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新领域!新观点!PNAS同日上线两篇关于斯坦福大学崔屹教授的文章
2023/3/2 16:17:48 | 浏览:992 | 评论:0

2月27日,PNAS同日上线两篇关于美国斯坦福大学崔屹教授的文章,一篇以《Profile of Yi Cui》为题介绍了崔屹教授整个科研生涯,另一篇以《Data-driven electrolyte design for lithium metal anodes》则着重介绍了崔屹教授在以往研究的基础上,通过采用新的技术-人工智能-实现电解液的筛选工作,而且提出了之前从未提出的新观点。

新领域!新观点!PNAS同日上线两篇关于斯坦福大学崔屹教授的文章

科研路程

兴趣培养

深受父亲的影响,崔屹教授从小对科学产生了兴趣,从小学、初中和高中,一直到大学化学专业毕业,对化学的了解源于高中化学老师的父亲。中科大毕业后,然后在哈佛大学Charles Lieber教授的指导下,攻读物理化学博士学位,在那里他从事硅纳米线的研究并开发了高灵敏度的纳米级传感器

2002年,完成博士学位后,前往加州大学伯克利分校攻读博士后。在Paul Alivisatos指导下,开展胶体纳米晶体的研究。
用于储能的纳米科学

2005年,崔屹教授在斯坦福大学创办了自己的实验室,利用纳米科学解决能源、可持续性和环境问题。然而,开辟一条新道路并非没有挑战。“在早期,我很难获得项目资金,这非常具有挑战性,”崔屹教授说。然而,在巴拉克•奥巴马(Barack Obama)成为美国总统并任命朱棣文(Steven Chu)为能源部长后,资金状况有所改善。“电池研究即将爆发,资源巨大......流入其中。

2007年底,崔屹教授首次描述了使用纳米科学方法来解决与硅电极相关的一些挑战,这篇论文实际上是一个里程碑,它启动了储能纳米科学的新研究领域。
最近,崔屹教授利用冷冻电子显微镜在原子尺度上研究电池中的能量转换过程。“2017年,在《Science》杂志上发表了一篇论文,说明了新的强大工具能够有助于获得更好的理解。

从实验室到产业化
2008年,崔屹教授成立了他的第一家创业公司Amprius,将高能量密度可充电锂离子电池的硅负极商业化,且于2022年9 月成为上市公司。

2015年,崔屹教授创立了4C Air,开发用于清洁空气的纳米材料。

2020年,崔屹教授成立了另一家公司EnerVenue,将镍氢和锰氢气电池商业化,用于大规模可再生能源存储。

2021年,崔屹教授成立了LifeLabs Design,将实验室开发的新纺织技术商业化。
在寻找推进纳米科学并将其应用于现实世界的方法时,崔经常采用新技术。在他的首篇文章中,他使用人工智能来发现更好的电解质,这是电池的关键组成部分(11)。“拥有更稳定、更高效的电解质要好得多,”崔说。“但电解质的发现主要是通过反复试验,并掺杂了一些化学直觉,”他说。

2023年,崔屹教授决定采用机器学习方法,以加快发现用于电池的更好电解液。
2
数据驱动AI实现电解液高效设计
提高库仑效率(CE)是锂金属电池得到进一步应用的关键,其中电解液工程已成为一种重要修饰策略,但其复杂性使电解液的性能预测和设计具有极大的挑战性。

在此,美国斯坦福大学崔屹教授和Stacey F. Bent教授开发了机器学习(ML)模型来帮助和加速高性能电解液的设计。作者利用电解液的元素组成作为模型的特征,同时应用线性回归、随机森林和集成模型来识别预测CE的关键特征。模型显示,溶剂氧含量(sO)的降低是得到优异CE的关键。同时,使用ML模型设计了无氟溶剂的电解液配方,实现了高达99.70%的CE。这项工作突出了数据驱动方法的前景,其可以加速锂金属电池的高性能电解液的设计。

相关文章以“Data-driven electrolyte design for lithium metal anodes”为题发表在PNAS上。

Data-driven electrolyte design for lithium metal anodes

Contributed by Yi Cui; received September 2, 2022; accepted January 5, 2023; reviewed by Ju Li, Venkat Viswanathan, and Chunsheng Wang
This contribution is part of the special series of Inaugural Articles by members of the National Academy of Sciences elected in 2022.
February 27, 2023
120 10 e2214357120

Significance

The liquid electrolyte plays a central role in lithium metal batteries, particularly in dictating the battery cyclability. Electrolyte engineering in recent years has become a promising strategy to improve cyclability in lithium metal batteries. However, owing to the complexity of electrolyte design, prediction of Coulombic efficiency and efficient design of electrolytes remains challenging. In this work, we adopt a data-driven approach to build machine learning(ML)models for electrolyte design. From our models, we extract an important yet previously unidentified insight that low solvent oxygen content can lead to superior cyclability. Leveraging this insight as a strategy, we introduce a series of electrolytes with high stability and cyclability in lithium metal batteries.

Abstract

Improving Coulombic efficiency(CE)is key to the adoption of high energy density lithium metal batteries. Liquid electrolyte engineering has emerged as a promising strategy for improving the CE of lithium metal batteries, but its complexity renders the performance prediction and design of electrolytes challenging. Here, we develop machine learning(ML)models that assist and accelerate the design of high-performance electrolytes. Using the elemental composition of electrolytes as the features of our models, we apply linear regression, random forest, and bagging models to identify the critical features for predicting CE. Our models reveal that a reduction in the solvent oxygen content is critical for superior CE. We use the ML models to design electrolyte formulations with fluorine-free solvents that achieve a high CE of 99.70%. This work highlights the promise of data-driven approaches that can accelerate the design of high-performance electrolytes for lithium metal batteries.
 
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