ミシガン大学とサムスン先端材料研究所の研究者らが実証した、化学的に複雑な材料を作る新しいアプローチのおかげで、電池や半導体などの新しい化学の製造が容易になる可能性がある。

彼らの新しいレシピでは、不純物が少ない電池材料を製造するために型破りな原料が使用されており、コストのかかる精製工程が少なくなり、経済性が向上します。

「過去 20 年にわたり、容量、充電速度、安定性が向上した多くの電池材料が計算機的に設計されてきましたが、市場には投入されていませんでした」と、ダウ大学材料科学工学部の初期キャリア教授であるウェンハオ・サン氏は述べています。研究の責任著者出版されたで自然合成。

「多くの場合、単純な材料が出発点として適していますが、少量の化合物 A と少量の化合物 B を追加すると、魔法が起こり、容量や充電速度が大幅に向上します。ただし、これらは化学的に複雑な材料多くの場合、高純度で大規模に製造するのは困難です。」

バッテリー材料は通常、いくつかの異なる酸化物粉末を混合し、オーブンで焼くことによって作られます。ただし、これらの粉末はすべて同時に反応するのではなく、順番に反応します。通常、反応する最初の 2 つの成分は、反応時に最も多くのエネルギーを放出する成分です。最初の反応により中間化合物が生成され、それが残りの粉末と反応し、それ以上反応できなくなるまで同様に反応します。

もし化学結合中間化合物は分解するのが難しく、他の成分と完全に反応しない可能性があります。完全に反応しない場合、中間体は最終材料中に望ましくない不純物として残ります。

「私たちは不純物を含まない材料をより確実に製造するための戦略を設計しました」と、研究の筆頭著者であり、東京大学の博士課程学生であるジアドン・チェン氏は述べた。材料科学そしてエンジニアリングと科学コンピューティング。「コツは、一度に2つの成分のみを使用し、残りの成分と完全に反応する不安定な中間体を意図的に作ることです。」

この戦略をテストするために、Sun のチームは、今日のバッテリーと次世代の「リチウムを超える」バッテリーに使用されている元素を含む 35 種類の既知の材料を作成するための 224 の異なるレシピを設計しました。

次に研究者らは、マサチューセッツ州ケンブリッジにあるサムスン半導体の先進材料研究所と提携し、彼らのレシピでこれらの 35 種類の材料が従来のレシピよりも不純物が少ないかどうかをテストしました。サムスンの自動ロボット研究室は最大 24 種類の異なる物質を合成できる電池材料72時間ごと。

ロボット アームが材料を扱い、得られた材料の純度を評価する実験装置を操作します。一方、コンピューターは各実験の結果を自動的に記録し、研究者がどのレシピが最も効果的かを判断するために使用できるデータベースを作成します。

「自動実験室を使えば、さまざまな電池の化学的性質に関する仮説を幅広くテストできます」とチェン氏は語った。

実験では、不安定になるように設計された成分を含む新しいレシピが、よりクリーンな製品を生産する傾向があることを確認しました。新しいレシピにより材料の純度は最大 80% 向上し、対象の材料のうち 6 つは新しいレシピでのみ製造できました。

ロボット実験室の青写真はチームの報告書に詳しく記載されており、サン社はこれにより、より多くの化学実験室が科学と材料製造の両方にロボット実験室を導入できるようになることを期待している。

「材料製造戦略を改​​善するには、成功したレシピだけでなく、失敗したレシピからも多くのデータが必要です。より多くのロボット研究所が必要なデータの生成に役立つでしょう」とサン氏は述べた。

これらの研究室はほとんどの研究機関がアクセスできる範囲にあり、材料開発を大幅にスピードアップできる可能性があると研究者らは述べている。

「ロボット装置の初期費用は約 12 万ドルで、皆さんが思っているほど高くはありません。しかし、スループット、信頼性、データ管理における見返りは非常に貴重です」と、研究共著者で主任エンジニア兼プロジェクトのヤン・エリック・ワン氏は述べています。サムスンの先端材料研究所のマネージャー。