Các nhà nghiên cứu tại Đại học Liverpool đã xác định được một chất rắn mới có khả năng dẫn truyền nhanh chóng các ion lithium.
Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Liverpool đã phát triển một chất dẫn lithium-ion rắn mới có thể thay thế chất điện phân lỏng trong pin, nâng cao tính an toàn và hiệu quả. Khám phá này, được hỗ trợ bởi AI và sự hợp tác liên ngành, mở đường cho những tiến bộ hơn nữa trong các giải pháp lưu trữ năng lượng bền vững. Hình ảnh thể hiện các ion lithium (màu xanh lam) di chuyển qua cấu trúc. Tín dụng: Đại học Liverpool
Một thách thức lớn trong lĩnh vực khoa học vật liệu liên quan đến việc phát triển và xác định các vật liệu mới góp phần đạt được các mục tiêu toàn cầu, bao gồm cả việc theo đuổi Net Zero.
Trong một bài báo đăng trên tạp chí Khoa học , các nhà nghiên cứu tại Đại học Liverpool đã phát hiện ra một vật liệu rắn có khả năng dẫn truyền nhanh các ion lithium. Các chất điện phân lithium như vậy là thành phần thiết yếu trong pin sạc cung cấp năng lượng cho xe điện và nhiều thiết bị điện tử.
Bao gồm các nguyên tố dồi dào không độc hại trên trái đất, vật liệu mới có độ dẫn ion Li đủ cao để thay thế chất điện phân lỏng trong công nghệ pin Li ion hiện tại, cải thiện độ an toàn và công suất năng lượng.
Sử dụng phương pháp khoa học biến đổi để thiết kế vật liệu, nhóm nghiên cứu liên ngành của trường Đại học đã tổng hợp vật liệu trong phòng thí nghiệm, xác định cấu trúc của nó (sự sắp xếp của các nguyên tử trong không gian) và trình diễn nó trong pin.
Khám phá của nó đạt được thông qua quy trình tính toán và thử nghiệm hợp tác sử dụng AI và các phép tính dựa trên vật lý để hỗ trợ các quyết định được đưa ra bởi các chuyên gia hóa học tại trường Đại học.
Vật liệu mới cung cấp nền tảng cho việc tối ưu hóa hóa học để nâng cao hơn nữa các đặc tính của vật liệu và xác định các vật liệu khác dựa trên hiểu biết mới mà nghiên cứu cung cấp.
Tác động và định hướng tương lai
Giáo sư Matt Rosseinsky, từ Khoa Hóa học của Đại học Liverpool, cho biết: “Nghiên cứu này chứng tỏ việc thiết kế và khám phá ra một loại vật liệu vừa mới vừa có chức năng. Cấu trúc của vật liệu này làm thay đổi hiểu biết trước đây về hình thức của chất điện phân thể rắn hiệu suất cao.
“Đặc biệt, các chất rắn có nhiều môi trường khác nhau cho các ion di động có thể hoạt động rất tốt chứ không chỉ một số lượng nhỏ chất rắn có phạm vi môi trường ion rất hẹp. Điều này mở ra đáng kể không gian hóa học sẵn có cho những khám phá tiếp theo.
Các báo cáo gần đây và phương tiện truyền thông đưa tin về việc sử dụng các công cụ AI để tìm kiếm các vật liệu mới có tiềm năng. Trong những trường hợp này, các công cụ AI hoạt động độc lập và do đó có khả năng tái tạo lại những gì chúng đã được đào tạo theo nhiều cách khác nhau, tạo ra các tài liệu có thể rất giống với những tài liệu đã biết.
“Bài báo nghiên cứu khám phá này cho thấy AI và máy tính do các chuyên gia điều khiển có thể giải quyết vấn đề phức tạp trong việc khám phá vật liệu trong thế giới thực, nơi chúng tôi tìm kiếm sự khác biệt có ý nghĩa trong thành phần và cấu trúc mà tác động của chúng đến các đặc tính được đánh giá dựa trên sự hiểu biết.”
“Phương pháp thiết kế đột phá của chúng tôi đưa ra một lộ trình mới để khám phá những vật liệu này và các vật liệu hiệu suất cao khác dựa vào chuyển động nhanh của các ion trong chất rắn.”
Tham khảo: “Vận chuyển lithium siêu âm qua nhiều môi trường phối hợp được xác định bằng cách đóng gói hai anion” của Guopeng Han, Andrij Vasylenko, Luke M. Daniels, Chris M. Collins, Lucia Corti, Ruiyong Chen, Hongjun Niu, Troy D. Manning, Dmytro Antypov , Matthew S. Dyer , Jungwoo Lim , Marco Zanella , Manel Sonni , Mounib Bahri , Hongil Jo , Yun Dang , Craig M. Robertson , Frederick Blanc , Laurence J. Hardwick , Nigel D. Browning , John B. Claridge và Matthew J. Rosseinsky, ngày 15 tháng 2 năm 2024, Khoa học.
DOI: 10.1126/science.adh5115
Nghiên cứu được thực hiện là nỗ lực kết hợp giữa các nhà nghiên cứu tại Khoa Hóa học, Nhà máy Đổi mới Vật liệu, Trung tâm Nghiên cứu Thiết kế Vật liệu Chức năng Leverhulme, Viện Năng lượng Tái tạo Stephenson, Trung tâm Albert Crewe và Trường Kỹ thuật.
Vai trò của AI và nghiên cứu hợp tác
Vật liệu mới này là một trong số rất ít vật liệu rắn đạt được độ dẫn ion Li đủ cao để thay thế các chất điện phân lỏng và hoạt động theo cách mới nhờ cấu trúc của nó.
Công trình được tài trợ bởi Hội đồng nghiên cứu khoa học vật lý và kỹ thuật (EPSRC), Quỹ tín thác Leverhulme và Viện Faraday.
