通过自动实验机器人和数据科学的合作，成功开发了提高锂空气电池循环寿命的电解液 概要
1.国立研究开发法人物质材料研究机构(以下简称“NIMS”)确立了将独自开发的电化学自动实验机器人和数据科学方法相结合的新的材料探索方法。 将本方法应用于锂空气电池用电解液材料探索的结果，成功开发了将充放电循环寿命提高约2倍的电解液材料。 此次确立的蓄电池用电解液材料探索方法，有望成为加快今后新一代蓄电池开发的有力方法。
2.蓄电池是现代社会必不可少的存在，近年来，从应用于车载用途到智能电网用等固定用蓄电池的用途，需求越来越高。 另一方面，现行锂离子电池的性能已接近其理论极限，基于新反应原理的创新蓄电池有望早日实用化。 锂空气电池是负极使用金属锂，正极使用大气中的氧作为活性物质的蓄电池，能够实现锂离子电池的2~5倍以上的能量密度，因此是创新蓄电池的最有力候补。 但是，在锂空气电池的实用化中，充放电循环数低成为了课题。 特别是在正极反应和负极反应中，实现高反应效率的电解液材料的开发，在增大锂空气电池的充放电循环数方面成为了最大的瓶颈。 特别是，电解液中含有多种被称为添加剂的微小浓度的成分，这些选定一直以来都是通过依靠研究者的经验和直觉的反复试验的方法进行研究的。 需要研究的化合物候选、组合数量庞大，添加剂功能表达机制复杂，难以设计合理的材料，这成为阻碍材料探索加速的最大原因，人们期待实现新的材料探索方法。
3.研究小组通过电化学自动实验机器人和数据科学方法的结合，尝试解决了以往反复试验方法的问题。 迄今为止，研究小组独自开发出了能够以人力100倍以上的速度实施电解液的配制及其电池性能评价的电化学自动实验机器人。 本文试图通过对这次由自动实验机器人得到的大量实验数据应用以贝叶斯优化为代表的数据科学方法来提高材料搜索的效率。 结果，对约1万种以上的电解液材料进行了评价，成功地发现了实现锂空气电池的充放电循环数提高的电解液材料。
4.此次建立的新型电解液材料探索方法，适用于锂-空气电池以外的各种蓄电池电解液材料探索，有望加快今后新一代蓄电池的开发。
5.作为JST/ALCA-SPRING以及JST/共创的场地形成支援计划( COI-NEXT )政策重点领域环境能源领域的研究开发的一部分，由松田翔一主任研究员、LAMBARD Guillaume主任研究员、袖山庆太郎小组组长等研究小组进行。
6.本研究成果将于日本时间2022年3月23日在线发表在《 电池报告物理科学》杂志上。 研究背景 为了实现碳中性，社会对提高蓄电池性能的需求逐年提高。特别是在以电动汽车为中心的车载用途中的应用，以及能够有效利用可再生能源的智能电网系统用等固定用途电源中，蓄电池的需求有望扩大。 另一方面，现行锂离子电池的性能已接近其理论极限，基于新反应原理的创新蓄电池有望早日实用化。 锂-空气电池1是负极使用金属锂，正极使用大气中的氧作为活性物质的蓄电池，能够实现锂离子电池的2~5倍以上的能量密度，因此是创新蓄电池的最有力候补。 但是，在锂空气电池的实用化中，充放电循环数低成为了课题。 特别是在正极反应和负极反应中，实现高反应效率的电解液材料的开发，在增大锂空气电池的充放电循环数方面成为了最大的瓶颈。 一般来说，存在适合正极反应的电解液不适合负极反应，相反，适合负极反应的电解液不适合正极反应的折衷关系。 为了解决这个问题，电解液中会导入多种微量成分作为添加剂。 通过在电极和电解液的界面形成来自添加剂的稳定的被膜，可以在正极、负极双方可逆地进行反应。 一直以来，电解液添加剂的开发都是通过依靠研究者的经验和直觉的反复试验的方法进行的。 但是，需要研究的化合物的候选、组合数量庞大，添加剂的功能表达机制复杂，因此难以进行合理的材料设计，这成为阻碍材料探索加速的最大原因，人们期待着新的材料探索方法的实现。 研究内容和成果 研究小组通过将电化学自动实验机器人2和数据科学方法结合起来，尝试解决以往试行错误方法的问题。 迄今为止，研究小组独自开发了能够以人力100倍以上的速度实施电解液的配制及其电池性能评价的自动实验机器人(图1 )。 这次，在开发锂空气电池用的电解液时，以酰胺类电解液为目标。 酰胺系电解液具有对氧正极中的溶剂分解的耐性高的特征。 另一方面，由于还原耐性不高，因此在金属锂负极侧，反应效率低是一个课题。 因此，尝试了通过在酰胺系电解液中导入多种添加剂来提高负极中的反应效率。 具体来说，我们以15种化合物、2种浓度水平的候选添加剂中选定5种的1000万以上的组合为对象，进行了探索。 与以往人类进行实验的情况相比，使用电化学自动实验机器人可以对大量的样品进行评价。
图1这次研究中使用的电化学自动实验机器人的概要。 ( a )注液部:将各种组成电解液自动注入电池中，用机械臂运送到电极部，( b )整体情况，( c )电极部:上下电极夹住电池，一次评价电解液的特性。
研究小组对从1000多万个候补中随机选定的4320种样品，通过实验评价了其负极反应效率。 结果表明，不引入添加剂时，负极反应效率为60.4 %，而引入合适的添加剂时，负极反应效率可提高到86.1 %。 并且，应用了局部最佳值法和贝叶斯优化3等数据科学方法，尝试了提高搜索效率。 结果，与随机进行探索的情况相比，成功地发现了显示出更高负极反应效率的电解液组成(图2 )，负极的反应效率最高达到92.8 %。
图2使用各种搜索方法时，发现的电解液性能的经时变化。 与随机搜索(黑线)相比，使用局部最佳值法(红线)或贝叶斯优化(蓝线)时可以更有效地发现高性能电解液。
研究小组最终进行了1万多种电解液材料的评价，对其中有前景的材料进行了锂空气电池的长期循环寿命评价试验。 使用这次发现的电解液添加剂时，锂空气电池的性能评价试验的结果如图3所示。 研究表明，通过引入由锂双三氟甲磺酰亚胺、溴化锂、氯化锂、双草酰硼酸锂、1，3 -二氧戊环构成的添加剂，充放电循环寿命将增大约2倍。 此次发现的电解液添加剂在锂负极和电解液的界面形成稳定的复膜被认为是充放电循环数提高的主要原因。 实际上，在分析负极上形成的被膜的组成时，高浓度地检测出了Li2CO3和Li2O等已知有助于提高负极反应效率的化合物。 在这次发现的电解液中，如果即使缺少所含的添加剂成分之一，其反应效率也会大幅降低，因此推测通过导入多种的添加剂成分协调发挥作用，实现了高反应效率。
图3锂空气电池的充放电曲线。 与未添加添加剂的电解液(黑线)相比，此次发现的含有添加剂的电解液(蓝线)的循环寿命提高了2倍左右。
今后的开展 本研究对以往反复试验进行的电解液材料的开发，产生了很大的冲击。 此次开发的方法不仅适用于锂-空气电池用电解液，还适用于采用液体电解质的蓄电池系统，因此有望应用于钠离子电池和镁电池等各种蓄电池用电解液材料的开发。
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