ИИ всего за 80 часов создал новый материал, сэкономив 20 лет практических исследований

На модерации Отложенный

Инструмент искусственного интеллекта Microsoft сократил число теоретических материалов с 32 миллионов до 18 всего за 80 часов, при этом ученые синтезировали материал, который может сократить использование лития в батареях на 70%.

Программа искусственного интеллекта (ИИ) выявила не встречающийся в природе материал, который может сократить количество лития, используемого в батареях, до 70%.

Новый материал, смесь ионов натрия, лития, иттрия и хлорида, представляет собой разновидность смешанного хлорида металла и оказался лучшим вариантом из 32 миллионов кандидатов.

Литий является основным компонентом аккумуляторных батарей, и спрос на этот металл в последние годы резко возрос. Однако процесс добычи этого элемента является особенно энергоемким и часто приводит к длительному загрязнению воды и почвы. Это означает, что многие компании ищут альтернативные материалы для изготовления батарей.

Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория (PNNL) заключила сотрудничество с Microsoft, чтобы сделать именно это. Используя инструмент Microsoft Azure Quantum Elements, исследователи отобрали потенциальные новые материалы, которые можно использовать в батареях с низким содержанием лития. Ученые опубликовали свои выводы 8 января на сервере препринтов arXiv.

Батареи работают, перемещая заряженные частицы туда и обратно между положительными и отрицательными клеммами, известными как электроды. Когда провода соединены, ионы лития движутся от отрицательного электрода через проводящее вещество, называемое электролитом, к положительному электроду. Тем временем электроны движутся в том же направлении по проводам, позволяя получать энергию из батареи.

Исследователи PNNL сосредоточились на материалах с твердыми электролитами, которые ученые надеются превратить в более безопасную и эффективную альтернативу нынешним жидким электролитам. Крайне важно, чтобы материал электролита был совместим с электродами и позволял ионам лития легко проходить через него, полностью блокируя движение электронов через батарею.

Они начали с более чем 32 миллионов возможных кандидатов, созданных путем замены различных элементов в существующих структурах электролитов, и использовали комбинацию методов искусственного интеллекта для фильтрации материалов на основе их свойств.

«Многие материалы-кандидаты, которые создаются с помощью этих теоретических компьютерных расчетов, на самом деле недостаточно стабильны, чтобы их можно было изготовить в лаборатории, поэтому первым шагом была фильтрация по стабильности», — отметил Кандлер Смит, инженер-механик из Национального института возобновляемых источников энергии.

Этот первоначальный просмотр позволил за считанные часы оставить из 32 миллионов всего полумиллиона материалов. 

Затем команда выбрала девять других критериев и использовала ИИ для их последовательного применения, сортируя кандидатов по их электронным свойствам, стоимости и мощности, чтобы сузить список до 18 финалистов. «Я был очень впечатлен результатом, потратив на него всего 80 компьютерных часов — на экспериментальную проверку всех этих материалов ушло бы 20 лет, — сказал Смит. - Эта система машинного обучения в сочетании с физическими моделями молекулярной динамики является огромным достижением и действительно ускорит исследования».

Исследователи синтезировали серию окончательных материалов, которые содержали ионы лития, натрия, редкоземельного элемента иттрия и хлорида в различных пропорциях. Интересно, что эта смесь лития и натрия позволяет материалу проводить оба типа ионов (что раньше считалось невозможным) и может также работать в натрий-ионных батареях. В частности, один из вариантов с высоким содержанием натрия содержал на 70% меньше лития, чем обычная батарея, что может радикально снизить цену и воздействие этих батарей на окружающую среду в будущем.

Затем команда проверила электронные свойства кандидатов. «Ионная проводимость — то, насколько быстро могут двигаться ионы лития — является ключевым свойством электролита и определяет, насколько быстро вы сможете зарядить батарею. Это имеет решающее значение для электромобилей», — объясняет Смит.

В обычных литий-ионных батареях используется жидкий электролит на основе органического растворителя, который позволяет ионам быстро перемещаться, что приводит к быстрому заряду. Но растворители легко воспламеняются, а побочные реакции на электродах со временем разрушают батарею. «Преимущество твердотельных электролитов заключается в том, что они более химически стабильны и гораздо менее воспламеняемы. Недостатком является то, что они не перемещают ионы лития так быстро, поэтому время зарядки увеличивается», — сказал Смит.

Самый эффективный кандидат, которого определил ИИ, имел на порядок меньшую проводимость, чем современные жидкие электролиты — там, где обычные аккумуляторы заряжаются 30 минут, новому необходима 5-часовая подзарядка — поэтому электронные характеристики материала необходимо будет улучшить, прежде чем он станет пригодным для практического применения. Тем не менее, исследователи создали рабочий прототип из окончательного материала и использовали его для питания лампочки.