Прискорення проривів у розробці твердотільних акумуляторів за допомогою штучного інтелекту

Очікується, що швидкозростаючий світ акумуляторних технологій становитиме понад 100 мільярдів доларів у найближчі роки завдяки зростання впровадження електромобілів (EV), встановлення різних акумуляторів та живлення центрів обробки даних.

Серед різних типів акумуляторів літій-іонний є найпопулярнішим, займаючи величезну частку ринку в 44%. Літій-іонні акумулятори – це акумуляторні батареї, які найчастіше використовуються в сучасному світі, живлячи наші мобільні телефони, ноутбуки та іншу побутову електроніку, а також електромобілі та системи накопичення енергії.

Хоча літій-іонні акумулятори пропонують багато переваг з точки зору легкої ваги, високої провідності та високої щільності енергії, вони стикаються з проблемами терміну служби. Безпека є ще однією великою проблемою, оскільки вони містять леткий рідкий електроліт, який може спалахнути у разі пошкодження або перегріву.

В результаті, твердотільні акумулятори (SSB) з'явилися як альтернатива рідкофазним акумуляторам (LSB), які використовують тверді електроліти, щоб уникнути витоку або газоутворення.

Окрім більшої безпеки, такі акумулятори також пропонують переваги мініатюризації, легкої ваги, швидшої зарядки, чудової ефективності упаковки, роботи в широкому діапазоні температур та тривалого терміну зберігання.

Однак твердотільні акумулятори не є чимось новим. Вони були вперше представлені у 19 столітті, але, незважаючи на те, що існують так довго, вони не отримали широкого застосування. Це нарешті змінюється зі зростаючою тенденцією електрифікації та потребою в кращих та безпечніших альтернативах широко поширеним літій-іонним акумуляторам. 

На тлі відновлення інтересу до цієї технології дослідники оптимізують твердотільні акумулятори за допомогою багатогранного підходу, який зосереджується на матеріалах, структурі та дизайні інтерфейсу, а також використовує методи штучного інтелекту на основі даних. 

Поточна робота над покращенням SSB

Дослідники в усьому світі наполегливо працюють над розумінням та вдосконаленням твердотільних акумуляторів для живлення майбутнього. Ось деякі нещодавні, визначні дослідження, проведені в цій галузі:

Декодування SSB

Дослідники з Університету Міссурі заглибилися в розуміння проблем із твердотільними акумуляторами та способів їх подолання, щоб допомогти SSB стати реальністю.

Вони використали 4D скануючу просвічуючу електронну мікроскопію (STEM) для аналізу атомної структури батареї без її розбирання та виявили, що джерелом проблеми є міжфазний шар.

У SSB (нерозбірливих батареях з однофазним живленням) твердий електроліт, що торкається катода, призводить до реакції, яка утворює міжфазний шар товщиною 100 нм. Хоча цей шар у 1,000 разів тонший за нашу волосину, він блокує безперешкодне перенесення іонів літію та електронів, що збільшує опір і погіршує продуктивність акумулятора.

Зробивши це відкриття, доцент Маттіас Янг зараз планує перевірити, чи спеціалізація його лабораторії, тонкі плівки, створені за допомогою процесу, який називається окисним молекулярним шаровим осадженням (oMLD), можуть формувати захисні покриття та допомагати запобігати реакції твердого електроліту та катодних матеріалів один з одним. 

«Покриття мають бути достатньо тонкими, щоб запобігти реакціям, але не настільки товстими, щоб блокувати потік літій-іонів», – сказав він. «Ми прагнемо зберегти високопродуктивні характеристики твердого електроліту та катодних матеріалів. Наша мета – використовувати ці матеріали разом, не жертвуючи їхньою продуктивністю заради сумісності».

Дослідження потенціалу LLZO як твердого електроліту в SSLMB

Нещодавнє дослідження, проведене вченими з Університету Тохоку, оцінило тверді електроліти гранатового типу для твердотільних літій-металевих акумуляторів (SSLMB), які вважаються перспективною технологією завдяки їхньому потенціалу для покращення енергетичної ефективності та безпеки.

Було виявлено, що переваги щільності енергії, очікувані від цих батарей, можуть бути перебільшеними. 

Згідно з цим дослідженням, повністю твердотільний літій-металевий акумулятор (ASSLMB) з провідним кандидатом на твердий електроліт LLZO (літій-лантан-цирконієвий оксид) пропонує лише незначне збільшення щільності енергії порівняно з сучасними літій-іонними акумуляторами, водночас спричиняючи високі виробничі витрати та стикаючись з виробничими труднощами.

Згідно з дослідженням, ASSLMB досягне гравіметричної щільності енергії 272 Вт·год/кг порівняно з 250-270 Вт·год/кг у літій-іонних акумуляторів, що робить квазітвердотільні електроліти більш життєздатною альтернативою.

«Повністю твердотільні літій-металеві акумулятори розглядаються як майбутнє накопичення енергії, але наше дослідження показує, що конструкції на основі LLZO можуть не забезпечити очікуваного стрибка в щільності енергії. Навіть за ідеальних умов вигоди обмежені, а проблеми з вартістю та виробництвом є значними».

– Провідний автор дослідження Ерік Цзяньфен Ченг з WPI-AIMR, Університет Тохоку

Хоча акумулятор цінується за його іонну провідність та стабільність, комплексне моделювання практичного акумулятора на основі LLZO поставило під сумнів ідею про те, що він значно підвищує щільність енергії. Навіть з надтонким керамічним сепаратором LLZO та катодом високої ємності, дослідження показало, що продуктивність акумулятора лише трохи краща, ніж у найкращих звичайних літій-іонних елементів.

Ключовою проблемою тут є щільність LLZO, яка збільшує масу клітин і зменшує очікувані енергетичні переваги. Крім того, є крихкість матеріалу, проблеми з дендритами літію, проблеми з виготовленням тонких листів без дефектів і порожнечі на межі розділу, що ускладнює масштабне впровадження. За словами Ченга:

«LLZO – чудовий матеріал з точки зору стабільності, але його механічні обмеження та зменшення ваги створюють серйозні перешкоди для комерціалізації».

Тут поєднання матеріалу з гелевими або полімерними електролітами показало кращу довготривалу стабільність.

Відкриття перспективних твердих електролітів

Дослідники з Токійського університету наук також виявили нові матеріали для безпечних, високопродуктивних SSLIB.

«Створення повністю твердотільних літій-іонних вторинних батарей було давньою мрією багатьох дослідників батарей», – сказав професор Кендзіро Фудзімото, який зазначив, що вони відкрили оксидний твердий електроліт, який є ключовим компонентом ASSLIB. 

Матеріал (Li1.25La0.58Nb2O6F) є дуже стабільним і демонструє загальну іонну провідність 3.9 мСм см⁻¹ за кімнатної температури, що вище, ніж у раніше описаних оксидних твердих електролітів, водночас маючи надзвичайно низьку енергію активації.

Більше того, у разі пошкодження він не займатиметься, що робить новий матеріал придатним для застосувань, де безпека є критично важливою. Можливість використання за високих температур і підтримка швидкої перезарядки також робить його доречним для застосувань високої ємності, таких як електромобілі.

«Застосування цього матеріалу є перспективним для розробки революційних акумуляторів, які можуть працювати в широкому діапазоні температур, від низьких до високих».

– Проф. Фудзімото

Тим часом, наприкінці минулого року, дослідники з Осакського столичного університету розробили Na2.25TaCl4.75O1.25 як новий твердий електроліт.

Раніше дослідники розробили твердий електроліт NaTaCl6, який являє собою комбінацію хлориду натрію та хлориду танталу. Цього разу команда додала до нього п'ятиоксид танталу (Ta2O5), що допомогло їм досягти високої провідності за кімнатної температури. 

Він також демонструє високу формуваність, а також вищу електрохімічну стабільність, ніж звичайні хлориди.

«Очікується, що результати цього дослідження зроблять значний внесок у розробку композитних твердих електролітів, на додаток до скляних та кристалічних твердих електролітів, які були розроблені на сьогоднішній день».

– Доцент Кота Мотохаші Вищої школи інженерії

Зараз вони зосереджуються на ілюструванні механізму іонної провідності композитних твердих електролітів, а також на розробці нових матеріалів.

Зміна структури, видалення компонентів

Тим часом дослідники з Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн виявили, що спіральна структура значно підвищує провідність твердотільних пептидних полімерних електролітів порівняно з аналогами з «випадковою котушкою», причому довші спіралі призводять до вищої провідності. Крім того, спіральна структура підвищує загальну стабільність матеріалу до напруги та температури.

«Ми запропонували концепцію використання вторинної структури – спіралі – для розробки та вдосконалення основної матеріальної властивості іонної провідності у твердих матеріалах».

– Керівник дослідження, професор Кріс Еванс

Це та сама спіраль, що й у пептидах у біології. Те, що акумулятор виготовлений з пептидів, означає, що після закінчення терміну служби його матеріал можна розкласти назад на окремі мономерні одиниці за допомогою кислоти або ферментів, а вихідні матеріали можна відновити та використовувати повторно, що робить його екологічно чистим.

В ще одному цікавому дослідженні вчені створили перший безанодний натрієвий твердотільний акумулятор зі стабільним циклічним заряджанням протягом кількох сотень циклів. Недорогий, ємний акумулятор із функцією швидкої зарядки може допомогти декарбонізувати економіку.

Видалення анода вимагало інноваційної архітектури, тому команда створила струмозбірник, використовуючи алюмінієвий порошок, який, будучи твердим, може текти як рідина, що оточувала електроліт.

«Натрієві твердотільні акумулятори зазвичай розглядаються як технологія далекого майбутнього, але ми сподіваємося, що ця стаття може стимулювати подальші дослідження в галузі натрію, продемонструвавши, що він справді може добре працювати, а в деяких випадках навіть краще, ніж літієва версія».

– Перший автор Грейсон Дейшер, кандидат наук, Каліфорнійський університет у Сан-Дієго

Час використовувати штучний інтелект для швидкого пошуку найкращих кандидатів на тверді електроліти

Серед цих масштабних досліджень різних аспектів твердотільних акумуляторів, особливо електролітів, з метою їх покращення та сприяння їхньому впровадженню, вчені зараз використовують штучний інтелект.

Електроліт є одним з найважливіших компонентів акумулятора. Він переносить частинки, що несуть заряд, які називаються іонами, між двома електродами акумулятора, що призводить до його заряджання та розряджання. 

Отже, основна увага приділяється покращенню характеристик твердотільного електроліту (ТЕС), що включає підвищення іонної провідності, стабільності та терміну служби. Однак обмеження сучасних матеріалів ускладнюють досягнення цих покращень. 

Подолання цих викликів потребує розробки високопродуктивних матеріалів SSE, які дозволять розкрити весь потенціал твердотільних акумуляторів.

Оксиди та сульфіди металів є одними з найбільш широко вивчених матеріалів як перспективні поверхнево-елементні розчинники (ПЕП). Тут особливо корисним є вивчення гідридів як ПЕП, що демонструють високу окисно-відновну та механічну стабільність, а також середню двовалентну іонну провідність за кімнатної температури. 

Завдяки високій іонній провідності та низькій енергії активації, гідриди є дуже перспективними в розробці силових електронів (ССЕ). Тим часом гідриди металів пропонують особливі переваги завдяки легкій масі атомів водню. 

Однак, легка вага водню та складна поведінка двовалентних гідридів створюють труднощі в синтезі та структурній характеристиці, що підкреслює обмеження сучасних експериментальних методів. 

Проблема полягає в тому, що експериментальне відкриття твердотільних електролітів залежить від неефективних та трудомістких методів спроб і помилок. Щоб вирішити цю проблему, нам потрібні обчислювальні дослідження для розуміння механізмів іонної міграції та відкриття нових твердотільних електролітів.

Річ у тім, що теоретичні підходи, як правило, пропонують більш систематичні та швидші способи дослідження властивостей матеріалів. Крім того, існують досягнення в моделях великих мов програмування (LLM), які ще більше вдосконалюють методології, засновані на даних, та покращують теоретичні прогнози.

Однак, досягнення високої точності теоретичних методів є складним завданням через складність матеріалів, що піддаються поверхневій емісії (ПТЕ). Зосередження поточних досліджень на одному матеріалі чи методі також обмежує всебічне розуміння ПТЕ.

Отже, як ми можемо краще використовувати теоретичні дані для розробки ефективніших експериментів? Також, який оптимальний робочий процес бездоганно поєднує теоретичне моделювання з експериментальною валідацією? Відповідь полягає в поєднанні обчислювальної та експериментальної інформації.

Щоб подолати перешкоди, пов'язані з двовалентними твердотільними акумуляторами (SSE), які демонструють значний потенціал для високопродуктивних повністю твердотільних акумуляторів (ASSB), дослідники в новому дослідженні розробили інтегрований робочий процес, який поєднує аналіз даних, аналіз на основі штучного інтелекту, регресію машинного навчання, пошук глобальної структури, моделювання ab initio метаданіми (MetaD) та бенчмаркінг теорії та експерименту.

Це дослідження має на меті покращити наше розуміння двовалентних накопичувачів енергії (SSE) та забезпечити надійну основу для прогнозування та розробки нових кандидатів на SSE. У свою чергу, це прискорить відкриття оптимізованих варіантів SSE для розвитку життєздатних технологій накопичення енергії.

Натисніть тут, щоб дізнатися про революційну технологію твердотільних акумуляторів від Принстона.

На шляху до SSB наступного покоління для рішень сталого розвитку енергетики

Щоб успішно створювати потужніші та екологічніші твердотільні акумулятори, дослідники з Університету Тохоку створили систему штучного інтелекту на основі даних¹. 

На відміну від традиційного підходу, який передбачає тестування кожного матеріалу та подальше визначення шляхів його розробки один за одним, ця структура визначає потенційних кандидатів на твердотільні електроліти (ТЕС), які могли б стати «тим самим» для створення ідеального рішення для сталої енергетики.

Розроблена модель не лише вибирає оптимальних кандидатів, але й може передбачити, як відбуватиметься реакція. Більше того, вона пояснює, чому певний кандидат є гарним вибором, надаючи розуміння потенційних механізмів, допомагаючи дослідникам розпочати роботу ще до того, як вони потраплять до лабораторії.

Професор Хао Лі з Інституту передових досліджень матеріалів зазначив:

«Модель, по суті, виконує всю роботу методом спроб і помилок за нас. Вона спирається на велику базу даних попередніх досліджень, щоб переглянути всі потенційні варіанти та знайти найкращого кандидата на SSE».

Розширений фреймворк штучного інтелекту від команди інтегрується з моделлю великої мови (LLM) – типом моделі машинного навчання, яка попередньо навчається на величезних обсягах даних. LLM відомі своєю чудовою здатністю обробляти, розуміти та генерувати людську мову.

Завдяки включенню інших методів, заснованих на даних, прогностична модель спирається як на обчислювальні, так і на експериментальні дані. Таким чином, дослідження надає дослідникам надійний варіант, який має найуспішніший результат.

Окрім пришвидшення розробки високопродуктивних, екологічно чистих твердотільних акумуляторів, дослідження також має на меті зрозуміти складні взаємозв'язки між структурою та продуктивністю твердотільних акумуляторів (SSE). Ці взаємозв'язки охоплюють такі фактори, як іонна провідність, стабільність та сумісність з електродами, і часто досліджуються за допомогою комп'ютерного моделювання, експериментального аналізу та підходів, заснованих на даних.

Модель, побудована командою, додатково прогнозує енергії активації, визначає стабільну кристалічну структуру та покращує загальний робочий процес дослідників. Результати дослідження показують, що MetaD є чудовим обчислювальним методом, що демонструє суттєву узгодженість з експериментальними даними для складних гідридних SSE.

Дослідники також виявили нову систему переносу іонів. «Двоступінчастий» механізм виявлено в обох SSE, що виникають внаслідок інтеграції нейтральних молекул.

Отже, поєднуючи аналіз ознак з множинною лінійною регресією, команда змогла успішно розробити точні прогностичні моделі для швидкої оцінки ефективності гідридної SSE. Що ще важливіше, ця структура дозволяє точно прогнозувати структури-кандидати без залежності від експериментальних даних. 

Загалом, дослідження надає чудові розуміння, а також передові методології для ефективного проектування та оптимізації твердотільних акумуляторів наступного покоління.

Але це лише перші кроки до створення рішень для сталої енергетики, оскільки команда планує розширити застосування своєї системи на різні сімейства електролітів. Команда насправді очікує, що інструменти генеративного штучного інтелекту будуть корисними для дослідження шляхів міграції іонів та механізмів реакцій, покращуючи прогностичні можливості платформи.

Інвестування в ринок твердотільних акумуляторів

Коли йдеться про інвестиційно привабливу компанію на ринку твердотільних акумуляторів, що розвивається, QuantumScape є одним з провідних гравців, що спеціалізується на літій-металевих технологіях. Її власний твердотільний керамічний сепаратор розроблений для підвищення щільності енергії, швидкості заряджання та безпеки, одночасно запобігаючи критичним проблемам, таким як утворення дендритів, що обмежує впровадження літій-металевих анодів.

Корпорація QuantumScape (QS )

Розробляючи технологію SSB для електромобілів та прагнучи стати виробником оригінального обладнання (OEM), корпорація QuantumScape вже забезпечила партнерство з великим автовиробником Volkswagen Group та його дочірньою компанією PowerCo.

Хоча QuantumScape стикається з труднощами в комерціалізації, вона залишається відомим ім'ям у цій галузі. Минулого року вона почала виробляти зразки різних продуктів SSB і планує випустити ще більше цього року.

З ринковою капіталізацією в 2.2 млрд доларів, акції QS зараз торгуються на рівні 3.90 долара, що на понад 25% менше, ніж за рік. Їхній прибуток на акцію (TTM) становить -0.91, а коефіцієнт P/E (TTM) – -4.30.

За перший квартал 1 року компанія повідомила про капітальні витрати у розмірі 2025 млн доларів США, операційні витрати за GAAP у розмірі 5.8 млн доларів США та чистий збиток за GAAP у розмірі 123.6 млн доларів США. Квартал завершився з ліквідністю у розмірі 114.4 млн доларів США, при цьому очікується, що грошовий приплив триватиме до другої половини 860.3 року.

Цього року компанія має на меті впровадити процес сепарації Cobra у базове виробництво, покращити якість та продуктивність зразків QSE-5, а також поставити комірки QSE-5, щоб продемонструвати їх виняткові продуктивні можливості в реальних умовах застосування.

Останні новини від QuantumScape Corporation

Висновок

Оскільки акумулятори відіграють ключову роль у живленні електроніки, електромобілів та енергетичних систем, існує потреба в розробці енергетичних матеріалів наступного покоління для створення сталого майбутнього. Хоча твердотільні акумулятори пропонують перспективне рішення, їх розробка стикається зі значними технічними труднощами. Розробка твердотільних акумуляторів потребує покращення характеристик твердотільного електроліту (ТЕ). 

Звідси й інтенсивні дослідження навколо твердотільних акумуляторів (SSE), які, ймовірно, прискоряться ще більшими темпами завдяки новій моделі штучного інтелекту, що базується на даних. Завдяки величезним наборам даних та передовим методам моделювання, ця структура допомагає дослідникам ідентифікувати та оптимізувати SSE з безпрецедентною швидкістю та точністю. Таке зближення матеріалознавства та машинного навчання демонструє величезний потенціал у створенні високопродуктивних та стійких рішень для твердотільних акумуляторів, що забезпечать чисту енергетику майбутнього.

Натисніть тут, щоб переглянути список найкращих запасів твердотільних акумуляторів.

Посилання на дослідження:

1. Ван, К., Ян, Ф., Ван, Ю., Чжан, Д., Сато, Р., Чжан, Л., Ченг, Е. Дж., Ян, Ю., Чен, Ю., Кісу, К., Орімо, С., і Лі, Х. (2025). Розкриття складності двовалентних гідридних електролітів у твердотільних батареях за допомогою керованої даними структури з великою мовною моделлю. Angewandte Chemie International Edition, 64(22), e202506573. https://doi.org/10.1002/anie.202506573