用人工智能设计更好的电池电解质

人工智能和机器人辅助实验室可以帮助加快寻找更好的电池材料。设计电池是一个分为三部分的过程。你需要一个正极，一个负极，而且——重要的是——你需要一种能与两个电极一起工作的电解质。

电解质是电池组件，可在电池的两个电极之间来回传输离子(带电荷的粒子)，从而导致电池充电和放电。对于今天的锂离子电池，电解质化学定义相对明确。

然而，对于世界各地和美国能源部(DOE)阿贡国家实验室正在开发的下一代电池，电解质设计的问题仍然悬而未决。

Argonne合作中心首席科学家ShirleyMeng表示：“虽然我们被锁定在适用于当今商用电池的电解质的特定概念中，但对于超越锂离子电池而言，不同电解质的设计和开发将至关重要。”储能科学(ACCESS)和芝加哥大学普利兹克分子工程学院分子工程教授。

â�<“电解质的开发是我们取得进展的关键之一，我们要使这些更便宜、更持久、更强大的电池成为现实，并朝着继续使我们的经济脱碳迈出重要一步。”

在《科学》杂志发表的一篇新论文中，Meng及其同事阐述了他们对未来几代电池中电解质设计的愿景。

Meng表示，即使与当今的电池有相对较小的差异，也需要重新考虑电解质设计。她说，如果科学家们能够弄清楚如何重新调整电解质，那么从含镍氧化物转换为硫基材料作为锂离子电池正极的主要成分可能会产生显着的性能优势并降低成本。

对于其他锂离子电池以外的化学物质，如可充电钠离子电池或锂氧电池，科学家们同样必须对电解质问题给予相当大的关注。

科学家在开发新电解质时考虑的一个主要因素是它们如何倾向于形成一个称为界面的中间层，该中间层利用电极的反应性。的

“相间对于电池的功能至关重要，因为它们控制着选择性离子如何流入和流出电极，”Meng说。“相间的功能就像通往电池其余部分的大门;如果你的门不能正常工作，选择性运输就不起作用。”

根据该团队的说法，近期目标是设计具有正确化学和电化学特性的电解质，以实现电池正极和负极的最佳界面形成。

然而，最终，研究人员认为，他们或许能够开发出一组在极端(高温和低温)温度下稳定的固体电解质，并使高能量电池具有更长的使用寿命。

“用于全固态电池的固态电解质将改变游戏规则，”ACCESS主任、储能研究联合中心副主任、该论文的合著者VenkatSrinivasan说。的

“固态电池的关键是金属阳极，但其性能目前受到称为树突的针状结构的形成的限制，这种结构会使电池短路。通过找到一种可以防止或抑制枝晶形成的固体电解质，我们或许能够实现一些真正令人兴奋的电池化学的好处。”

为了加快寻找电解质突破的速度，科学家们已求助于高级表征和人工智能(AI)的力量，以数字方式搜索更多可能的候选物，从而加快实验室合成过程的缓慢而艰苦的过程。

“高性能计算和人工智能使我们能够确定最佳描述符和特征，从而能够针对特定用途定制设计各种电解质，”孟说。â�<“我们不是每年在实验室中研究几十种电解质的可能性，而是借助计算来研究数千种。”

“电解质有数十亿种可能的成分组合——盐、溶剂和添加剂——我们可以使用，”Srinivasan说。“为了使这个数字更易于管理，我们开始真正利用人工智能、机器学习和自动化实验室的力量。”

Srinivasan提到的自动化实验室将采用机器人驱动的实验机制。通过这种方式，机器可以在无人协助的情况下进行更加仔细完善和校准的实验，最终确定哪种成分组合将形成完美的电解质。的

“自动化发现可以显着提高我们研究的能力，因为机器可以全天候工作并减少人为错误的可能性，”他说。

Meng、Srinivasan和陆军研究实验室科学家KangXu在题为“设计更好的电解质”的论文中讨论了电解质的挑战，该论文于12月8日发表在《科学》杂志上。

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