材料基因組方法促進(jìn)鋰電池材料研發(fā)

近年來，在鋰二次電池新材料的研發(fā)中，基于材料基因組學(xué)思想的高通量計(jì)算的理論工具和研究平臺(tái)逐漸建立。在該平臺(tái)上，結(jié)合不同精度的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了基于離子輸運(yùn)性質(zhì)的物質(zhì)篩選。通過將信息學(xué)中的數(shù)據(jù)挖掘算法引入到高通量計(jì)算數(shù)據(jù)的分析中，證實(shí)了閱文大數(shù)據(jù)的可行性。

該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了新材料研發(fā)在鋰電池固體電解質(zhì)高通量篩選、優(yōu)化和設(shè)計(jì)中的示范應(yīng)用，通過高通量計(jì)算篩選，獲得了Li2SiO3和Li2SnO3兩種化合物，可作為富鋰正極的包覆材料，有效提高了富鋰正極的循環(huán)穩(wěn)定性；通過對(duì)摻雜策略的高通量篩選，獲得了提高固體電解質(zhì)-Li3PS4離子電導(dǎo)率和穩(wěn)定性的方案。一種新的硫氧化物固體電解質(zhì)：是通過高通量結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的。在零應(yīng)變電極材料構(gòu)效關(guān)系研究中，嘗試了大數(shù)據(jù)分析，分析了零應(yīng)變電極材料的設(shè)計(jì)依據(jù)。上述材料基因組方法在鋰電池材料研發(fā)中的應(yīng)用，為這種新的研發(fā)模式在其他類型材料研發(fā)中的推廣提供了可能。

傳統(tǒng)的電池材料研發(fā)是基于"反復(fù)試驗(yàn)"，而且從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的周期很長(zhǎng)，一般需要20年甚至更久。"物質(zhì)基因組計(jì)劃"為鋰電池新材料的開發(fā)提供了新思路?？茖W(xué)研究的關(guān)鍵"材料基因組"就是意識(shí)到"高吞吐量"材料的研發(fā)，也就是完成"一批"而不是"一"材料樣品。

計(jì)算模擬、制備和表征，即高通量計(jì)算、高通量制備和高通量表征，實(shí)現(xiàn)材料的系統(tǒng)篩選和優(yōu)化，從而加速材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的過程。使用"材料基因工程"，通過高通量、多尺度、大規(guī)模的計(jì)算和搜索，借助數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和方法，有望篩選出可能具有優(yōu)異性能的新材料。設(shè)計(jì)了結(jié)合不同精度計(jì)算方法的高通量篩選過程：

首先根據(jù)材料的使用條件通過元素篩選縮小范圍，然后通過快速鍵價(jià)計(jì)算初步篩選出離子傳輸勢(shì)壘較大的化合物，最后通過密度泛函模擬對(duì)上一步篩選的材料進(jìn)一步精確計(jì)算得到最終候選材料，有效提高了整體篩選效率，實(shí)現(xiàn)了鋰二次電池材料中快離子導(dǎo)體的高效篩選。

圖1通過一系列命令腳本實(shí)現(xiàn)了操作過程的自動(dòng)化。

1.富鋰陰極新型涂層材料的篩選。

通過高通量計(jì)算，綜合考慮結(jié)構(gòu)匹配、擴(kuò)散通道和電導(dǎo)率，找到了可能與鋰離子電池富鋰正極材料匹配的兩種包覆化合物L(fēng)i2SiO3和Li2SnO3。這兩種材料屬于離子化合物，具有良好的離子導(dǎo)電性，化學(xué)結(jié)構(gòu)與富鋰材料中的母體Li2MnO3相似((1.x)Li2MnO3xLiMO2)，所以可以盡量選擇它作為富鋰材料的表面修飾層。

用鍵價(jià)法計(jì)算(a)Li2SiO3和(b)Li2SnO3的離子傳輸通道。

2.通過高通量計(jì)算篩選出固體電解質(zhì)Li3PS4的優(yōu)化改性方案。

將密度泛函計(jì)算與鍵價(jià)計(jì)算相結(jié)合，可以通過高通量計(jì)算篩選出大量的摻雜改性方案?？梢岳媚軌驕?zhǔn)確確定晶體結(jié)構(gòu)的密度泛函計(jì)算獲得摻雜原子的位置信息，然后通過鍵價(jià)計(jì)算快速選擇有利于降低鋰離子遷移勢(shì)壘的摻雜方案。通過在-Li3PS4的P位摻雜銻、鋅、鋁、鎵、硅、鍺和錫，以及在S位摻雜氧的研究

3.通過高通量結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法發(fā)現(xiàn)了新結(jié)構(gòu)的固體電解質(zhì)。

利用CALYPSO軟件在Li-Al-S-O的元素空間中構(gòu)造各種空間群的晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能量計(jì)算，在能量較低的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上生成新的結(jié)構(gòu)。在這個(gè)優(yōu)化過程中，逐漸找到這四種元素以1:1:1:1的比例形成的最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果表明，這種新的硫氧化物L(fēng)iAlSO具有類似于-NaFeO2的正交結(jié)構(gòu)。Al2O3的層沿著B軸方向平行排列，并且Li離子位于層之間以與S和O形成扭曲的四面體單元.

圖4 (a)顯示了通過高通量晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)算法獲得的含有鋰氧硫化物的LiAlSO的晶體結(jié)構(gòu)；(b)通過密度泛函計(jì)算獲得的結(jié)構(gòu)中鋰離子的傳輸勢(shì)壘。

4.利用數(shù)據(jù)挖掘方法研究零應(yīng)變電極材料的結(jié)構(gòu)與體積變化之間的關(guān)系。

基于材料基因思想的高通量計(jì)算和高通量實(shí)驗(yàn)測(cè)試，不僅為新材料的研發(fā)提供了新的研究思路，也帶來了倍增的數(shù)據(jù)信息，為大數(shù)據(jù)方法在材料科學(xué)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)已被用于獲得材料性質(zhì)與各種復(fù)雜物理因素之間的統(tǒng)計(jì)模型，如通過預(yù)測(cè)分子的原子化能來尋找熱力學(xué)穩(wěn)定的新化合物。

圖5顯示了用數(shù)據(jù)挖掘方法研究目標(biāo)變量與描述性因素相關(guān)性的三個(gè)主要步驟：首先，需要獲得不同樣本中目標(biāo)變量的數(shù)據(jù)。這里，對(duì)于尖晶石正極材料LiX2O4和層狀正極材料LiXO2(X是變價(jià)元素)的28種結(jié)構(gòu)，通過密度泛函計(jì)算優(yōu)化脫鋰前后的材料結(jié)構(gòu)，并獲得由脫鋰引起的體積變化的百分比。

接下來，需要為每個(gè)樣品建立一系列描述因子，在原子水平上表達(dá)其微觀信息。在本研究中，為每個(gè)結(jié)構(gòu)選擇了34個(gè)描述因子，包括7個(gè)與晶格參數(shù)相關(guān)的參數(shù)、10個(gè)與組成元素的基本性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)、12個(gè)與局部晶格變形相關(guān)的參數(shù)、3個(gè)與電荷分布相關(guān)的參數(shù)和2個(gè)與組分相關(guān)的參數(shù)。

有了描述因素和目標(biāo)變量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)挖掘就可以用來建立因素和變量之間的關(guān)系。對(duì)于已建立的模型，需要用統(tǒng)計(jì)參數(shù)來評(píng)價(jià)其可靠性和預(yù)測(cè)能力，并能在合理的預(yù)測(cè)范圍內(nèi)對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖5用多元線性回歸數(shù)據(jù)挖掘方法分析脫鋰前后晶格體積變化與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

通過使用"留一個(gè)出來"方法，發(fā)現(xiàn)在上述問題中使用11個(gè)相關(guān)變量(11個(gè)分量)時(shí)，Q2指數(shù)最大，說明此時(shí)得到的模型最穩(wěn)定。進(jìn)一步的因素重要性分析表明(圖6)雖然離子半徑是晶格體積變化的重要決定因素，但體積變化不僅與離子半徑有關(guān)，還與過渡金屬的成鍵參數(shù)和過渡金屬氧八面體的局域結(jié)構(gòu)有關(guān)。在該模型的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建含有多種過渡金屬的正極材料，共同調(diào)節(jié)嵌鋰過程中體系的體積變化，使鋰含量變化引起的晶格體積變化率最小化。

圖6使用PLS模型因子重要性分析來探索在除鋰過程中對(duì)陰極材料的體積變化有很大影響的參數(shù)。

針對(duì)固態(tài)鋰二次電池的研發(fā)，及時(shí)探索適合鋰電池材料的高通量計(jì)算方法，開發(fā)了包括離子輸運(yùn)性質(zhì)在內(nèi)的不同精度的計(jì)算方法，建立了基于鋰離子輸運(yùn)壘的高通量計(jì)算的篩選和優(yōu)化流程，實(shí)現(xiàn)了多種材料的并發(fā)計(jì)算、計(jì)算中間過程監(jiān)控、計(jì)算結(jié)果分析、基于計(jì)算結(jié)果的材料性能判斷和考核等功能。利用這個(gè)自主研發(fā)的高通量計(jì)算平臺(tái)，從無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中成功篩選出了含鋰氧化物，并找到了兩種能夠提高富鋰正極循環(huán)性能的包覆材料。通過高通量計(jì)算優(yōu)化了硫化物固體電解質(zhì)的摻雜方案，提出了用多種陰離子構(gòu)建固體電解質(zhì)的設(shè)計(jì)思路，發(fā)明了一種全新的硫氧化物固體電解質(zhì)。根據(jù)高通量計(jì)算收集的數(shù)據(jù)，在正極材料脫鋰過程中體積變化的研究中嘗試了多元線性回歸的數(shù)據(jù)分析方法，為進(jìn)一步將數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等工業(yè)智能方法引入鋰二次電池的研發(fā)提供了可能。