В самом начале нового года стало известно, что Microsoft и Pacific Northwest National Laboratory смогли разработать новый материал, который теоретически может снизить объём используемого при создании аккумуляторов лития. Во всяком случае батарея на базе этого соединения уже готова и работает в качестве proof of concept. В статье поговорим о дефиците Li и о новом материале, который создан при помощи технологий искусственного интеллекта. Все подробности — под катом.

В чём заключается «литиевая» проблема

Литий часто называют «белым золотом» из-за высокой рыночной стоимости ($13 440) и характерного серебристого цвета. Этот мягкий и пластичный металл — основной компонент перезаряжаемых литий-ионных батарей, которые используются во всех электронных устройствах: от смартфонов до электрических транспортных средств. Исследование от Международного энергетического агентства (IEA) показало, что мир столкнётся с дефицитом лития уже к следующему году из-за увеличения производства аккумуляторов для электромобилей.

Согласно анализу американского Министерства энергетики, спрос на литий-ионные батареи вырастет в 10 раз к 2030 году. А это, в свою очередь, приводит к развёртыванию заводов по их производству. К сожалению, предложение не поспевает за спросом, поскольку разработка новых месторождений и добыча лития занимают годы. Кроме того, промышленная инфраструктура такого рода оказывает сильное негативное воздействие на состояние окружающей среды. В частности, требуются огромные объёмы воды и энергии, а после завершения цикла добычи и переработки остаются отвалы карьеров, сами карьеры, шахты и токсичные отходы. Сейчас об охране окружающей среды стали сильно заботиться даже в КНР, где раньше этот вопрос никогда не стоял в списке приоритетных на повестке дня.

Проблема с литием ещё и в том, что бо́льшая часть глобального рынка этого ресурса принадлежит Китаю. И речь не об исходном сырье, руде и продуктах её первичной переработки. Здесь впереди планеты всей Австралия, Чили и Аргентина. Но Китай умеет работать в полный цикл обработки сырья, причём весь процесс занимает минимум времени. А главное — в этой стране есть несколько гигафабрик для производства аккумуляторных батарей самых разных форм-факторов и назначения.

И пока здесь ничего не поделать — шесть из десяти самых крупных производителей батарей находится как раз в Китае. Всё сложилось именно так, поскольку правительство страны давно уже сделало добычу и переработку лития одним из национальных приоритетов.

О ранее работавшие, но ныне «сломавшиеся» логистические цепочки глобальный бизнес за последние года 4 обжигался не раз, поэтому сейчас идёт наращивание добычи и переработки лития в других странах. Также учёные ищут альтернативу дефицитному металлу.

Возможное решение

Microsoft и Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) объединились для поиска альтернативных материалов для производства батарей. Ими было обнаружено новое вещество, названное N2116, которое, пока что в теории, способно снизить необходимость литиевых элементов в аккумуляторах на 70%.

Для поиска нового материала исследователи сформировали список из 32 миллионов потенциально подходящих неорганических веществ, который за неделю сузился до 18 «кандидатов» на замену литию. Если бы учёные использовали традиционные методы поиска, у них ушло бы не меньше 20 лет на получение тех же самых результатов. Однако с применением искусственного интеллекта и высокопроизводительных компьютеров для решения сложных научных и математических задач процесс значительно ускорился и занял всего неделю.

От момента обнаружения N2116 до создания первого рабочего прототипа батареи прошло менее девяти месяцев. Аккумулятор впоследствии был использован в качестве питательного блока для обычной лампочки, где и продемонстрировал свою работоспособность.

Роль нового типа ИИ и возможные проблемы

Новая ИИ-система, разработанная Microsoft, способна глубоко разбираться в химии. Алгоритмы искусственного интеллекта, задействованные в процессе поиска N2116, были обучены на научных материалах, базах данных различных соединений и свойствах веществ. Эксперты подчёркивают важность использования ИИ и суперкомпьютеров для отбора оптимальных веществ, которые могут стать будущим отрасли аккумуляторов и элементов питания.

Карл Мюллер, директор Pacific Northwest National Laboratory, заявил, что при помощи новой обученной нейросети они могут модифицировать, настраивать, тестировать химический состав N2116 и быстро оценивать его техническую жизнеспособность для создания батареи, ускоряя прогресс в этой отрасли.

Доктор Нурья Тапия-Руис, руководитель исследовательской группы химического факультета Имперского колледжа Лондона, отметила, что любой материал с хорошими характеристиками энергосохранения и позволяющий сократить использование лития — «священный Грааль» в производстве литий-ионных батарей. «Искусственный интеллект и суперкомпьютеры станут ключевыми инструментами для наших исследователей в ближайшие годы для поиска новых высокопроизводительных материалов», — сказала она.

Однако доктор Эдвард Брайтман, преподаватель по химической технологии в Университете Стратклайд, уверен, что полагаться на новые методы исследований стоит с осторожностью. «Искусственный интеллект может выдавать ложные результаты или расчёты, которые сначала кажутся подходящими, а затем оказываются уже известным науке веществом либо таким материалом, что невозможно синтезировать в лаборатории», — сказал он.

Преимущества и перспективы N2116

Материал N2116 — твердотельный электролит с потенциалом сохранения энергии. Он теоретически способен стать основным элементом для батарей с высокой энергоёмкостью и запасом на тысячи циклов заряда. При этом твердотельные батареи более безопасные, чем Li-Ion-элементы.

Совместное открытие Microsoft и Pacific Northwest National Laboratory, возможно, позволит не только снизить потребность в добыче и использовании лития в батареях, но и решить важные проблемы окружающей среды. Ускоренный инновационный цикл, который заключается в быстром выявлении и разработке новых материалов, позволит сохранить как человеческие, так и материальные ресурсы, а также сократить время, необходимое на достижение требующегося «уже вчера» результата.