привязаны к определенной концепции электролитов, которые будут работать с современными коммерческими батареями, для литий-ионных батарей решающее значение будет иметь проектирование и разработка различных электролитов», — сказала Ширли Менг, главный научный сотрудник Аргоннского центра сотрудничества. Наука о накоплении энергии (ACCESS) и профессор молекулярной инженерии в Притцкеровской школе молекулярной инженерии Чикагского университета.
«Разработка электролитов является одним из ключей к прогрессу, которого мы добьемся, сделав эти более дешевые, долговечные и более мощные батареи реальностью, и сделав один важный шаг к продолжению обезуглероживания нашей экономики».
В новой статье, опубликованной в журнале Science , Мэн и его коллеги изложили свое видение конструкции электролита в батареях будущих поколений.
По словам Мэн, даже относительно небольшие отклонения от современных аккумуляторов потребуют переосмысления конструкции электролита. По ее словам, переход от никельсодержащего оксида к материалу на основе серы в качестве основного компонента положительного электрода литий-ионной батареи может привести к значительному повышению производительности и снижению затрат, если ученые смогут понять, как изменить концентрацию электролита.
Для других химических элементов, помимо литий-ионных аккумуляторов, таких как перезаряжаемые натрий-ионные или литий-кислородные, ученым также придется уделить значительное внимание вопросу электролита.
Одним из основных факторов, который ученые учитывают при разработке новых электролитов, является то, как они имеют тенденцию образовывать промежуточный слой, называемый межфазным, который использует реактивность электродов. «Интерфазы имеют решающее значение для функционирования батареи, потому что они контролируют то, как селективные ионы поступают в электроды и выходят из них», — сказал Мэн. «Интерфазы функционируют как ворота для остальной части батареи; если ваши ворота не работают должным образом, избирательный транспорт не работает».
Ближайшая цель, по словам команды, состоит в том, чтобы разработать электролиты с правильными химическими и электрохимическими свойствами, чтобы обеспечить оптимальное образование межфазных переходов как на положительном, так и на отрицательном электродах батареи. В конечном счете, однако, исследователи полагают, что они смогут разработать группу твердых электролитов, которые будут стабильны при экстремальных (как высоких, так и низких) температурах и позволят батареям с высокой энергией иметь гораздо более длительный срок службы.
« Твердотельный электролит для полностью твердотельной батареи изменит правила игры», — сказал Венкат Шринивасан, директор ACCESS, заместитель директора Объединенного центра исследований в области хранения энергии и соавтор статьи. «Ключом к твердотельной батарее является металлический анод, но его производительность в настоящее время ограничена образованием игольчатых структур, называемых дендритами, которые могут закорачивать батарею. Найдя твердый электролит, который предотвращает или ингибирует образование дендритов, мы может быть в состоянии реализовать преимущества некоторых действительно захватывающих химических элементов батареи ».
Чтобы ускорить свою охоту за прорывами в области электролитов, ученые обратились к возможностям расширенной характеристики и искусственного интеллекта (ИИ) для поиска в цифровом виде множества возможных кандидатов, ускорив медленный и кропотливый процесс лабораторного синтеза.
«Высокопроизводительные вычисления и искусственный интеллект позволяют нам определять наилучшие дескрипторы и характеристики, которые позволят разрабатывать различные электролиты для конкретных целей», — сказал Мэн. «Вместо того, чтобы рассматривать несколько десятков электролитов в год в лаборатории, мы рассматриваем многие тысячи с помощью вычислений».
«У электролитов есть миллиарды возможных комбинаций компонентов — солей, растворителей и добавок, — с которыми мы можем играть», — сказал Шринивасан. «Чтобы превратить это число во что-то более управляемое, мы начинаем действительно использовать мощь ИИ, машинного обучения и автоматизированных лабораторий».
Автоматизированные лаборатории, о которых говорил Шринивасан, будут включать экспериментальный режим, управляемый роботами. Таким образом, машины могут проводить без посторонней помощи все более тщательно точные и калиброванные эксперименты, чтобы в конечном итоге определить, какая комбинация компонентов образует идеальный электролит. «Автоматизированное обнаружение может значительно повысить эффективность наших исследований, поскольку машины могут работать круглосуточно и снижать вероятность человеческой ошибки», — сказал он.
Теги: батарея, ИИ
