Tóm tắt nghiên cứu

Giáo sư Komaba Shinichi, tỷ lệ kèo nhà cái malaysia Hóa học Ứng dụng, tỷ lệ kèo nhà cái malaysia 1 của tỷ lệ kèo nhà cái malaysia tỷ lệ kèo nhà cái malaysia học, Đại học tỷ lệ kèo nhà cái malaysia học Tokyo, Sekine Saya (Chương trình Thạc sĩ 2024, Đại học tỷ lệ kèo nhà cái malaysia học Đại học tỷ lệ kèo nhà cái malaysia học, Đại học tỷ lệ kèo nhà cái malaysia học, Đại học tỷ lệ kèo nhà cái malaysia học, Đại học tỷ lệ kèo nhà cái malaysia học, Đại học tỷ lệ kèo nhà cái malaysia học Chu kỳ Thúc đẩy tỷ lệ kèo nhà cái malaysia học), và Giáo sư Nakayama Masanobu, tỷ lệ kèo nhà cái malaysia Gốm sứ, tỷ lệ kèo nhà cái malaysia Đời sống và Hóa học ứng dụng, tỷ lệ kèo nhà cái malaysia Kỹ thuật, Viện Công nghệ Nagoya, Mô hình học máy được đào tạo (ML) sử dụng dữ liệu thử nghiệm được tích lũy cho đến nay, tìm kiếm vật liệu và dự đoán tính chất điện hóa Hơn nữa, dựa trên các kết quả thu được với ML, Na [Mn_0.36NI_0.44TI_0.15Fe_0.05] o₂(MNTF) được tổng hợp và chứng minh rằng khả năng xả ban đầu thực tế là 169 mAh/g, điện áp phóng điện trung bình là 3,22 V và mật độ năng lượng là 549 WH/kg Nó cũng được xác nhận rằng các giá trị này gần như phù hợp với các giá trị dự đoán của ML, xác nhận độ chính xác của mô hình ML

Là sự lan truyền của năng lượng tái tạo, SIB, có thể sử dụng tài nguyên phong phú của nó, đang thu hút sự chú ý như một công nghệ lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo để thay thế pin lithium-ion (LIBS) Hiệu suất của oxit kim loại chuyển tiếp có chứa natri, một vật liệu catốt cho SIB, thay đổi đáng kể tùy thuộc vào cấu trúc và thành phần tinh thể, và người ta biết rằng cấu trúc O3 đặc biệt thể hiện hiệu suất tuyệt vời Hiện tại, nghiên cứu đang được thực hiện rộng rãi về tối ưu hóa thành phần và đặc tính để cải thiện hiệu suất của SIB Nhóm nghiên cứu này đã xây dựng một cơ sở dữ liệu gồm 100 lớp oxit SIB được tích lũy trong nhiều năm và dựa trên điều này, chúng tôi đã phát triển một mô hình ML dự đoán thành phần, dung lượng phóng điện ban đầu, điện áp phóng điện trung bình và tốc độ giữ công suất của vật liệu điện cực dương cho SIB

Nghiên cứu này đã làm sáng tỏ ảnh hưởng của kim loại chuyển tiếp trong vật liệu đối với các tính chất điện hóa và được đề xuất bởi ML, NA [MN_0.36NI_0.44TI_0.15Fe_0.05] o₂(MNTF) thực sự đã được tổng hợp Một thử nghiệm điện tích/phóng điện không đổi (20 đến 42 V) của điện cực MNTF mang lại công suất xả ban đầu là 169 mAh/g, điện áp phóng điện trung bình là 3,22 V và mật độ năng lượng là 549 WH/kg, chứng minh rằng nó gần đúng với giá trị dự đoán của ML Mặt khác, tốc độ duy trì công suất sau 20 chu kỳ là 83,0 & percnt ;, thấp hơn giá trị dự đoán là 92,3 & percnt ; Việc giảm khả năng duy trì này được cho là do những thay đổi trong cấu trúc tinh thể của MNTF và các vết nứt trong các hạt xảy ra trong phản ứng điện tích/phóng điện Vì vậy, chúng tôi thấy rằng việc điều chỉnh phạm vi điện áp cho phép đo có thể giúp giảm bớt các vấn đề này Trong tương lai, dự kiến ​​bằng cách thiết lập một mô hình ML sẽ xem xét các hiện tượng này, tính chính xác của việc dự đoán tỷ lệ bảo trì công suất sẽ được cải thiện hơn nữa Phương pháp được thiết lập trong nghiên cứu này có thể xác định hiệu quả các tác phẩm đầy hứa hẹn từ một loạt các vật liệu ứng cử viên, làm cho nó trở thành một đóng góp lớn để tăng tốc và giảm chi phí trong phát triển pin SIB

Phát hiện nghiên cứu này là một tạp chí học thuật quốc tếMở truy cập vào "Tạp chí Vật liệu Hóa học A"Đã đọc (Phiên bản trực tuyến: ngày 5 tháng 9, Bài viết trước: ngày 6 tháng 11, Phiên bản sách: In In)

Bối cảnh nghiên cứu

Khi việc giới thiệu năng lượng tái tạo tiếp tục, nhu cầu lưu trữ năng lượng sử dụng pin đứng yên lớn đang tăng lên Pin lithium-ion (LIBS) đã trở thành hệ thống lưu trữ năng lượng chính thống do mật độ năng lượng cao Tuy nhiên, lithium nguyên liệu thô chỉ là 24 ppm trong lớp vỏ và được phân phối không đồng đều, để lại những thách thức về giá tài nguyên tăng và độ ổn định cung cấp Vì lý do này, pin natri ion (SIB) bên cạnh lithium trong bảng tuần hoàn của các nguyên tố và rất giàu tài nguyên và dễ dàng truy cập, thay thế lithium bằng natri, đang thu hút sự chú ý khi pin thế hệ tiếp theo thay thế LIB Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã làm việc về nghiên cứu và phát triển cho SIB từ năm 2005, và đã dẫn đầu lĩnh vực nghiên cứu của nghiên cứu này

Các oxit phân lớp chuyển tiếp có chứa natri được sử dụng làm vật liệu điện cực dương cho SIB được biết là tạo thành nhiều cấu trúc tinh thể, chẳng hạn như loại O3 và loại P2, tùy thuộc vào điều kiện tổng hợp và hàm lượng natri Cụ thể, cấu trúc O3 có hàm lượng natri cao, làm cho nó quan trọng để đạt được công suất cao trong SIB tế bào đầy đủ Thành phần vật liệu cũng có tác động lớn đến hiệu suất điện hóa Loại kim loại chuyển tiếp và tỷ lệ nội dung của nó có liên quan đến công suất, hiệu suất chu kỳ và khả năng tốc độ, vì vậy tối ưu hóa thành phần là một chủ đề nghiên cứu quan trọng

Nhóm nghiên cứu này đã tổng hợp nhiều oxit natri được phân lớp với các cấu trúc loại O3 Ngoài ra, na_5/6[MN_1/6NI_1/3TI_1/3Fe_1/6] o₂Triển lãm hiệu suất tuyệt vời trong điện cực dương với mật độ năng lượng và khả năng duy trì công suất Dựa trên những phát hiện này, nghiên cứu này đã phát triển một phương pháp sử dụng các mô hình máy học (ML) được đào tạo trên dữ liệu thử nghiệm được tích lũy trong quá khứ, và tìm kiếm và mô tả các chế phẩm vật liệu thể hiện hiệu suất pin tốt hơn

Chi tiết kết quả nghiên cứu

• Khám phá các tác phẩm đầy hứa hẹn bằng cách sử dụng máy học

  68 loại (100 mẫu) tên loại O3 được đánh giá bởi Komaba Lab trong 11 năm qua₂Một cơ sở dữ liệu về kết quả thử nghiệm cho thành phần nửa tế bào NA đã được sử dụng Tối ưu hóa đa mục tiêu đề xuất 205 các chế phẩm đầy hứa hẹn với mật độ năng lượng điện cực dương dao động từ 535 đến 563 WH/kg và tốc độ duy trì công suất dao động từ 92,3 đến 93,7 & percnt ; Nó đã được tìm thấy rằng các chế phẩm có mật độ năng lượng cao có xu hướng có hàm lượng Ni cao hơn, trong khi các chế phẩm có khả năng duy trì cao có xu hướng có hàm lượng Mn cao hơn Tiếp theo, Na [Mn_0.3413NI_0.4488TI_0.1648Fe_0.04512] o₂(MNTF) đã được sử dụng làm thí nghiệm và các vật liệu được tổng hợp theo thành phần đề xuất và tính chất điện hóa của chúng được đánh giá

• Tổng hợp và đánh giá hiệu suất của các vật liệu thành phần đầy hứa hẹn

  Synchrotron XRD (SXRD,*1), ICP-AES (*2) và SEM (*3) đã được sử dụng để đánh giá thành phần và cấu trúc của MNTF tổng hợp Phân tích mẫu SXRD xác nhận rằng MNTF tổng hợp có cấu trúc loại O3 và ICP-AES cho thấy thành phần thực tế là Na [Mn_0.355NI_0.442TI_0.148Fe_0.046] o₂Hơn nữa, hình ảnh SEM đã xác nhận rằng kích thước hạt của MNTF nằm trong khoảng từ 0,3 đến 1 đường kính

  Các thử nghiệm sạc và phóng điện không đổi đã được thực hiện trên các điện cực MNTF tổng hợp trong phạm vi 20 đến 42 V Khả năng phóng điện ban đầu của MNTF là 169 mAh/g Mật độ rất cao ở mức 549 wh/kg Mặt khác, tốc độ duy trì công suất sau 20 chu kỳ là 83,0 & percnt ;, thấp hơn giá trị dự đoán là 92,3 & percnt ; Sự giảm khả năng duy trì này được cho là do những thay đổi trong cấu trúc tinh thể của MNTF trong phản ứng điện tích/phóng điện và vết nứt trong các hạt Do đó, các thử nghiệm điện tích/phóng điện bổ sung đã được thực hiện trong phạm vi từ 2,0 đến 41 V trong đó không có thay đổi cấu trúc nào xảy ra Khả năng xả ban đầu là 146 mAh/g, mật độ năng lượng điện cực dương là 449 wh/kg và tốc độ bảo trì công suất sau 20 chu kỳ là 89,1 & percnt ;, cho thấy sự cải thiện về tốc độ bảo trì công suất là 6 & percnt; so với trường hợp với thay đổi pha

Trợ lý Giáo sư Hosaka, người đã lãnh đạo nghiên cứu này, nhận xét, "Chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu với hy vọng rằng bằng cách kết hợp dữ liệu thử nghiệm trong quá khứ tích lũy trong phòng thí nghiệm của chúng tôi với các phương pháp này có thể đưa ra các phương pháp Giảm số lượng thí nghiệm, tăng tốc độ phát triển vật liệu và giảm chi phí

*Nghiên cứu này được thực hiện với các khoản tài trợ từ Bộ Giáo dục, Văn hóa, Thể thao, tỷ lệ kèo nhà cái malaysia học và Công nghệ về Vật liệu điện hóa (DX-GEM, JPMXP1122712807) JPMJAP2313) và Dự án tạo công nghệ GX sáng tạo (GTEX, JPMJGX23S4) Ngoài ra, các thí nghiệm nhiễu xạ tia X sử dụng ánh sáng synchrotron trong nghiên cứu này đã được thực hiện tại BL02B2 với sự chấp thuận của Trung tâm nghiên cứu sử dụng ánh sáng synchrotron (JASRI) tại cơ sở ánh sáng synchrotron lớn (Spring-8)

Thuật ngữ

*1 Synchrotron XRD (SXRD): Phương pháp nhiễu xạ tia X sử dụng ánh sáng synchrotron Bằng cách sử dụng độ sáng cao và tia X năng lượng cao, có thể phân tích cấu trúc tinh thể chi tiết, rất khó sử dụng với nhiễu xạ tia X thông thường và phân tích cấu trúc chính xác cao của các mẫu nhỏ

*2 ICP-AES: Quang phổ phát xạ plasma kết hợp theo tính Một phương pháp để phát hiện phát xạ ánh sáng nội tại của từng phần tử thu được khi một mẫu được đưa vào huyết tương, và thực hiện phân tích định tính và định lượng

*3 SEM: Kính hiển vi điện tử quét Một phương pháp quan sát bề mặt mẫu ở độ phóng đại cao bằng cách áp dụng chùm electron lên bề mặt mẫu trong chân không

Thông tin bài viết

Tên tạp chí

Tạp chí Vật liệu Hóa học A

Tiêu đề của tờ giấy

NA [MN_0.36NI_0.44TI_0.15Fe_0.05] o₂dự đoán qua học máy cho pin Na-ion năng lượng cao

Tác giả

Saaya Sekine, Tomoki Hosaka, Hayato Maejima, Ryoichi Tatara, Masanobu Nakayama và Shinichi Komaba

doi

101039/d4ta04809a