清華大學陳翔團隊JACS：機器學習助力鋰離子電池電解質設計

一、【導讀】

可充電電池的出現徹底改變了現代技術，促進了大規模電網和無數消費電子產品(如智能手機、筆記本電腦和電動汽車)的發展。尤其是鋰離子電池，作為應用最廣泛的可充電電池之一，已經顯著改變了人類的能源消耗模式和生活習慣。雖然鋰離子電池憑借其明顯的優勢多年來一直主導著可充電電池市場，但其實際能量密度正在接近理論極限。因此，現代社會對下一代高能量密度電池的需求越來越大。最近，離子-溶劑復合物模型激發了電解質設計的新見解，并在可充電電池中取得了重大成功。全面研究Li離子與大量溶劑分子之間的相互作用關系至關重要，這有利于通過高效的數據驅動方法設計新的電解質溶劑。由于計算機科學的快速發展，機器學習(ML)方法在從眾多溶劑分子中探索規律性變得越來越方便。科學研究范式從傳統的實驗試錯方法向數據驅動的高通量篩選轉變，為探究離子-溶劑配合物的穩定性與固有分子性質和結構特征之間的關系提供了有價值的見解，從而為電解質設計提供了新的機遇。

二、【成果掠影】

近日，清華大學化學工程系陳翔研究團隊提出了一種數據驅動的方法來探索溶劑還原穩定性的起源，揭示了離子–溶劑化學理論的普遍規律，為先進電解質的分子設計提供了新的理論參考。首先基于圖論算法構建了一個潛在溶劑分子大型數據庫，然后通過第一性原理計算和機器學習方法對所有分子進行了全面的研究。與純溶劑相比，99%與鋰離子配位的溶劑呈現出較低的最低未占據分子軌道（LUMO）能級，離子–溶劑結構形成后電解液還原穩定性降低。溶劑分子的LUMO能級與鋰離子和溶劑的結合能、Li–O鍵長和軌道比因素有關。基于可解釋機器學習方法確定了偶極矩和分子半徑是影響配位溶劑還原穩定性的最關鍵因素。這項工作不僅為離子-溶劑化學提供了富有成效的數據驅動的見解，而且揭示了調節溶劑還原穩定性的關鍵因素，為先進電解液分子設計提供了重要的理論參考。相關研究成果以“ Data-Driven Insight into the Reductive Stability of Ion–Solvent Complexes in Lithium Battery Electrolytes”為題發表在國際著名期刊J. Am. Chem. Soc.?上。

三、【核心創新點】

基于機器學習的方法為離子-溶劑化學提供了富有成效的數據驅動的見解，揭示了調節溶劑還原穩定性的關鍵因素，為先進電解液分子設計提供了重要的理論參考。

四、【數據概覽】

圖1溶劑分子數據庫的生成和可視化

（a）基于圖論算法生成溶劑分子。碳原子和氧原子分別用灰色和紅色標記。（b）基于聚類方法的溶劑分子數據庫可視化。每個點代表一個分子。線性羰基化合物、環羰基化合物、線性醚和環醚分別用黃色、紅色、綠色和藍色標記。

圖2 HOMO、LUMO能級變化與結合能和Li-O鍵長之間的相關性

(a) LUMO和(b) HOMO能級變化與結合能(Eb)的相關性。(c) LUMO和(d) HOMO能級變化與Li-O鍵長的關系。分子顏色映射與圖1相同。線性羰基化合物、環羰基化合物、線性醚和環醚分別用黃色、紅色、綠色和藍色標記。

圖3離子-溶劑配合物LUMO能級的預測

(a)隨機森林（RF）模型示意圖。(b)所有1399個分子的RF模型預測結果。(c)離子-溶劑配合物LUMO能級分布。紅條和綠條中分別主要包含羰基化合物和醚。(d)羰基化合物RF模型預測結果。(e)醚的RF模型預測結果。訓練集用黃色或綠色標記。測試集用紅色或藍色標記。

圖4可解釋機器學習用于預測離子-溶劑配合物LUMO能級

(a)醚的Shapley特征排名。SHAP值表示樣本點對模型性能的貢獻。(b)碳酸二乙酯(DEC)， (c)丁酸乙酯(EB)， (d) 1-乙氧基-2-甲氧基乙烷，(e) 1-(2-乙氧基乙氧基)丙烷，(f) 1,3-二氧基環(1,3-DX)， (g) 4,5-二甲基-1,3-二氧基環分子的幾何結構。氫原子、碳原子和氧原子分別用白色、灰色和紅色標記。

五、【成果啟示】

采用DFT計算和ML模型相結合的方法，對鋰電池電解液中離子-溶劑配合物的還原穩定性進行了全面研究。利用新的基于圖論的算法，建立了一個包含1399種溶劑分子的大型數據庫。在與Li離子配位后，99%的溶劑提供了降低的LUMO能級。LUMO能量變化與結合能、Li-O鍵長、C-O鍵長呈正相關。LUMO能級變化的本質可以歸結為碳2p軌道在LUMO中的貢獻比例。在10種常規ML模型中，RF模型在預測LUMO能級方面的性能最好。基于RF模型的SHAP分析進一步揭示了μ和R是調節LUMO能級的最重要特征。本工作通過數據驅動的方法探討了離子-溶劑配合物的還原穩定性，揭示了影響電解質還原穩定性的重要因素，為先進電解質分子的合理設計提供了重要的理論參考。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c08346

本文由小藝撰稿

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