复旦大学AI团队研发新材料，电池产业迎来新突破

复旦大学AI团队研发新材料，电池产业迎来新突破

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https://zhuanlan.zhihu.com/p/641958865

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https://www.cas.cn/syky/202412/t20241213_5042512.shtml

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https://esst.cip.com.cn/article/2021/2095-4239/2095-4239-2021-10-1-77.shtml

近日，复旦大学汪莹课题组在固态电池领域取得重大突破。研究团队利用机器学习和人工智能的方法，成功开发出一种新型聚合物固态电解质，为实现高能量密度和高安全性的锂金属固态电池产业化带来了新的希望。

研究团队开发了一种嵌入量子化学计算和图卷积神经网络的机器学习工作方法。他们首先从IoLiTec网站收集了2220种不同的阴离子和氧离子组合，其中只有13%的离子液体具有测量的物化性质。研究团队利用RDKit和Psi4生成了60个分子结构描述符和14个计算电子结构变量，构建了最终的数据集。

通过无监督学习和监督学习的结合，研究团队成功筛选出49种常温下为液态、电导率大于5 mS cm-1且电化学窗口大于4 V的离子液体。这一筛选过程充分展现了机器学习在材料科学领域的强大能力。

基于筛选出的离子液体，研究团队开发了5种IPEs（离子聚合物电解质），并验证了其与锂金属阳极耦合的电化学性能。测试结果令人振奋：

• 在室温下以0.5 C（0.83mA cm-2）稳定循环350圈后，容量保持率高达96%
• 在50℃下以2 C（3.32mA cm-2）循环350圈后，容量保持率为80%
• 平均库伦效率高于99.9%
• 在80℃高温下，即使在5 C（8.3mA cm-2）的高电流密度下，仍具有120 mAh g-1的充放电比容量

这些数据表明，新型聚合物固态电解质不仅具有优异的常温性能，还在高温条件下展现出出色的热稳定性和倍率性能，满足了便携式设备快速充电/放电的要求。

在全球范围内，固态电池已成为各大电池制造商竞相布局的焦点。韩国SK on、美国Microvast等公司相继公布最新研发成果，预计2030年后将实现商业化量产。中国、日本、德国等国也纷纷加入这场技术竞赛，出台相关政策支持全固态电池的研发和生产。

与传统锂离子电池相比，固态电池具有显著优势：

• 更高的能量密度：使用固态电解质可以采用锂金属作为负极，显著提高电池能量密度
• 更好的安全性：固态电解质不易燃，降低了电池热失控风险
• 更长的循环寿命：固态电解质的稳定性使得电池在多次充放电过程中保持良好性能

尽管固态电池展现出巨大潜力，但其商业化仍面临一些挑战：

• 成本问题：当前固态电池的生产成本较高，需要通过材料优化和工艺改进来降低成本
• 制造工艺：大规模生产需要解决材料均匀性和界面接触问题，以提高电池整体性能

市场研究机构预测，到2035年，全固态电芯价格有望降至0.6-0.7元/瓦时。随着技术进步和规模效应的显现，固态电池有望在电动汽车、可再生能源储存等领域发挥重要作用。

复旦大学汪莹课题组的这一突破，不仅展示了人工智能在材料领域的巨大潜力，也为未来清洁能源的发展提供了新的方向。随着研究的深入和技术的成熟，我们有理由相信，固态电池将为人类社会带来更加安全、高效的能源解决方案。