Un program de inteligență artificială (AI) a identificat un material care nu se găsește în natură care ar putea reduce cantitatea de litiu folosită în baterii cu până la 70%.
Noul material, un amestec de ioni de sodiu, litiu, ytriu și clorură, este un tip de clorură metalică amestecată și s-a dovedit a fi cea mai bună opțiune dintre 32 de milioane de candidați.
Litiul este componenta principală a bateriilor reîncărcabile, iar cererea pentru metal a crescut vertiginos în ultimii ani. Cu toate acestea, procesul de minerit pentru a-l obține elementul este deosebit consumatoare de energie și provoacă adesea poluare de durată a apei și a solului. Înseamnă că multe companii caută materiale alternative din care să construiască baterii.
Laboratorul Național Pacific Northwest (PNNL) a colaborat cu Microsoft pentru a face exact acest lucru. Folosind instrumentul Azure Quantum Elements de la Microsoft, cercetătorii au analizat potențiale noi materiale care pot fi utilizate în bateriile cu litiu scăzut. Oamenii de știință și-au publicat concluziile pe 8 ianuarie în pretipărire Server arXiv.
baterii funcționează prin transferarea particulelor încărcate înainte și înapoi între terminalele pozitive și negative, cunoscute sub numele de electrozi. Când firele sunt conectate, ionii de litiu se deplasează de la electrodul negativ, printr-o substanță conducătoare numită electrolit, către electrodul pozitiv. Între timp, electronii călătoresc în aceeași direcție prin fire, permițând extragerea energiei din baterie.
Pentru acest studiu, cercetătorii s-au concentrat pe materiale electrolitice solide pe care oamenii de știință speră să le dezvolte într-o alternativă mai sigură și mai eficientă la electroliții lichizi actuali. În mod esențial, materialul electrolitic trebuie să fie compatibil cu electrozii și să permită ionilor de litiu să treacă ușor prin el, blocând în același timp mișcarea electronilor prin baterie.
Au început cu peste 32 de milioane de candidați posibili – generați prin schimbarea diferitelor elemente în structurile electrolitice existente – și au folosit o combinație de tehnici AI pentru a filtra materialele pe baza proprietăților lor.
„Multe dintre materialele candidate care sunt generate cu aceste calcule teoretice computerizate nu sunt de fapt suficient de stabile pentru a le realiza în laborator, așa că primul lor pas a fost filtrarea după stabilitate.” Kandler Smith, un inginer mecanic de la Laboratorul Național de Energie Regenerabilă, a declarat pentru Live Science. Acest ecran inițial i-a dus de la 32 de milioane la jumătate de milion de materiale în câteva ore.
Apoi, echipa a selectat alte nouă criterii și a folosit AI pentru a le aplica secvențial, sortând candidații după proprietățile lor electronice, cost și putere pentru a restrânge grupul la 18 finaliști. „Am fost foarte impresionat că au reușit toate acestea cu doar 80 de ore de calculator – ar fi fost nevoie de 20 de ani pentru a verifica toate acele materiale experimental”, a spus Smith. „Conducta lor de învățare automată, combinată cu modelele de dinamică moleculară bazate pe fizică, reprezintă un câștig uriaș și va accelera cu adevărat cercetarea”.
Cercetătorii au sintetizat o serie de aceste materiale finale care au conținut litiu, sodiu, ytriu și ioni de clorură în proporții diferite. Interesant este că acest amestec de litiu și sodiu permite materialului să conducă ambele tipuri de ioni – ceva care înainte se credea imposibil – și ar putea funcționa și în bateriile cu ioni de sodiu. În special, una dintre variantele cu conținut ridicat de sodiu conținea cu 70% mai puțin litiu decât o baterie convențională, ceea ce ar putea reduce drastic prețul și impactul asupra mediului al acestor baterii în viitor.
Echipa a testat apoi proprietățile electronice ale candidaților. „Conductivitatea ionică – cât de repede se pot mișca ionii de litiu – este proprietatea cheie pentru un electrolit și determină cât de repede poți încărca bateria. Acest lucru este crucial pentru vehiculele electrice”, a explicat Smith.
Bateriile convenționale cu litiu-ion folosesc un electrolit lichid cu solvent organic care permite ionilor să se deplaseze rapid, transformându-se în timpi de încărcare rapidi. Dar solvenții sunt inflamabili, iar reacțiile secundare cu electrozii degradează bateria în timp. „Electroliții în stare solidă au avantajul că sunt mai stabili din punct de vedere chimic și mult mai puțin inflamabili. Dezavantajul este că nu mișcă ionii de litiu la fel de repede, astfel încât timpii de încărcare sunt mai lenți”, a spus Smith.
Candidatul cu cele mai bune performanțe pe care l-a identificat AI a fost cu un ordin de mărime mai puțin conductiv decât electroliții lichizi de astăzi – aceasta este diferența dintre un timp de încărcare de 30 de minute și cinci ore – așa că performanța electronică a materialului va trebui îmbunătățită înainte de a deveni potrivită pentru practică. aplicatii. Acestea fiind spuse, cercetătorii au construit un prototip funcțional din materialul final și l-au folosit pentru a alimenta un bec, au declarat reprezentanții Microsoft pentru Live Science într-un e-mail.
Smith crede că este un punct de plecare excelent. Dar eficientizarea descoperirii materialelor folosind inteligența artificială a fost cea mai importantă realizare a lucrării, a explicat el, iar aceeași conductă de învățare automată ar putea sprijini cercetarea în sute de alte domenii conexe.
Acesta este ceva ce atât Microsoft, cât și PNNL doresc să exploreze în viitor. „Rezultatele noii baterii sunt doar un exemplu – un punct de probă dacă vreți”, a spus Brian Abrahamson, directorul digital al PNNL, într-un afirmație. „Am recunoscut devreme că magia aici constă în viteza cu care AI ajută la identificarea materialelor promițătoare și în capacitatea noastră de a pune imediat acele idei în acțiune în laborator. Intenționăm să depășim limitele a ceea ce este posibil prin fuziunea dintre tehnologie de ultimă oră și expertiză științifică”.