新火種
2024-12-24 
發(fā)現(xiàn)高能鈉離子電池成分，機(jī)器學(xué)習(xí)簡(jiǎn)化最佳材料搜索過(guò)程
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鋰離子電池廣泛用于電動(dòng)汽車、筆記本電腦、智能手機(jī)等電子產(chǎn)品。盡管鋰離子電池在市場(chǎng)中占據(jù)著主導(dǎo)地位，但鋰元素相對(duì)稀缺且昂貴。
鈉離子電池以鈉離子作為能量載體，由于鈉資源豐富、安全性高、成本低，有望成為 LIB 的替代品。特別是，含鈉過(guò)渡金屬層狀氧化物 (NaMeO2) 是鈉離子電池正極的強(qiáng)大材料，具有出色的能量密度和容量。
然而，對(duì)于由幾種過(guò)渡金屬組成的多元素層狀氧化物，可能的組合數(shù)量之多，使得尋找最佳組成既復(fù)雜又耗時(shí)。即使是過(guò)渡金屬的選擇和比例的微小變化，也會(huì)導(dǎo)致晶體形態(tài)的顯著變化，從而影響電池性能。
近日，日本東京理科大學(xué) (TUS) 和名古屋工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)簡(jiǎn)化搜索最佳材料的過(guò)程。
研究人員使用由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化了高能鈉離子電池過(guò)渡金屬層狀氧化物的成分。
ML 模型預(yù)測(cè)了其電化學(xué)性能，提出了有希望的四元 Na[Ni,Mn,Fe,Ti]O2成分。并且合成了 Na[Mn0.36Ni0.44Ti0.15Fe0.05]O2，其能量密度高達(dá) 549 Wh/kg，與預(yù)測(cè)值一致。
相關(guān)研究發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》上。
鋰離子電池 (LIB) 因其高能量密度而受到青睞，但地殼中的鋰資源僅為 24 ppm，且全球分布不均。因此，由成本低廉且儲(chǔ)量豐富的金屬組成的鈉離子電池 (SIB) 作為下一代電池備受關(guān)注。
自 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，人們就開(kāi)始研究用作鈉離子電池（SIB）正極材料的含鈉過(guò)渡金屬層狀氧化物，并認(rèn)為其會(huì)根據(jù)合成條件和鈉含量形成各種晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)高溫結(jié)晶形成的主要結(jié)構(gòu)被確定為 O3 型和 P2 型。其中，O3 型結(jié)構(gòu)以其高鈉含量而著稱，這對(duì)于鈉離子全電池的高容量至關(guān)重要。
除了結(jié)構(gòu)方面，成分對(duì)電化學(xué)性能影響也很大。過(guò)渡金屬的選擇和配比影響其形貌、容量、循環(huán)性能和倍率性能。因此，大量研究集中在鈉層狀氧化物的成分優(yōu)化上。由于多元素層狀氧化物的潛在成分組合范圍很廣，因此有效的成分優(yōu)化方法，對(duì)于找到具有更高能量密度和良好循環(huán)性能的正極材料至關(guān)重要。
AI 簡(jiǎn)化鈉離子電池最佳材料搜索過(guò)程為此，研究人員首先建立了一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包含 100 個(gè) O3 型鈉半電池樣品，具有 68 種不同的成分，由日本東京理科大學(xué)Komaba 團(tuán)隊(duì)在 11 年的時(shí)間里收集。
「該數(shù)據(jù)庫(kù)包括 NaMeO2樣品的成分，Me 是過(guò)渡金屬，如 Mn、Ti、Zn、Ni、Zn、Fe 和 Sn 等，以及充放電測(cè)試的上下限電壓、初始放電容量、平均放電電壓和 20 次循環(huán)后的容量保持率，」Komaba 解釋說(shuō)。
然后，研究人員使用該數(shù)據(jù)庫(kù)訓(xùn)練一個(gè)模型，模型結(jié)合了幾種機(jī)器學(xué)習(xí)算法以及貝葉斯優(yōu)化，以進(jìn)行有效搜索。該模型的目標(biāo)是了解工作電壓、容量保持率（壽命）和能量密度等特性與 NaMeO2層狀氧化物的成分之間的關(guān)系，并預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)這些特性之間理想平衡所需的最佳元素比例。
多目標(biāo)優(yōu)化搜索提出了 205 種組合物。這些組合物分布在正極能量密度 535–563 Wh/kg 和容量保持率 92.3–93.7% 之間。正極能量密度高的組合物主要富含 Ni（約 40%），而容量保持率高的組合物富含 Mn（約 60%）。然后，針對(duì)具有最高預(yù)測(cè)活性材料能量密度的組合物 NaMn0.3413Ni0.4488Ti0.1648Fe0.04512O2(MNTF) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
研究發(fā)現(xiàn)，該模型預(yù)測(cè)的 Na[Mn0.36Ni0.44Ti0.15Fe0.05]O2是實(shí)現(xiàn)最高能量密度的最佳成分，而能量密度是電極材料中最重要的特性之一。為了驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，他們合成了這種成分的樣品，并組裝了標(biāo)準(zhǔn)紐扣電池進(jìn)行充放電測(cè)試。
對(duì)合成的 MNTF 電極在 2.0~4.2 V 電壓范圍內(nèi)進(jìn)行恒流充放電測(cè)試。MNTF 的首次放電容量為 169 mA h/g，平均放電電壓為 3.22 V，與預(yù)測(cè)值 172 mA h/g 和 3.27 V 一致。
但第 20 次循環(huán)實(shí)驗(yàn)獲得的容量保持率為 83.0%，明顯低于預(yù)測(cè)值的 92.3%。這種容量衰減可歸因于充放電反應(yīng)過(guò)程中 MNTF 的相演變、顆粒裂解，電壓平臺(tái)期在 4.17 V 處。因此，在模型中考慮結(jié)構(gòu)變化和顆粒形態(tài)的影響對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)容量保持率是必要的。
最后，研究人員將 MNTF 的電化學(xué)性能與其數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。值得注意的是，在四元（或更低）Mn-Ni-Ti-Fe 系統(tǒng)中，MNTF 在 2.0–4.2 V 范圍內(nèi)表現(xiàn)出最高的正極能量密度。此外，將當(dāng)前材料實(shí)現(xiàn)的能量密度與過(guò)去報(bào)道的 O3 NaMeO2的能量密度進(jìn)行比較。在之前的報(bào)告中，只有一次能量密度超過(guò) 500 Wh/kg 的情況。因此，該研究合成的組合物可被認(rèn)為具有足夠高的能量密度。
「我們建立的方法，可以從廣泛的潛在候選物中識(shí)別出有希望的成分，」Komaba 說(shuō)道，「此外，這種方法可以擴(kuò)展到更復(fù)雜的材料系統(tǒng)，例如五元過(guò)渡金屬氧化物?！?/p>加速整個(gè)材料科學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)新
使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)識(shí)別有希望的研究途徑是材料科學(xué)的一個(gè)日益增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因?yàn)樗梢詭椭茖W(xué)家大大減少篩選新材料所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)和時(shí)間。該研究提出的策略可以加速下一代電池的開(kāi)發(fā)，徹底改變整個(gè)能源存儲(chǔ)技術(shù)。
這不僅局限于電池領(lǐng)域。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)在電池研究中的成功應(yīng)用可以作為其他領(lǐng)域材料開(kāi)發(fā)的模板，有可能加速整個(gè)材料科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新。
「通過(guò)使用機(jī)器學(xué)習(xí)，可以減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，這使我們距離加快材料開(kāi)發(fā)速度和降低成本又近了一步。此外，隨著鈉離子電池電極材料性能的不斷提高，未來(lái)將以更低的成本提供高容量和長(zhǎng)壽命的電池，」Komaba 總結(jié)道。
參考內(nèi)容：https://techxplore.com/news/2024-11-leveraging-machine-compositions-sodium-ion.html
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