发现高能钠离子电池成分,机器学习简化最佳材料搜索过程
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锂离子电池(LIB)在电子产品领域占据主导地位,但锂资源稀缺且价格高昂。钠离子电池(SIB)因其钠资源丰富、成本低廉、安全性高等优势,有望成为LIB的理想替代品。其中,钠过渡金属层状氧化物(NaMeO2)作为SIB正极材料,展现出优异的能量密度和容量潜力。
然而,多元素层状氧化物的成分组合数量巨大,寻找最佳成分组合是一项复杂且耗时的任务。即使是微小的成分变化,也会显著影响材料的晶体结构及电池性能。
东京理科大学(TUS)和名古屋工业大学的研究团队近期利用机器学习技术,简化了最佳钠离子电池材料的筛选过程。
研究人员利用实验数据训练机器学习模型,预测高能量密度钠离子电池过渡金属层状氧化物的最佳成分。该模型预测了一种新型四元Na[Ni,Mn,Fe,Ti]O2材料,并成功合成了Na[Mn0.36Ni0.44Ti0.15Fe0.05]O2,其能量密度高达549 Wh/kg,与模型预测结果高度吻合。该研究成果已发表于《Journal of Materials Chemistry A》。
钠离子电池:锂离子电池的潜在替代者
尽管LIB因其高能量密度而备受推崇,但锂资源储量有限且分布不均。因此,成本低廉且储量丰富的钠离子电池备受关注,有望成为下一代电池技术。
含钠过渡金属层状氧化物作为SIB正极材料的研究始于20世纪70年代,其晶体结构受合成条件和钠含量影响显著,主要结构形式为O3型和P2型。其中,O3型结构因其高钠含量而成为高容量钠离子全电池的关键材料。
材料成分对电化学性能的影响至关重要。过渡金属种类及比例直接影响材料的形貌、容量、循环性能和倍率性能。因此,成分优化成为钠层状氧化物研究的重点。针对多元素层状氧化物海量的潜在成分组合,高效的成分优化方法对于开发高能量密度、长循环寿命的正极材料至关重要。
AI赋能:加速钠离子电池材料研发
研究团队构建了一个包含100个O3型钠半电池样品(68种不同成分)的数据库,这些数据由东京理科大学Komaba团队历时11年积累。该数据库包含NaMeO2样品的成分信息(Me代表过渡金属,如Mn、Ti、Zn、Ni、Fe、Sn等),以及充放电测试数据(电压范围、初始放电容量、平均放电电压和20次循环后的容量保持率)。
研究人员利用该数据库训练了一个机器学习模型,该模型结合了多种机器学习算法和贝叶斯优化技术,旨在揭示材料特性(工作电压、容量保持率、能量密度等)与NaMeO2层状氧化物成分之间的关联,并预测最佳元素比例组合。
多目标优化搜索算法最终筛选出205种有潜力的组合物,其正极能量密度分布在535-563 Wh/kg之间,容量保持率在92.3-93.7%之间。高能量密度组合物富含镍(约40%),而高容量保持率组合物富含锰(约60%)。研究人员选择预测能量密度最高的组合物NaMn0.3413Ni0.4488Ti0.1648Fe0.04512O2(MNTF)进行实验验证。
实验结果显示,模型预测的Na[Mn0.36Ni0.44Ti0.15Fe0.05]O2具有最高的能量密度。为验证模型的准确性,研究团队合成了该材料并进行了充放电测试。
恒流充放电测试结果显示,MNTF的首次放电容量为169 mA h/g,平均放电电压为3.22 V,与预测值(172 mA h/g和3.27 V)基本一致。然而,20次循环后的容量保持率为83.0%,低于预测值(92.3%)。这种容量衰减可能与充放电过程中的相变和颗粒破碎有关。因此,未来的模型需要考虑结构变化和颗粒形貌的影响,以提高预测精度。
MNTF的能量密度在2.0-4.2 V电压范围内显著高于以往报道的O3型NaMeO2材料,证明了该方法的有效性。
Komaba教授总结道,该方法可以有效筛选潜在候选材料,并可扩展至更复杂的材料体系,例如五元过渡金属氧化物。
机器学习:加速材料科学创新
机器学习在材料科学领域的应用日益广泛,它可以显著减少新材料筛选所需的时间和实验次数。该研究为下一代电池的开发提供了新的思路,并有望推动整个能源存储技术的进步。 其应用价值更远不止于电池领域,为其他材料开发提供了范例,有望加速整个材料科学领域的创新步伐。
参考内容:https://techxplore.com/news/2024-11-leveraging-machine-compositions-sodium-ion.html
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