更好的电池制造机器人实验室审查新的反应设计策略

密歇根大学和三星先进材料实验室的研究人员已经展示了一种制造化学复杂材料的新方法，用于电池、半导体等的新化学物质可以更容易制造。

他们的新配方使用非常规成分来制造杂质更少的电池材料，需要更少的昂贵的精炼步骤并提高其经济可行性。

“在过去的二十年里，许多具有增强容量、充电速度和稳定性的电池材料都是通过计算设计出来的，但尚未投入市场，”密歇根大学材料科学与工程系陶氏早期职业教授孙文浩说。该研究的作者发表在《自然综合》上。

“简单的材料是一个很好的起点，但是当你添加一点化合物A和一点化合物B时，神奇的事情就会发生，你的容量或充电速率会得到很大的提高。然而，这些化学复杂的材料通常很难以高纯度大规模生产。”

电池材料通常是通过混合几种不同的氧化物粉末并在烤箱中烧制而成的。然而，这些粉末按顺序发生反应，而不是同时发生反应。最先发生反应的两种成分通常是反应时释放最多能量的成分。第一个反应产生中间化合物，然后与剩余的粉末发生反应，依此类推，直到不再发生反应为止。

如果中间化合物中的化学键难以断裂，它们可能无法与其他成分充分反应。当它们没有完全反应时，中间体会作为不需要的杂质残留在最终材料中。

该反应图显示了电池成分的混合顺序如何影响所需材料的整体效率和纯度。为了制造硼酸锂钡(LiBaBO3)，化学家必须将三氧化二硼(B2O3)、氧化钡(BaO)和氧化锂(Li2O)混合并在熔炉中加热。当混合这些成分时，中间化合物可以在所需材料之前暂时形成。由于低能化合物非常稳定，因此它们反应形成最终所需产物的速度很慢，这意味着它们会作为杂质留在最终产量中。然而，如果首先将三氧化硼和氧化锂分别混合(图中较高的路径)，则中间体的稳定性较差，因此它们将快速形成杂质较少的最终产品。图片来源：JiadongChen，密歇根大学孙文浩研究小组

该反应图显示了电池成分的混合顺序如何影响所需材料的整体效率和纯度。为了制造硼酸锂钡(LiBaBO3)，化学家必须将三氧化二硼(B2O3)、氧化钡(BaO)和氧化锂(Li2O)混合并在熔炉中加热。当混合这些成分时，中间化合物可以在所需材料之前暂时形成。由于低能化合物非常稳定，因此它们反应形成最终所需产物的速度很慢，这意味着它们会作为杂质留在最终产量中。然而，如果首先将三氧化硼和氧化锂分别混合(图中较高的路径)，则中间体的稳定性较差，因此它们将快速形成杂质较少的最终产品。图片来源：JiadongChen，密歇根大学孙文浩研究小组

“我们设计了一种策略，使无杂质材料更加可靠，”该研究的第一作者、密歇根大学材料科学与工程和科学计算博士生陈家栋说。“诀窍是一次只使用两种成分，并故意制造不稳定的中间体，与其余成分完全反应。”

为了测试这一策略，Sun的团队设计了224种不同的配方，以制造35种不同的已知材料，其中含有当今电池和下一代“超越锂”电池中使用的元素。

研究人员随后与三星半导体位于马萨诸塞州剑桥的先进材料实验室合作，测试他们的配方生产的这35种材料是否比传统配方的杂质更少。三星的自动化机器人实验室每72小时可以合成多达24种不同的电池材料。

机械臂处理原料并操作实验室设备来评估所得材料的纯度。与此同时，计算机自动记录每个实验的结果，创建一个数据库，研究人员可以使用该数据库来确定哪些食谱最有效。

“通过自动化实验室，我们可以广泛地测试我们对不同电池化学成分的假设，”陈说。

实验证实，采用不稳定成分的新配方往往会生产出更清洁的产品。新配方将材料的纯度提高了80%，其中六种目标材料只能用新配方来制造。

该团队的报告详细介绍了机器人实验室的蓝图，Sun希望该报告将使更多的化学实验室能够采用机器人实验室进行科学和材料制造。

“我们需要更多的数据——不仅来自成功的配方，还包括不成功的配方——来改进材料制造策略。更多的机器人实验室将有助于生成所需的数据，”孙说。

研究人员表示，大多数研究机构都可以使用这些实验室，并且可以显着加快材料开发速度。

“机器人设备的启动成本约为12万美元，没有您想象的那么高。但吞吐量、可靠性和数据管理方面的回报是无价的。”研究合著者、三星先进材料实验室首席工程师兼项目经理YanEricWang说道。

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