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科學(xué)家研發(fā)鋰離子導(dǎo)體，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)與結(jié)構(gòu)預(yù)測，為下一代固態(tài)電解質(zhì)提供新可能性

時間：2024-04-16 來源： 瀏覽：

科學(xué)家研發(fā)鋰離子導(dǎo)體，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)與結(jié)構(gòu)預(yù)測，為下一代固態(tài)電解質(zhì)提供新可能性

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“我們研發(fā)了一種新型高性能鋰離子導(dǎo)體，改變了人們對于快鋰離子導(dǎo)體的理解?！?/span> 英國利物浦大學(xué)博士后韓國鵬博士表示。
日前， 他和所在團(tuán)隊結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)與結(jié)構(gòu)預(yù)測，構(gòu)建了一種高性能固態(tài)電解質(zhì)的新型設(shè)計策略。
圖 | 韓國鵬（來源：韓國鵬）
研究中，他們利用兩種陰離子硫和碘重現(xiàn)了類似于金屬間化合物 NiZr 的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)， 成功合成了一種新型固態(tài)電解質(zhì) Li7Si2S7I（LSSI），構(gòu)建了一條利用多種鋰離子配位環(huán)境的三維鋰離子快速傳導(dǎo)路徑。
不同于其他材料的單一配位環(huán)境，LSSI 具有 15 個不同的鋰離子位點(diǎn)，其三維鋰離子傳輸路徑利用了多用不同的鋰離子配位環(huán)境，所以它是一種室溫鋰離子電導(dǎo)率能夠罕見地達(dá)到傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)的固體材料。
與此同時，本次研究結(jié)合使用機(jī)器學(xué)習(xí)，來識別可能的化學(xué)體系并進(jìn)行排序，通過實(shí)驗(yàn)表征、以及計算模擬，課題組分析了傳輸性能并獲得了鋰傳輸?shù)奈⒂^路徑。
總的來說，本次研究提出了一個全新的材料設(shè)計理念，改變了人們對于高性能固態(tài)電解質(zhì)的認(rèn)識。
為鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)領(lǐng)域開辟了新方向，拓寬了高性能固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)化學(xué)空間，有望對新材料的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生重大影響。
和其他固態(tài)電解質(zhì)材料相似，未來課題組還可進(jìn)一步優(yōu)化該材料的各項性能，比如優(yōu)化與正極材料的兼容性等，以期成為下一代固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)秀候選者。
更重要的是，他們所構(gòu)建的材料設(shè)計新方法，將會促進(jìn)發(fā)現(xiàn)更多優(yōu)異性能的新固態(tài)電解質(zhì)材料。
據(jù)介紹，作為最具潛力的下一代電池的有力競爭者，全固態(tài)電池由于其高的安全性和優(yōu)異性能而受到廣泛關(guān)注和研究。而作為全固態(tài)電池的核心材料，研發(fā)出可供實(shí)際使用的固態(tài)電解質(zhì)成為其中的關(guān)鍵一環(huán)。
目前，已經(jīng)研發(fā)出的、可與傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率相比擬的固態(tài)電解質(zhì)材料數(shù)量有限，且存在各自的主要短板。所以，發(fā)展出更多性能優(yōu)異的固態(tài)電解質(zhì)材料成為當(dāng)務(wù)之急。
在目前性能最優(yōu)異的固態(tài)電解質(zhì)中，離子的快速傳導(dǎo)路徑常常具有單一的配位幾何形狀。
因此，要想在固態(tài)材料中獲得可比擬傳統(tǒng)有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，固態(tài)材料的結(jié)構(gòu)中就需要存在這樣一條離子傳輸路徑：即沿著傳輸路徑的各個位點(diǎn)配位數(shù)的變化要盡可能地小。
最理想的情況是存在一條具有單一配位環(huán)境地離子傳輸通道，以最大程度地減小傳輸路徑上的能量壁壘。
因此，高性能固態(tài)電解質(zhì)材料的設(shè)計重點(diǎn)，被聚焦在能夠提供最小配位變化路徑的結(jié)構(gòu)上，從而將注意力限制在極少數(shù)幾種結(jié)構(gòu)類型中。
而目前的材料限制了優(yōu)異性能的固態(tài)電解質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)空間，例如具有 BCC 陰離子框架的 Li10GeP2S12 和 Li7P3S11、以及具有 argyrodite 結(jié)構(gòu)的 Li6PS5Cl。
研究發(fā)現(xiàn)，相比于固態(tài)電解質(zhì)材料，金屬間化合物具有更加豐富的結(jié)構(gòu)多樣性。而其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生了配位數(shù)和幾何構(gòu)型不同的間隙位點(diǎn)。并且，很多金屬間化合物具有非常優(yōu)異的氫吸附性能和傳導(dǎo)性能。
這說明氫可以占據(jù)在金屬間化合物結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的間隙位點(diǎn)中，并可以快速遷移。這一點(diǎn)啟發(fā)了本次團(tuán)隊在新型固態(tài)鋰離子導(dǎo)體上的設(shè)計靈感。
設(shè)想一下，如果能用兩種或多種不同的陰離子，來重現(xiàn)同樣由兩種或多種不同金屬元素構(gòu)成的金屬間化合物的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。
而鋰離子可以像氫在金屬間化合物的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中那樣快速躍遷，從而產(chǎn)生高的鋰離子導(dǎo)電率。
那么，必將極大拓展快離子導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計空間，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)更多性能優(yōu)異的新型固態(tài)電解質(zhì)材料，從而為全固態(tài)電池的發(fā)展奠定材料基礎(chǔ)。
（來源： Science ）
由于目前的高性能固態(tài)電解質(zhì)被局限在少數(shù)幾種結(jié)構(gòu)類型中，限制了新優(yōu)秀材料的發(fā)現(xiàn)。而韓國鵬目前所在團(tuán)隊是一個研究領(lǐng)域非常多元的大組，匯聚了具有不同學(xué)科背景的專業(yè)人才。
在一次項目會議的討論過程中，受到組內(nèi)專注于做金屬間化合物結(jié)構(gòu)和性能相關(guān)工作的啟發(fā)，他們萌生了最初的想法。
既然金屬間化合物具有優(yōu)異的氫儲存和傳導(dǎo)性能，并且可以利用不同配位環(huán)境的間隙位點(diǎn)。
如果將這類結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)以某種方式引入到鋰離子導(dǎo)體的陰離子結(jié)構(gòu)框架中，也許可以發(fā)現(xiàn)新型的性能優(yōu)異的鋰離子導(dǎo)體。
而且相比于鋰離子導(dǎo)體，金屬件化合物的結(jié)構(gòu)多樣性十分豐富，如果這一想法能夠?qū)崿F(xiàn)，那將大大拓展陽離子導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計空間。
那么，接下來需要回答的問題自然是如何才能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。他們的想法是，鑒于金屬間化合物有兩種及以上不同的金屬原子參與了結(jié)構(gòu)的形成。
如果他們也使用兩種不同的陰離子，也許可以重現(xiàn)出具有類似二元金屬間化合物結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的陰離子框架。
然后，再用具有強(qiáng)共價鍵的元素來穩(wěn)定該陰離子框架，其他間隙位點(diǎn)再由鋰離子填充。
有了這個想法之后，他們使用經(jīng)過訓(xùn)練的 AI 模型，來定量地根據(jù)新相形成的可能性，針對相應(yīng)的體系進(jìn)行排序，并通過結(jié)構(gòu)預(yù)測來縮小具體實(shí)驗(yàn)探索的目標(biāo)組分。
然后，再根據(jù)理論預(yù)測的結(jié)果，以及通過大量的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)表征和性能表征。
（來源： Science ）
科學(xué)研究是一個特別考驗(yàn)?zāi)托暮鸵庵玖Φ穆殬I(yè)，因?yàn)槭∈浅Ｊ拢晒t是件稀罕事，常常需要通過無數(shù)次的失敗探索才能逐漸靠近目標(biāo)。
曾經(jīng)一段時間，本次項目被卡在了某個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，大半年時間都沒有明顯進(jìn)展。
再加上很多人都參與到這個項目之中，大家都付出了很大心血，并且抱有很高期待。而工作又在韓國鵬這邊卡住了，他感受到了很大的壓力。
后來，他的導(dǎo)師也開始著急了，將平時兩三周一次的工作跟進(jìn)會議增加到了一周一次，這進(jìn)一步增加了韓國鵬的工作量和焦慮感。
漸漸的這種焦慮感開始從工作上蔓延到了平時的生活中，讓他第一次體驗(yàn)到了“至暗時刻”。韓國鵬是一個在生活上喜歡“散漫”的人，但是很快他就開始調(diào)整自己的心態(tài)。
工作上的事情一步步按照自己的節(jié)奏去做，不能因?yàn)閴毫Υ蠖詠y陣腳。同時，不能讓工作上的壓力太影響日常生活，于是他反而恢復(fù)了暫停了數(shù)月之久的每日“電影時刻”，即重新開始在工作之余看電影放松自己。
后面經(jīng)過幾個月的奮戰(zhàn)，他順藤摸瓜理清了問題的根源并成功地解決了它，從而將自己從這種壓力中解脫出來，那一刻真是有一種“清風(fēng)拂我面，送我上青云”的感覺。
韓國鵬表示：“后來，這個項目僅在論文寫作階段的討論會議就有幾十次之多，在這種交流中學(xué)到了很多，也讓我深刻的感受到了團(tuán)隊合作的力量和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的學(xué)術(shù)氛圍?！?/span>
最終，相關(guān)論文以《通過雙陰離子堆積定義的多種配位環(huán)境進(jìn)行超離子鋰傳輸》（ Superionic lithium transport via multiple coordination environments defined by two-anion packing ）為題發(fā)在  Science [1]。
圖 | 相關(guān)論文（來源： Science ）
韓國鵬是第一作者，英國利物浦大學(xué)馬修·J·羅塞因斯基（ Matthew J. Rosseinsky ）教授和約翰·克拉里奇（ John B.Claridge ）教授擔(dān)任共同通訊作者。
參考資料：
1.Han, G., Vasylenko, A., Daniels, L. M., Collins, C. M., Corti, L., Chen, R., ... & Rosseinsky, M. J. (2024). Superionic lithium transport via multiple coordination environments defined by two-anion packing. Science , 383(6684), 739-745.
排版：希幔
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