AI van Cornell vindt 63.000 kandidaat-materialen voor vastestofbatterijen

Wetenschappers van Cornell University in de Verenigde Staten hebben een kunstmatige-intelligentiemodel ontwikkeld dat op zoek gaat naar materialen voor vastestofbatterijen. Dat zijn accu's waarin de vloeibare, brandbare elektrolyt van gewone lithium-ionbatterijen vervangen is door een vaste stof. Dat maakt ze in theorie veiliger, omdat het risico op lekkage en brand kleiner wordt. Het probleem is alleen dat lithium-ionen zich in de meeste vaste materialen te traag verplaatsen om een batterij goed te laten werken.

Om sneller geschikte kandidaten te vinden, bouwde het team een AI-model genaamd IonNet. Dat model voorspelt hoe goed lithiumionen door een materiaal kunnen bewegen, puur op basis van de chemische samenstelling. Dat is een belangrijk verschil met bestaande AI-modellen voor materiaalonderzoek, die meestal een exacte kristalstructuur nodig hebben. Van veel nieuwe of pas ontdekte materialen is die structuur nog niet bekend, waardoor ze normaal buiten beeld blijven.

Van 87 naar 63.000 kandidaten

De onderzoekers lieten IonNet eerst los op zo'n 4.500 bekende, stabiele materialen en vonden daarin 87 veelbelovende kandidaten. Vervolgens breidden ze de zoektocht uit naar vijf miljoen chemische varianten, gemaakt door bestaande materialen licht aan te passen. Daar kwamen liefst 63.000 kandidaten uit die mogelijk geschikt zijn als snelle ionengeleider. Om te checken of die voorspellingen kloppen, onderwierpen de wetenschappers twintig materialen aan zware natuurkundige simulaties. Dertien daarvan bleken inderdaad goed te presteren.

Volgens hoogleraar Fengqi You, medeauteur van de studie, is dat filterproces waardevol omdat het rekenwerk voor materiaalontwerp enorm kostbaar is. Eén enkel materiaal doorrekenen met gedetailleerde simulaties kan tienduizenden uren computertijd kosten. Door eerst met AI de kansrijke kandidaten eruit te zeven, hoeven onderzoekers minder vaak dat dure rekenwerk of dure labexperimenten te doen. IonNet levert bovendien vuistregels op over welke chemische eigenschappen ionen sneller laten bewegen, wat helpt om gericht nieuwe materialen te ontwerpen in plaats van te gokken.

Hogere spanning met een andere aanpak

In een tweede, apart onderzoek van dezelfde onderzoeksgroep, samen met de Universiteit van Puerto Rico, werd een ander soort accu onder handen genomen: de concentratiebatterij. Die wekt stroom op uit verschillen in de samenstelling van de elektrolyt, in plaats van uit twee verschillende elektrodematerialen zoals bij gewone batterijen. Concentratiebatterijen stonden bekend als zwak: ze haalden doorgaans niet meer dan 0,06 volt.

Door de chemische omgeving rond de ionen aan te passen, wisten de onderzoekers zink- en kopergebaseerde varianten op te voeren tot 0,7 volt, ruim tien keer zoveel. In combinatie met gangbare elektroden kwamen ze uit op waterbatterijen die tussen de 2,2 en 2,5 volt leveren, meer dan een gewone AA-batterij van 1,5 volt. De studies zijn gepubliceerd in de vakbladen Science Advances en Nature Communications.