アメリカの科学者たちは、固体電池技術を進展させるための有望な材料を約63,000種類特定しました。これにより、安全性が高く、性能が優れたエネルギー貯蔵装置の開発が加速されます。コーネル大学の研究者たちは、IonNetという人工知能（AI）フレームワークを利用して、数百万種類の可能な材料を検索し、固体電池の重要な要素である高速イオン導体を探しました。固体電池は、従来のリチウムイオン電池の可燃性液体電解質を固体材料で置き換えています。しかし、リチウムイオンが迅速に移動できる固体材料を見つけることは依然として大きな課題です。
研究者によれば、IonNetは材料の化学成分に基づいて、固体材料内でのリチウムイオンの移動効率を予測することができます。
コーネル大学の教授で研究の共同著者であるYou Fengqi氏は、「ほとんどの材料に対するAIモデルは信頼できる結晶構造を必要としますが、これらの構造は新しい材料や実験報告の化合物に対してはしばしば入手できません。IonNetは、正確な結晶構造が欠如している場合でも、化学成分に基づいてイオンの動きを予測できます。」と述べています。研究者たちは最初にIonNetを約4,500種類の安定化合物に適用し、87種類の潜在的な高速イオン導体を特定しました。その後、検索を500万種類の代替化学成分に拡大し、63,000種類の潜在的な高速イオン導体特性を持つ候補材料を発見しました。
IonNet技術が固体電池材料の識別効率を大幅に向上
AIの予測がより厳しいテストに耐えられるかを確認するために、チームは約20種類の候補材料を選び、物理ベースのシミュレーションを行いました。彼らは13種類が高速イオン導体であることを確認しました。You氏は、この新しい方法が計算資源を大幅に節約できると述べており、高価なシミュレーションや実験を行う前に、あまり有望でない材料をフィルタリングすることができると強調しています。彼は、「1種類の材料に対して物理シミュレーションを行うには数万時間のCPU時間が必要になることがあります。IonNetは実験や高度なシミュレーションを代替するものではありませんが、重大な実験や計算資源を投入する前に候補材料を優先的に選別するための迅速なフロントエンドです。」と述べています。
IonNetはまた、高速リチウムイオンの動きに関連する化学設計ルールを特定することができ、研究者たちがなぜ特定の材料の性能が優れているのかをより良く理解するのに役立ちます。You氏の研究室とプエルトリコ大学–リオピエドラキャンパスとの共同研究では、イオンの周囲の化学環境を変えることで濃度電池の電圧を向上させることができることが示されました。これらの非常規電池は、異なる電極材料ではなく、電解質成分の違いを利用して電力を生成します。以前はその電圧が0.06ボルト（V）を超えないと予測されていました。しかし、研究チームはイオンと周囲の分子との相互作用の設計を行い、亜鉛と銅に基づく濃度電池の電圧を0.7ボルトに引き上げ、以前の仮定の制限を10倍以上超えました。
電解質戦略を従来の電極と組み合わせると、チームが製造した水基電池の動作電圧は2.2ボルトから2.5ボルトの範囲になりました。これに対し、典型的なアルカリAA電池が生成する電圧は約1.5ボルトです。You氏はプレスリリースで、「これらの電解質研究の共通の目標は、電池設計を試行錯誤からAI、化学、物理の洞察に基づく合理的な設計に移行させることです。」と述べています。これらの研究はそれぞれ『Science Advances』と『Nature Communications』のジャーナルに発表されました。
項目 規格 電圧範囲 2.2 – 2.5 ボルト 電圧向上 0.7 ボルト