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上交李金金EnSM: 機器學(xué)習(xí)篩選具有高電導(dǎo)率和快速離子動力學(xué)的Mg/Zn離子電池正極的尖晶石結(jié)構(gòu)

具有各種孔隙率的尖晶石結(jié)構(gòu)是用于提高電極材料性能的有前途的離子電池正極。對于Mg/Zn離子電池，現(xiàn)有的尖晶石正極材料不能滿足綜合性能要求，如高離子擴散、導(dǎo)電性和低體積膨脹等，這就需要不斷開發(fā)新材料。

然而一種新材料的發(fā)現(xiàn)往往是在篩選了數(shù)千種不同的材料結(jié)構(gòu)后才發(fā)現(xiàn)的，需要花費巨大的時間和金錢成本。機器學(xué)習(xí)在材料篩選和預(yù)測領(lǐng)域的應(yīng)用日益成熟。

在此，上海交通大學(xué)李金金研究員等人基于機器學(xué)習(xí)方法對元素周期表中的所有尖晶石結(jié)構(gòu)進行了全面篩選，確定了高電導(dǎo)率和快速離子動力學(xué)的最佳鎂/鋅離子電池正極材料，預(yù)測準確率為91.2%。

圖1. 基于機器學(xué)習(xí)的材料篩選過程

作者使用目標驅(qū)動的XGBoost算法來加速預(yù)測，并報告了六種新的尖晶石結(jié)構(gòu)（MgNi₂O₄、MgMo₂S₄、MgCu₂S₄、ZnCa₂S₄、ZnCu₂O₄和ZnNi₂O₄），具有高電導(dǎo)率、高離子擴散 (>1×10^-9 cm²s^-1)、低體積膨脹 (<22%) 和室溫下的熱穩(wěn)定性，是Mg/Zn離子電池的最佳正極。

其中，MgNi₂O₄、MgMo₂S₄、MgCu₂S₄、ZnCu₂O₄和ZnNi₂O₄被預(yù)測為五種新型超離子導(dǎo)體，在室溫下具有極高的離子電導(dǎo)率（>10^-4 S·cm^-1）。這項研究所提出的策略縮短了鎂/鋅離子電池正極尖晶石篩選的研究周期，并為高性能3D電極材料的設(shè)計提供了解決方案。

圖2. 機器學(xué)習(xí)的測試精度及金屬材料占比

A Machine Learning Shortcut for Screening the Spinel Structures of Mg/Zn Ion Battery Cathodes with a High Conductivity and Rapid Ion Kinetics, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.07.042

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