Передовая электроника, включая электромобили и новейшие смартфоны, зависит от аккумуляторов, химический состав которых до сих пор разрабатывается вручную методом проб и ошибок. Теперь новое исследование показывает, что искусственный интеллект может направлять роботов в быстром поиске передовых новых составов аккумуляторов. Группа ученых подробно рассказала о своих выводах онлайн 27 сентября в журнале Nature Communications .
Традиционные методы разработки новых батарей могут занять годы, потому что исследователям приходится экспериментировать со многими возможными компонентами. Это осложняется необходимостью достижения нескольких конкурирующих целей, таких как более длительный срок службы, большая емкость, более быстрая зарядка и повышенная безопасность.
«Тип литий-ионного аккумулятора, который вы можете найти в электромобиле Tesla, может иметь одну основную соль — обычно гексафторфосфат лития — а также два или три жидких растворителя, в которых растворена соль, и одну или две секретные добавки», — говорится в сообщении. Джей Уитакр, энергетик из Университета Карнеги-Меллона, один из старших авторов статьи для Nature Communications . «Существует много привлекательных потенциальных комбинаций всех этих компонентов, потенциально с несколькими солями, пятью, шестью или более растворителями, несколькими добавками, которые могут быть невероятно сложными для поиска».
В новом исследовании исследователи стремились ускорить разработку аккумуляторов, объединив робототехнику Clio с ИИ Dragonfly, чтобы найти наилучшую комбинацию компонентов аккумулятора в автономном режиме.
«Это все равно, что смешать арахисовое масло и шоколад, — говорит Уитакр. «Я экспериментатор, который всегда хотел найти способ смешивать химические вещества для батарей в автоматическом режиме», тогда как соавтор исследования Венкат Вишванатан «является специалистом по компьютерному моделированию и машинному обучению, который хотел вывести людей из петли».
В новом исследовании система автономно экспериментировала с солью гексафторфосфата лития и растворителями этиленкарбонатом, этилметилкарбонатом и диметилкарбонатом. (В литий-ионном аккумуляторе соль растворяется в одном или нескольких растворителях, образуя жидкий электролит. Ионы лития перемещаются из одного электролита в другой, чтобы нести электрический заряд.)
Роботизированная система использовала насосы для введения различных комбинаций растворителей в пакеты с катодом из лития, никеля, марганца, оксида кобальта и графитовым анодом. «Не было человека, говорящего системе, что делать; система решала, что делать», — говорит Уитакр.
В ходе 42 экспериментов в течение двух рабочих дней система самостоятельно определила шесть электролитов, которые обеспечивают более быструю зарядку, чем обычный состав электролита. Этот подход натолкнулся на новую химию в шесть раз быстрее, чем потребовалось бы, чтобы обнаружить ее с помощью случайного поиска.
Исследователи отмечают, что их система, вероятно, выполняет больше экспериментальных измерений в день, чем средний человек-оператор, и использует примерно на 30 процентов больше лабораторных материалов. В будущем они предполагают, что их система может оказаться в 20-1000 раз более эффективной, чем люди, выполняющие эту работу.
Единственной целью этих экспериментов была более быстрая зарядка батареи. Однако ученые отмечают, что эта система также может преследовать несколько целей одновременно.
«По мере того, как мы все больше и больше погружаемся в этот проект, мы стремимся к истинному исследованию и открытию более сложных возможных комбинаций электролитов, помещенных во множество тестовых ячеек, чтобы увидеть, что работает, а что нет», — говорит Уитакр.
