Nalet u usvajanju obnovljive energije, zajedno sa brzim rastom tržišta električnih vozila poslednjih godina, značajno je povećao potražnju za visoko-performansnim, potpuno čvrstim baterijama.
U poređenju sa konvencionalnim baterijama na bazi tečnog elektrolita, solid-state baterije nude veću gustinu energije, poboljšanu bezbednost, duži vek trajanja i pouzdan rad u širokom temperaturnom opsegu.
Međutim, još uvek postoje izazovi za njihovu široko rasprostranjenu primenu, uključujući nisku jonsku provodljivost, visoku međufaznu otpornost i prisustvo interfejsa čestica-čestica u elektrolitu, što dovodi do povećanog otpora i manje gustine energije.
Značajno je da se istraživanja čvrstih elektrolita visokih performansi prvenstveno fokusiraju na neorganske i organske čvrste elektrolite. Dok neorganski čvrsti elektroliti transportuju samo litijum jone, organski čvrsti elektroliti omogućavaju migraciju anjona i drugih vrsta. Međutim, ovo dovodi do neželjenih reakcija na elektrodama, što rezultira smanjenim kapacitetom i negativnim efektima, kao što su smanjene performanse baterije i životni vek.
Nasuprot tome, neorganski elektroliti su manje skloni neželjenim reakcijama, nudeći duži vek trajanja baterije i veće performanse. Ipak, oni imaju svoje izazove. Na primer, neorganski čvrsti elektroliti oksidnog tipa pate od smanjene stabilnosti i zahtevaju visokotemperaturno sinterovanje, dok elektroliti tipa sulfida reaguju sa atmosferskom vlagom, stvarajući toksični gas vodonik sulfid.
Da bi se pozabavili ovim problemima, istraživači iz Japana su preduzeli novu studiju usmeravajući svoj fokus na organske jonske plastične kristale (OIPC). Istraživanje je objavljeno u časopisu ACS primenjeni elektronski materijali.
OIPC se sastoje od organskog katjona i odgovarajućeg neorganskog anjona zajedno sa litijumskom soli istog anjona. Pošto su u potpunosti sastavljeni od jona, ovi materijali nude visoku jonsku provodljivost, visoku stabilnost i zanemarljivu zapaljivost, što ih čini veoma pogodnim kao čvrsti elektroliti za baterije.
Značajna karakteristika OIPC-a je njihov fazni prelaz između čvrste kristalne faze i tečne faze, koja se naziva plastična kristalna faza. Uprkos ovim prednostima, za praktične primene, OIPC-ima je i dalje potrebna veća jonska provodljivost.
U studiji, istraživački tim, koji je predvodio profesor Masahiro Jošizava-Fudžita sa Odseka za materijale i nauke o životu na Univerzitetu Sofija, zajedno sa Takuto Ootaharom i Morgan L. Thomasom, takođe sa Univerziteta Sofija, i Kan Hatakeiama-Sato sa Tokijskog instituta tehnologije, koristio je informatiku materijala (MI) za istraživanje visoko provodljivih OIPC-a.
„MI koristi informacione nauke, kao što su statistička nauka i mašinsko učenje, za efikasan razvoj materijala. U ovoj studiji smo istražili OIPC kombinovanjem empirijskih pravila i MI modela zasnovanog na mašinskom učenju“, objašnjava prof. Jošizava-Fudžita.
Prvo, istraživači su kreirali skup podataka za obuku koristeći podatke o hemijskim strukturama i provodljivosti iz literature u vezi sa OIPC-om i verifikovali tačnost predviđanja MI modela na dva testna jedinjenja. Rezultati validacije su pokazali da se tačnost predviđanja poboljšava kada podaci obuke uključuju slične hemijske strukture.
Stoga su istraživači odabrali pirolidinijum katjone, koji su bili dobro zastupljeni u podacima o obuci, kao kandidatske supstance. Štaviše, na osnovu empirijskih pravila iz prethodnih studija o poboljšanju jonske provodljivosti u OIPC-ima na bazi pirolidinijum katjona, oni su koristili MI da dodatno suze supstancu kandidata.
Kao rezultat toga, tim je uspešno sintetizovao osam novih jedinjenja, uključujući šest OIPC i dve jonske tečnosti. Među njima, jedno jedinjenje je pokazalo odličnu jonsku provodljivost od 1,75 × 10 -4 S cm -1 na 25 ° C, što je među najvišim prijavljenim vrednostima do sada.
Značajno je da su MI rezultati takođe otkrili nove uvide u odnos između jonskog radijusa i jonske provodljivosti OIPC-a. Konvencionalna empirijska pravila sugerišu da je poželjan niži odnos jonskog radijusa i jonske provodljivosti.
Međutim, novosintetizovana jedinjenja ukazuju da postoji optimalna vrednost. Pored toga, MI model je predvideo diskontinualne promene u OIPC strukturi, sugerišući da dalja poboljšanja u tačnosti predviđanja takođe mogu omogućiti predviđanje faznih prelaza.
Objašnjavajući potencijalne prednosti novih OIPC-a, prof. Jošizava-Fudžita kaže: „Razvoj čvrstih elektrolita visokih performansi povećaće bezbednost punjivih baterija, jer više neće biti zabrinutosti zbog curenja tečnosti.
„Takođe, to će povećati gustinu energije ovih baterija, čineći uređaje opremljene baterijama lakšim i kompaktnijim. Na primer, punjive baterije zasnovane na OIPC-u mogu povećati domet električnih vozila i promovisati njihovo široko usvajanje.“
Sve u svemu, ovi nalazi pokazuju potencijal MI da unapredi naše razumevanje OIPC-a, utirući put razvoju bezbednijih punjivih baterija visokih performansi sledeće generacije.
