Рассмотрим, к примеру, обычный перезаряжаемый аккумулятор: многие начинают день с того, что отключают телефон от зарядки, чтобы проверить погоду, поехать на работу или включить любимый подкаст. А заканчивают день тем, что снова подключают телефон к зарядке на ночь.
Этот цикл представляет собой результат десятилетий исследований в области аккумуляторных батарей, начатых здесь, в Техасском университете в Остине. Без небольших, энергоемких и безопасных литий-ионных батарей наш утренний распорядок дня был бы совсем другим.
«Даже если появятся другие технологии производства батарей, литий-ионные батареи всё равно останутся», — сказал Арумугам Мантирам, профессор кафедры машиностроения имени Уокера. Он занимается изучением химических процессов, происходящих внутри батарей, в Школе Кокрелла с 1986 года. «Возможно, их заменят… но это будет медленный процесс, если он вообще когда-либо произойдёт».
Его последнее исследование, опубликованное в журнале Nature Energy , посвящено разработке концепции, которая может быть использована для совершенствования важнейшего аспекта литий-ионных батарей. Примерно 75% стоимости литий-ионных батарей приходится на материалы, и в большинстве таких батарей используются дорогостоящие оксидные катоды. Именно эту проблему решают Мантирам и его студенты: как начать повышать эффективность этих оксидных катодов?
Инженеры из Техаса уже работают над созданием батарей из более распространенных и экологически чистых материалов, таких как сера или натрий, но эта технология все еще находится на стадии прототипа. Хотя эта технология многообещающая, «одно дело сделать что-то в лаборатории, и совсем другое — изготовить это, взять в руки и использовать», — сказал Мантирам.
Почему фундаментальные исследования?
Литий-ионные батареи доминируют на рынке перезаряжаемых аккумуляторов благодаря своей безопасности, соотношению мощности к весу и длительному сроку службы, что означает долгосрочную надежность. По оценкам, объем рынка литий-ионных батарей в 2024 году составлял 60 миллиардов долларов. Ожидается, что в течение следующего десятилетия эта цифра утроится по мере роста спроса на более эффективные электромобили и системы хранения энергии.
Однако, поставка материалов, необходимых для производства этих батарей, становится все сложнее, а не проще, поскольку сбои в цепочке поставок, вызванные местными конфликтами, политическими событиями или экологическими проблемами, становятся все более частыми.
Катод, положительно заряженный электрод, является одним из трех важнейших компонентов батареи. Он также является самым дорогим, обычно составляя половину общей стоимости материалов батареи. Катод состоит из никеля , а также лития и кобальта — добываемых минералов, которые так уязвимы к сбоям в цепочке поставок.
Понимание того, как смешиваются эти материалы, имеет решающее значение для удовлетворения будущего рыночного спроса, снижения затрат и обеспечения безопасности.
«Это требует обширных фундаментальных знаний. Вот тут-то я и вступаю в игру», — сказал Мантирам. — «Для того чтобы катод правильно работал в инженерных целях, необходимы обширные знания в области фундаментальной химии и физики».
Мантирам тесно сотрудничал с лауреатом Нобелевской премии Джоном Гуденафом в компании Cockrell, которому приписывают изобретение катодных материалов для литий-ионных батарей в 1980-х годах, что произвело революцию в наших утренних ритуалах.
Сейчас он работает со своими «замечательными» студентами и аспирантами, чтобы продвинуть эту технологию вперед.
В статье в журнале Nature Energy подробно рассматриваются сложные характеристики оксидных катодов и то, как наборы данных, полученные с помощью машинного обучения, могут стать ценным инструментом для ускорения разработки батарей будущего.
Мантирам выделяет три фактора, определяющих поведение и свойства оксидного катода: электронная конфигурация (или расположение электронов в атомах материала), химическая связь и химическая реактивность. Каждая из этих составляющих уравнения катода влияет на производительность батареи.
Различные химические связи могут изменять рабочее напряжение, а также термическую стабильность и безопасность. Химическая реактивность может влиять на газообразование и стабильность циклической работы. Электронная конфигурация может определять, какие материалы следует или не следует объединять в группы. Даже такое стабильное вещество, как железо, может оказывать неблагоприятное воздействие при взаимодействии с литием в оксидном катоде.
Это огромный объем данных, с которым нужно работать. Для полного понимания влияния этих факторов потребуются годы исследований и значительные ресурсы, но в целом в материаловедческой отрасли уже ведется обучение алгоритмов машинного обучения, чтобы помогать экспериментаторам в их работе.
«Нельзя полагаться только на машинное обучение или искусственный интеллект. Необходимо также вмешательство человека. Это значит, что независимо от результатов [исследования], нам нужно лучше понимать, что это такое».
Почему искусственный интеллект важен на переднем крае материаловедения
Уже есть примеры использования ИИ для обработки огромных массивов данных и прогнозирования перспективных направлений исследований. Проект GNoME компании Google DeepMind предсказал 528 новых соединений, которые потенциально могут быть проводниками литий-ионных аккумуляторов. Ведутся дискуссии о том, насколько новыми или полезными могут быть эти соединения, но именно здесь научная экспертиза приобретает первостепенное значение.
Группа Мантирама использует возможности Техасского института материалов для проведения экспериментов по характеризации материалов, в результате которых создаются сложные наборы данных, которые затем может обрабатывать обученный группой искусственный интеллект. После этого эксперименты повторяются, цикл создания данных для обучения модели машинного обучения прогнозированию материалов, с которыми следует проводить эксперименты.
«Мы изобретаем материалы; мы изобретаем процесс в академических лабораториях; а затем [промышленность] должна масштабировать и внедрить его», — сказал Мантирам.
Развитие технологий, сокращение количества используемого кобальта, преодоление проблем нестабильности, связанных с увеличением содержания никеля в смеси. Все это — небольшие решения большой проблемы, затрагивающей каждого.
«Я говорю своим студентам, что мы все учимся. Именно такой у меня подход».
Мантирам надеется, что эта статья послужит основой для образовательной программы и подтолкнет исследователей к лучшему пониманию катодов, что, в свою очередь, ускорит разработку и снизит проблемы безопасности.
