鋰離子電池作為一種可充電電池，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大規(guī)模電網(wǎng)儲能、便攜式電子設(shè)備和電動汽車等領(lǐng)域，顯著影響著人類生活和發(fā)展。然而，迅猛發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)中新產(chǎn)品層出不窮，產(chǎn)品的快速迭代對電池性能不斷提出新的需求：續(xù)航長、充電快、安全性高……傳統(tǒng)鋰離子電池越來越難以滿足現(xiàn)實(shí)需求，研發(fā)下一代電池設(shè)計(jì)體系迫在眉睫。
先進(jìn)電解液設(shè)計(jì)正是下一代電池設(shè)計(jì)的核心之一。電解液是電池的“血液”，正如人體的血液負(fù)責(zé)傳遞氧氣、養(yǎng)分、免疫物質(zhì)等生命必需品一樣，電解液將離子在電池正負(fù)極之間傳遞，實(shí)現(xiàn)電池的充放電功能。電池的正負(fù)極材料決定了電池的理論性能，而電解液對于電池理論性能的發(fā)揮則起著至關(guān)重要的作用。
相比于固體材料，溶液化學(xué)的復(fù)雜機(jī)理使電解液這樣的液體材料的設(shè)計(jì)難度更高。此外，電解液材料的分子組合浩如煙海，研究者以往需要通過實(shí)驗(yàn)對各種組合進(jìn)行逐一篩選，效率受到極大限制。人工智能（AI）的快速發(fā)展為電解液材料的篩選、設(shè)計(jì)、構(gòu)建提供了新的可能。
針對電解液設(shè)計(jì)面臨的難題，化工系陳翔/張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)提出了“人工智能設(shè)計(jì)鋰電池電解液”的新方法，從分子生成、高通量計(jì)算與數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、人工智能設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)方面入手，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)電解液的高效設(shè)計(jì)。
“國際上將AI用于材料開發(fā)的嘗試起源于2011年左右，但以往研究主要聚焦于固體材料設(shè)計(jì)。我們團(tuán)隊(duì)從2016年左右開始考慮如何把AI用于電池體系，并率先開展液體物質(zhì)這一新領(lǐng)域的AI研究。”化工系副研究員陳翔介紹說。
團(tuán)隊(duì)合影
如何將AI運(yùn)用在具體的研發(fā)之中？在陳翔看來，數(shù)據(jù)和模型是兩大關(guān)鍵因素。化工和AI的“跨界聯(lián)手”，得益于團(tuán)隊(duì)成員來自化工、數(shù)學(xué)、材料、計(jì)算機(jī)等多元的學(xué)科交叉背景，和團(tuán)隊(duì)對外建立的豐富外部合作機(jī)制，這些都為電解液的AI模型建立方面提供了有力支持。
團(tuán)隊(duì)首先開發(fā)了一整套適用于鋰電池電解液研究的高通量計(jì)算軟件，將感興趣的分子結(jié)構(gòu)輸入后，軟件會在超級計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬計(jì)算，獲取電解液20余種關(guān)鍵的理化性質(zhì)，形成了先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫。然后，開發(fā)了分子生成模型和高通量篩選策略，實(shí)現(xiàn)上億分子空間的性質(zhì)預(yù)測與電解液分子設(shè)計(jì)。截至2024年初，軟件數(shù)據(jù)庫已經(jīng)涵蓋了24萬種以上的電解液分子結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)超過往百余年鋰電池研究史上幾千種成分的總和，規(guī)模處于全球領(lǐng)先水平。
AI設(shè)計(jì)電解液模型
“我們希望能夠通過AI的方法找到新的材料分子，解決實(shí)際應(yīng)用場景中的復(fù)雜問題。”陳翔說。AI能夠根據(jù)用戶的實(shí)際需求設(shè)計(jì)潛在分子結(jié)構(gòu)，并開展高通量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，逐步建立分子結(jié)構(gòu)、電解液性質(zhì)和電池性能之間的定量關(guān)聯(lián)，從而開發(fā)出最適合的電解液。
在快充電解液的研發(fā)過程中，團(tuán)隊(duì)借助AI進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，從而獲得了超脫原有想象的新分子，在實(shí)驗(yàn)中取得了很好的效果。此外，團(tuán)隊(duì)也在積極搭建開放的電解液設(shè)計(jì)平臺，推廣AI研發(fā)工具在業(yè)界的應(yīng)用。
基于上述成果，團(tuán)隊(duì)發(fā)表了行業(yè)高影響期刊論文并申請了軟件著作權(quán)，第一完成人陳翔入選了2023《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”，第二完成人化工系張強(qiáng)教授獲得了首屆“可持續(xù)發(fā)展青年科學(xué)家獎”（全球僅3人）。該成果還入選了2023年清華大學(xué)最受師生關(guān)注的年度亮點(diǎn)成果。
機(jī)器人做實(shí)驗(yàn)
團(tuán)隊(duì)還將AI和化學(xué)機(jī)器人相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電解液配方批量研發(fā)和實(shí)驗(yàn)的智能化、自動化流程。陳翔指出，相比于傳統(tǒng)的人工操作，機(jī)器人的研發(fā)效率將提升一到兩個(gè)數(shù)量級。今年，張強(qiáng)開設(shè)的“納米能源”課程與基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心合作，讓AI和化學(xué)機(jī)器人走進(jìn)課堂，使本科生也能夠接觸到最前沿的科研方法，實(shí)現(xiàn)教學(xué)和科研的有機(jī)融合。
在陳翔看來，“化學(xué)從誕生之初，就是一門偏重經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)的學(xué)科”，但機(jī)器學(xué)習(xí)等AI技術(shù)的迅猛發(fā)展使科學(xué)研究范式正從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)方法向數(shù)據(jù)驅(qū)動的新模型轉(zhuǎn)型，“數(shù)據(jù)構(gòu)建起了理論、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)之間的橋梁。”陳翔說，“如今我們能夠把各種范式結(jié)合起來用于研究，其中的巨大潛力是大家有目共睹的。”
未來，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)聚焦AI和電池研發(fā)設(shè)計(jì)相結(jié)合的大方向，打通從AI設(shè)計(jì)電解液到投入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的完整鏈條，加速下一代鋰電池的實(shí)用化進(jìn)程，助力能源低碳轉(zhuǎn)型，為科技強(qiáng)國建設(shè)貢獻(xiàn)清華力量。
