成功利用数据科学有效预测全固态电池材料的优化

摘要

1。日本国立材料科学研究所 (NIMS) 和V体育正在与丰田汽车公司合作，开发用于下一代全固态电池的固体电解质^（１）通过将高精度材料模拟和候选材料的数据科学技术相结合，我们开发了一种方案来确定有效最大化离子电导率的最佳成分。此外，还进行迁移学习，将从锂离子导电材料的优化中获得的知识迁移到钠离子导电材料的优化^（２）

2。近年来，全固态电池的开发主要在电池制造商和汽车制造商之间取得进展。与使用易燃有机电解质的传统锂离子电池相比，采用不易燃陶瓷制成的固体电解质的全固态电池保证了更高的安全性。此外，由于电池可以做得更紧凑，因此有望成为能够实现更高能量密度的下一代电池。然而，通过反复试验从大量候选材料中寻找和发现作为固体电解质的具有高离子电导率的陶瓷材料是很困难的，需要一种有效的搜索方法。

3。这次，我们利用高精度材料模拟创建了固体中锂离子电导率的数据库，并将结果用于数据科学中的贝叶斯优化^（３）和迁移学习，我们可以高效地发现优秀的材料。具体来说，当应用该方法评估具有代谢石型结构和不同化学成分的318种材料的锂和钠离子电导率时，证实与传统的试错法相比，搜索速度提高了约2至3倍。

4。传统的材料模拟已被用来详细分析已知材料的离子电导率等机制，但这一结果表明，通过结合数据科学技术，它可以用作发现具有所需功能的材料的工具。此外，由于这项研究的结果预计会随着数据量的增加而变得更加有效，因此它可以被定位为未来大规模材料探索的有效技术。

5。这项研究是由NIMS研究员Randy Jalem、V体育教授Masanobu Nakayama和Ichiro Takeuchi（兼任NIMS信息集成材料研究中心）、V体育硕士生Kenta Kanamori以及丰田汽车公司的Hisatsugu Yamazaki博士和Toshiya Saito博士组成的研究小组进行的。这项研究还得到了日本科学技术振兴机构 (JST) 创新中心建设支持项目“信息集成材料开发计划”的支持。

6。该研究结果于英国时间2018年4月11日上午10:00（日本时间2018年4月11日下午6:00）在线发表在《Scientific Report》杂志上。

研究背景

　近年来，为了解决环境和能源问题，人们努力推动电动汽车的商业化和普及。目前的电动汽车采用高能量密度的锂离子电池作为动力源，但由于其使用易燃的有机电解液，因此需要消除发生事故时起火或爆炸的风险。因此，通过使用固体电解质（一种不易燃的锂离子导电陶瓷）作为有机电解质的替代品，有望使电池完全固态化，从而形成高度安全的汽车电池（全固态电池）。此外，全固态电池结构紧凑，可以实现高容量，解决续航里程问题，有望加速电动汽车的普及。
　为了实现这样的全固态电池，需要发现一种化学稳定且具有高离子电导率的固体电解质，但具有特别高离子电导率的材料数量有限，目前正在通过反复试验进行寻找。

图1全固态电池发展与电动汽车实现的关系

研究内容和结果

到目前为止，固体电解质材料的探索都是通过研究人员的直觉或反复试验的努力，但在本研究中，我们结合了材料模拟和数据科学方法（材料信息学），开发了一种可以有效寻找高离子电导率材料的方法。具体来说，利用 318 次高精度第一原理计算的结果，我们研究了是否可以通过应用贝叶斯优化来搜索优质材料，贝叶斯优化在查看所有候选材料的同时以有效的顺序提取候选材料进行计算。尽管此类方法论近年来已成为材料探索的常用方法，但与预测电池材料物理性能直接相关的研究实例却很少。这次，我们能够证明有效优化离子电导率是可能的，这与全固态电池的实现直接相关，并且我们能够证明材料信息学已经接近社会应用阶段。 （图2）

图 2 使用贝叶斯优化的材料选择方案

此外，在这项研究中，我们还证实，通过使用迁移学习的方法，全固态锂离子电池材料开发的数据可以用于开发全固态钠离子电池的材料，从而大大提高了搜索效率。 （图3）

图 3 迁移学习的概念。作为与传统知识继承的比较

未来发展

　如果这一结果促进全固态电池的发展，预计被视为解决环境和能源问题王牌的电动汽车的普及将加速。此外，该技术还可用于电池材料以外的通用用途。例如，预计这将带动陶瓷材料的合理高效发展，陶瓷材料有望应用于信息通信设备、照明、下一代高效发动机、医疗材料等。

已发表的论文

标题：贝叶斯驱动的第一原理计算，加速探索可充电电池应用的快离子导体
作者：Randy Jalem、Kenta Kanamori、Ichiro Takeuchi、Masanobu Nakayama Hisatsugu Yamasaki、Toshiya Saito
发布日期和时间：Scientific Reports（在线发布：英国时间 2018 年 4 月 11 日上午 10 点）

术语表

(1)全固态电池用固体电解质
锂离子电池被称为高能量密度可充电和可放电的蓄电装置，由正极、负极和电解质三种材料组成。电解液是正负极之间交换锂离子的介质，要求具有高的锂离子传输能力（锂离子电导率）。手稿中的电池采用了锂盐溶解在有机溶剂（如环醚）中的材料（有机电解质），但它是易燃的，因此必须解决安全问题。因此，人们考虑使用具有高锂离子传导性的不燃陶瓷材料作为有机电解质的替代品。具有这种锂电导率的固体电解质称为固体电解质。此外，使用固体电解质构造的蓄电池被称为全固态电池。
也可以用钠离子代替锂离子，并使用类似的概念构建全固态电池。由于钠的资源比锂更丰富，因此如果电动汽车中安装的大型蓄电池变得更加普及，这被认为是一个优势。
(2) 迁移学习
将在一个域中训练的模型调整到另一个域的技术
(3)贝叶斯优化方法
基于贝叶斯推理优化未观测函数的方法

有关此事的联系信息

（关于研究内容）
国立材料科学研究所能源与环境材料研究中心研究员
兰迪·贾勒姆
电话：029-860-4636
电子邮件：JALEMRandy[at]nimsgojp

（与新闻和公共关系相关的事宜）
国立材料科学研究所企业企划部公关室
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电子邮件：pressrelease[at]mlnimsgojp

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