رویکرد یادگیری ماشین و بینش‌هایی جدید در مورد موادی باتری‌های حالت جامد

22 مه 2023 -توسط کن کینگری، دانشگاه دوک-تصویری از ساختار اتمی کریستالی-مایع هیبریدی در فاز سوپریونیک Ag8SnSe6 – ماده ای که نوید زیادی برای اجازه دادن به باتری های حالت جامد تجاری دارد. رشته های لوله مانند توزیع مایع مانند یون های نقره را نشان می دهد که از طریق داربست کریستالی اتم های قلع و سلنیوم (آبی و نارنجی) جریان می یابد. اعتبار: اولیویه دلر، دانشگاه دوک

تیمی از محققان در دانشگاه دوک و همکارانشان مکانیسم‌های اتمی را کشف کرده‌اند که دسته‌ای از ترکیبات به نام آرژیرودیت‌ها را برای الکترولیت‌های باتری حالت جامد و مبدل‌های انرژی ترموالکتریک نامزد جذابی می‌کند.

اکتشافات – و رویکرد یادگیری ماشینی که برای ساخت آنها استفاده می شود – می تواند به آغاز دوره جدیدی از ذخیره انرژی برای کاربردهایی مانند باتری های خانگی و وسایل نقلیه الکتریکی با شارژ سریع کمک کند.

نتایج به صورت آنلاین در 18 مه در مجله Nature Materials منتشر شد.

اولیویه دلیر، دانشیار مهندسی مکانیک و علم مواد در دوک، می‌گوید: «این پازلی است که قبلاً به دلیل بزرگ و پیچیده بودن هر یک از اجزای سازنده این ماده، شکسته نشده است. ما مکانیسم‌هایی را در سطح اتمی که باعث می‌شوند کل این دسته از مواد به یک موضوع داغ در زمینه نوآوری باتری‌های حالت جامد تبدیل شوند، مورد بررسی قرار داده‌ایم.

همانطور که جهان به سمت آینده ای که بر پایه انرژی های تجدیدپذیر ساخته شده است، پیش می رود، محققان باید فناوری های جدیدی را برای ذخیره و توزیع انرژی در خانه ها و وسایل نقلیه الکتریکی توسعه دهند. در حالی که حامل استاندارد تا این مرحله باتری لیتیوم یون حاوی الکترولیت های مایع بوده است، با توجه به راندمان نسبتا پایین آن و تمایل الکترولیت مایع برای آتش گرفتن و انفجار گاه به گاه، راه حل ایده آلی نیست.

این محدودیت‌ها عمدتاً از الکترولیت‌های مایع واکنش‌پذیر شیمیایی درون باتری‌های لیتیوم یونی ناشی می‌شوند که به یون‌های لیتیوم اجازه می‌دهند تا نسبتاً بدون محدودیت بین الکترودها حرکت کنند. اگرچه برای جابجایی بارهای الکتریکی عالی است، اما جزء مایع آنها را به دماهای بالا حساس می کند که می تواند باعث تخریب و در نهایت یک فاجعه حرارتی فرار شود.

بسیاری از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی دولتی و خصوصی زمان و هزینه زیادی را صرف توسعه باتری‌های حالت جامد جایگزین از مواد مختلف می‌کنند. اگر این روش به درستی مهندسی شود، حداقل در تئوری، دستگاه بسیار ایمن‌تر و پایدارتر با چگالی انرژی بالاتر ارائه می‌شود.

در حالی که هیچ کس هنوز یک رویکرد تجاری قابل دوام برای باتری های حالت جامد کشف نکرده است، یکی از رقبای اصلی به دسته ای از ترکیبات به نام آرژیرودیت ها متکی است که نام آن از یک ماده معدنی حاوی نقره گرفته شده است. این ترکیبات از چارچوب‌های کریستالی مشخص و پایدار ساخته شده‌اند که از دو عنصر با عنصر سوم آزاد برای حرکت در ساختار شیمیایی ساخته شده‌اند. در حالی که برخی از دستور العمل ها مانند نقره، ژرمانیوم و گوگرد به طور طبیعی وجود دارند، چارچوب کلی به اندازه کافی انعطاف پذیر است تا محققان بتوانند طیف گسترده ای از ترکیب ها را ایجاد کنند.

دیلر گفت: «هر تولیدکننده خودروهای الکتریکی تلاش می‌کند به سمت طرح‌های جدید باتری‌های حالت جامد حرکت کند، اما هیچ‌کدام از آنها فاش نمی‌کنند که روی چه ترکیب‌هایی شرط می‌بندند. “برنده شدن در آن مسابقه باعث تغییر بازی خواهد شد، زیرا ماشین ها می توانند سریع تر شارژ شوند، دوام بیشتری داشته باشند و به یکباره ایمن تر باشند.”

در مقاله جدید، دیلر و همکارانش به یکی از نامزدهای امیدوارکننده ساخته شده از نقره، قلع و سلنیوم (Ag8SnSe6) نگاه می کنند. محققان با استفاده از ترکیبی از نوترون ها و اشعه ایکس، این ذرات بسیار سریع را از اتم های نمونه Ag8SnSe6 منعکس کردند تا رفتار مولکولی آن را در زمان واقعی آشکار کنند. عضو تیم مایاناک گوپتا، فوق دکترای سابق آزمایشگاه دلر که اکنون محققی در مرکز تحقیقات اتمی بابا در هند است، همچنین یک رویکرد یادگیری ماشینی برای درک داده ها ایجاد کرد و یک مدل محاسباتی برای مطابقت با مشاهدات با استفاده از اصول اولیه شبیه سازی مکانیک کوانتومی ایجاد کرد.

نتایج نشان داد که در حالی که اتم‌های قلع و سلنیوم داربست نسبتاً پایداری ایجاد می‌کنند، اما از ایستا فاصله زیادی دارد. ساختار کریستالی به طور مداوم خم می شود تا پنجره ها و کانال هایی برای یون های نقره باردار ایجاد شود تا آزادانه در مواد حرکت کنند. به گفته دیلر، این سیستم مانند شبکه های قلع و سلنیوم جامد باقی می ماند در حالی که نقره در حالت تقریبا مایع است.

دیلر گفت: «مثل این است که اتم‌های نقره، مرمرهایی هستند که در اطراف کف چاه بسیار کم عمقی می‌چرخند و حرکت می‌کنند، مانند داربست کریستالی که جامد نیست. این دوگانگی ماده ای که بین حالت مایع و جامد زندگی می کند، چیزی است که من بیش از همه شگفت آور می دیدم.

نتایج و شاید مهم‌تر از آن، رویکرد ترکیب طیف‌سنجی تجربی پیشرفته با یادگیری ماشینی، باید به محققان کمک کند تا پیشرفت سریع‌تری در جهت جایگزینی باتری‌های لیتیوم یونی در بسیاری از کاربردهای حیاتی داشته باشند. به گفته دیلر، این مطالعه تنها یکی از مجموعه پروژه هاست.

هدف ts انواع ترکیبات آرژیرودیت امیدوار کننده شامل دستور العمل های مختلف است. ترکیبی که نقره را با لیتیوم جایگزین می‌کند، با توجه به پتانسیل آن برای باتری‌های EV، مورد توجه گروه است.

دیلر گفت: “بسیاری از این مواد رسانایی بسیار سریعی را برای باتری ها ارائه می دهند در حالی که عایق های حرارتی خوبی برای مبدل های ترموالکتریک هستند، بنابراین ما به طور سیستماتیک به کل خانواده ترکیبات نگاه می کنیم.” “این مطالعه برای ارزیابی رویکرد یادگیری ماشینی ما است که پیشرفت‌های فوق‌العاده‌ای را در توانایی ما برای شبیه‌سازی این مواد در تنها چند سال ممکن کرده است. من معتقدم که این به ما امکان می‌دهد تا به سرعت ترکیبات جدید را به‌طور مجازی شبیه‌سازی کنیم تا بهترین دستور العمل‌هایی را که این ترکیبات دارند را پیدا کنیم.