随着人们对电动汽车（EV）和无人机电池大容量化和轻量化的要求越来越高，“下一代二次电池”的研发受到广泛关注。其中，比锂离子电池重量能量密度大的“锂空气电池”备受期待。

空气电池的原理图

目前，锂空气电池的实用化还存在很多需要解决的课题，其中一个课题是寻找位于正极和负极之间可供锂离子移动（充放电）的最适合电解液的材料。

日本国立研究开发法人物质材料研究机构（NIMS）能源环境材料研究中心的松田翔一博士于2018年开发的“高通量电解液探索系统”大幅提高了电解液材料的探索效率。

通过这个系统，促进了使用AI（人工智能）进行材料探索的新方法“MI（材料信息学）”的活用。本文向松田博士咨询了高通量电解液探索系统的优势以及未来的发展前景。

站在“高通量电解液探索系统”前的松田翔一博士

（图片均来自雅虎）

锂空气电池到底是什么？锂空气电池是指使用“氧气”作为正极（正极活性物质），使用“金属锂”作为负极的电池（一般的锂离子电池是使用氧化锂作为正极，使用碳化合物作为负极），松田表示，“锂空气电池理论上的重量能量密度是锂离子电池的10倍左右，是潜力最高的下一代二次电池”。

阻碍锂空气电池实用化的课题之一是可充放电次数少。目前虽然已经存在可用作一次电池的锂空气电池，但是若想进行循环使用，其充放电次数还远不及可进行数千次充放电的锂离子电池。

决定反复利用次数（循环次数）的一大因素是电解液（有机溶剂和添加剂）的性能，松田说道：“对于锂空气电池，电解液材料的探索是非常困难的”。

首先，正极的氧气具有很强的氧化能力，因此需要一种高抗氧化性能的电解液（有机溶剂）。另外，负极的金属锂具有很强的还原能力（分解电解液的能力），因此需要一种高抗还原性能的电解液。由此可见，电解液材料探索的困难之处在于电池的正负极具有相反的性能。

“抗氧化能力越强，抗还原能力越弱，抗还原能力越强，抗氧化能力越弱，两者之间存在一种权衡关系。”（松田）

为了克服这个问题，可以在与电极接触的表面（界面）上使用成膜的“添加剂”来抑制电极的影响，但是这种“添加剂”的探索也不是那么简单的。

“无论是有机溶剂还是添加剂，其组合次数都已经超过了上亿次。但是，也只有通过反复实验，才能从中找出最适合锂空气电池的材料”

“高通量电解液探索系统”是如何高效地探索锂空气电池的电解液材料呢？通常，电解液材料的探索实验都是研究人员通过手动进行的，首先制作还没有经过试验的电解液组合，然后一个一个地测试其电气特性。

高通量电解液探索系统是将电解液的制作以及性能测试的过程自动化的机器。如果手动进行的话，一天只能探索10种电解液，但是使用该系统，一天可以快速探索1000种电解液。

松田自信地说道：“这种探索系统的一大优势是，可以将其大量的探索结果，应用于MI（材料信息学）方法”。

所谓MI，是使用AI对材料的物性数据进行分析，并从材料和性能的关系找到新材料和组合的方法。为了使用MI方法，必须使AI能够进行高精度预测，因此需要大量的数据。但是，到目前为止，电解液材料的探索都是人工进行的，所以数据很难收集，而利用高通量电解液探索系统可以迅速收集大量数据，达到可以使用MI的水平。

松田将高通量电解液探索系统和MI的关系形容为“像抛接球一样”。

“假设已调查了1000种材料，那么根据这1000种材料的调查结果，MI可以提供接下来应该调查的另1000种材料。通过这样的交流，比起随机调查，更容易找到好的材料。”

实际上，松田通过将高通量电解液探索系统和MI组合在一起，发现了许多有发展前景的材料和组合，而这是常规方法无法做到的。

“通过电解液的自动化装置和MI的组合发现了很多新材料。今后，研究人员必须好好思考如何使用这种新的探索方法”。

高通量电解液探索系统的示意图。首先，分注操作单元（左图）将具有不同成分的电解液注入单电池，然后用机械臂（中间图）将单电池搬运到电极部（右图），在此测量电气特性。

松田表示，“今后还将把高通量电解液探索系统应用于其他下一代二次电池的研究中。”

“此次，主要将高通量电解液探索系统应用于锂空气电池，但其用途不仅限于此，也可以应用于其他电池系统，所以我打算进一步扩大其应用的范围”。

目前已对高通量电解液探索系统进行了部分改良，以用于锂离子电池的改良和镁电池的研发。

现在，高通量电解液探索系统只是用于调查充放电特性，但松田希望通过组合与界面成膜相关的信息和电解液溶剂化构造等其他数据，来进一步提高材料探索的预测精度。

松田所属的NIMS被认为是锂空气电池研究方面的佼佼者，其中，自动化系统的作用不可小觑。

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