Pin lithium-ion được sử dụng phổ biến, từ điện thoại thông minh đến ô tô điện. Nhưng khi nhu cầu tăng lên, thế giới phải đối mặt với tình trạng thiếu hụt lithium, cũng như các lo ngại về tác động đến môi trường và đạo đức của việc khai thác nó.
Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp thay thế tốt hơn, đặc biệt là pin sử dụng các nguyên tố phổ biến hơn như magie, canxi, nhôm hoặc kẽm. Các vật liệu mới có thể thay thế pin lithium-ion trong tương lai, dẫn đến giải pháp lưu trữ năng lượng giá cả hợp lý hơn, mạnh mẽ hơn và thân thiện hơn với môi trường.
Các loại pin “ion đa hóa trị” này có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn pin lithium-ion vì các ion của chúng mang nhiều hơn một điện tích. Nhưng có một vấn đề: các ion đa hóa trị lớn hơn, nặng hơn, lại di chuyển khó khăn hơn trong các vật liệu pin truyền thống. Việc tìm kiếm vật liệu mới để giải quyết vấn đề này là thách thức lớn.
Giáo sư Dibakar Datta và nhóm của ông tại NJIT áp dụng một cách tiếp cận sáng tạo. Thay vì thử nghiệm từng vật liệu một cách chậm rãi trong phòng thí nghiệm, họ dùng trí tuệ nhân tạo (AI) để thực hiện công việc nhanh hơn. Sử dụng các mô hình AI tạo sinh tiên tiến, họ nhanh chóng tìm kiếm trong số hàng ngàn cấu trúc tinh thể khả thi, tìm ra các cấu trúc có thể hoạt động tốt cho pin ion đa hóa trị.
Các nhà nghiên cứu sử dụng hai loại công cụ AI. Một loại, gọi là bộ mã hóa tự động biến thiên khuếch tán tinh thể (CDVAE), được đào tạo để hình dung các vật liệu tinh thể mới dựa trên các mẫu hình đã biết. Loại còn lại, một mô hình ngôn ngữ lớn (LLM) được tinh chỉnh, sử dụng để giúp xác định vật liệu nào trong số đó ổn định nhất và có khả năng hữu ích nhất trong pin thực tế.
Hệ thống AI kép này dẫn đến việc phát hiện ra năm vật liệu xốp hoàn toàn mới, được làm từ oxit kim loại chuyển tiếp. Những vật liệu này có các kênh hở lớn, cho phép các ion cồng kềnh trong pin đa hóa trị di chuyển dễ dàng, điều này trước đây vẫn là một trở ngại lớn.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các mô phỏng mạnh mẽ để kiểm tra xem vật liệu do AI tạo ra có ổn định và thiết thực hay không. Kết quả cho thấy, các vật liệu này có khả năng được sản xuất trong phòng thí nghiệm và sử dụng trong pin thực tế.
Mục tiêu của nghiên cứu này không chỉ là chế tạo pin tốt hơn. Thành tựu thực sự nằm ở việc tạo ra phương pháp nhanh hơn, thông minh hơn để tìm kiếm vật liệu mới cho mọi loại công nghệ, từ năng lượng sạch đến thiết bị điện tử. Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ hợp tác với các phòng thí nghiệm thực nghiệm để hiện thực hóa các vật liệu do AI thiết kế, tiến gần hơn đến một vật liệu tương lai vượt xa lithium.
