С момента своего появления в 1980-х годах литий-ионные аккумуляторы коренным образом изменили повседневную жизнь людей. От проверки погоды утром после отключения зарядного устройства до повторной зарядки телефона ночью — за этим циклом стоит десятилетия накопления технологий в области аккумуляторов. Однако с ростом рыночного спроса на электромобили и системы накопления энергии перед отраслью встают задачи снижения стоимости батарей и обеспечения стабильности цепочек поставок.
Профессор факультета машиностроения имени Уокера Техасского университета в Остине Арумугам Мантирам в своей последней статье, опубликованной в журнале «Nature Energy», сосредоточился на самом дорогом компоненте литий-ионных аккумуляторов — катодных материалах. Мантирам с 1986 года изучает внутренние химические механизмы батарей в Школе инженерии Кокрелла. Он отмечает: «Литий-ионные аккумуляторы доминируют на рынке перезаряжаемых устройств благодаря своей безопасности, плотности энергии и длительному сроку службы. Даже если появятся другие технологии, литий-ионные батареи останутся». В 2024 году стоимость рынка литий-ионных аккумуляторов оценивается примерно в 60 миллиардов долларов США, и ожидается, что эта цифра утроится в течение следующего десятилетия по мере роста спроса на эффективные электромобили и системы накопления энергии.
Однако доступ к материалам для батарей становится всё более сложным. Нарушения цепочек поставок из-за региональных конфликтов, изменений в политике или экологических факторов становятся всё более частыми. Катод, являющийся одним из трёх ключевых компонентов батареи, обычно составляет половину общей стоимости материалов аккумулятора. Катод состоит из никеля, лития и кобальта — именно эти полезные ископаемые являются наиболее уязвимыми звеньями в цепочке поставок. Мантирам заявляет: «Снижение содержания кобальта, увеличение доли никеля и решение проблем стабильности — важные задачи на сегодняшний день».
Статья в «Nature Energy» подробно анализирует сложность оксидных катодов и рассматривает, как использование наборов данных машинного обучения может ускорить разработку батарей будущего. Мантирам выделил три фактора, влияющих на поведение и производительность оксидных катодов: электронную конфигурацию, химические связи и химическую реакционную способность. Различные химические связи изменяют рабочее напряжение, влияют на термическую стабильность и безопасность; химическая реакционная способность связана с выделением газа и стабильностью циклирования; электронная конфигурация определяет, какие материалы подходят или не подходят для сочетания. Например, железо при сочетании с литием может оказывать негативное влияние.
Эти факторы генерируют огромные объёмы данных. Вся отрасль материаловедения обучает алгоритмы машинного обучения для помощи в экспериментальных исследованиях. Команда Мантирама использует оборудование Института материалов Техаса для проведения характеризационных экспериментов, генерируя сложные наборы данных, которые затем анализируются искусственным интеллектом, обученным командой, после чего цикл экспериментов повторяется для оптимизации прогнозных моделей.
Мантирам подчёркивает: «Нельзя полагаться только на машинное обучение, необходимо и человеческое вмешательство. Независимо от того, что покажет исследование, нам нужно это понять». Он надеется, что эта статья создаст образовательную основу, которая побудит исследователей глубже понимать катодные материалы, тем самым ускоряя процесс разработки при одновременном снижении проблем с безопасностью.
Детали публикации: Авторы: Арумугам Мантирам и др. Название: «Химические факторы, управляющие поведением оксидных катодов в батареях». Опубликовано в: «Nature Energy» (2026). Информация о журнале: «Nature Energy»
