近年來，在鋰二次電池新材料的研發(fā)中，基于材料基因組學(xué)思想的高通量計算的理論工具和研究平臺逐漸建立。在該平臺上，結(jié)合不同精度的計算方法，實現(xiàn)了基于離子輸運性質(zhì)的物質(zhì)篩選。通過將信息學(xué)中的數(shù)據(jù)挖掘算法引入到高通量計算數(shù)據(jù)的分析中，證實了閱文大數(shù)據(jù)的可行性。

該平臺實現(xiàn)了新材料研發(fā)在鋰電池固體電解質(zhì)高通量篩選、優(yōu)化和設(shè)計中的示范應(yīng)用，通過高通量計算篩選，獲得了Li2SiO3和Li2SnO3兩種化合物，可作為富鋰正極的包覆材料，有效提高了富鋰正極的循環(huán)穩(wěn)定性；通過對摻雜策略的高通量篩選，獲得了提高固體電解質(zhì)-Li3PS4離子電導(dǎo)率和穩(wěn)定性的方案。一種新的硫氧化物固體電解質(zhì)：是通過高通量結(jié)構(gòu)預(yù)測設(shè)計的。在零應(yīng)變電極材料構(gòu)效關(guān)系研究中，嘗試了大數(shù)據(jù)分析，分析了零應(yīng)變電極材料的設(shè)計依據(jù)。上述材料基因組方法在鋰電池材料研發(fā)中的應(yīng)用，為這種新的研發(fā)模式在其他類型材料研發(fā)中的推廣提供了可能。

傳統(tǒng)的電池材料研發(fā)是基于"反復(fù)試驗"，而且從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的周期很長，一般需要20年甚至更久。"物質(zhì)基因組計劃"為鋰電池新材料的開發(fā)提供了新思路?？茖W(xué)研究的關(guān)鍵"材料基因組"就是意識到"高吞吐量"材料的研發(fā)，也就是完成"一批"而不是"一"材料樣品。

計算模擬、制備和表征，即高通量計算、高通量制備和高通量表征，實現(xiàn)材料的系統(tǒng)篩選和優(yōu)化，從而加速材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的過程。使用"材料基因工程"，通過高通量、多尺度、大規(guī)模的計算和搜索，借助數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和方法，有望篩選出可能具有優(yōu)異性能的新材料。設(shè)計了結(jié)合不同精度計算方法的高通量篩選過程：

首先根據(jù)材料的使用條件通過元素篩選縮小范圍，然后通過快速鍵價計算初步篩選出離子傳輸勢壘較大的化合物，最后通過密度泛函模擬對上一步篩選的材料進一步精確計算得到最終候選材料，有效提高了整體篩選效率，實現(xiàn)了鋰二次電池材料中快離子導(dǎo)體的高效篩選。

圖1通過一系列命令腳本實現(xiàn)了操作過程的自動化。

1.富鋰陰極新型涂層材料的篩選。

通過高通量計算，綜合考慮結(jié)構(gòu)匹配、擴散通道和電導(dǎo)率，找到了可能與鋰離子電池富鋰正極材料匹配的兩種包覆化合物L(fēng)i2SiO3和Li2SnO3。這兩種材料屬于離子化合物，具有良好的離子導(dǎo)電性，化學(xué)結(jié)構(gòu)與富鋰材料中的母體Li2MnO3相似((1.x)Li2MnO3xLiMO2)，所以可以盡量選擇它作為富鋰材料的表面修飾層。

用鍵價法計算(a)Li2SiO3和(b)Li2SnO3的離子傳輸通道。

2.通過高通量計算篩選出固體電解質(zhì)Li3PS4的優(yōu)化改性方案。

將密度泛函計算與鍵價計算相結(jié)合，可以通過高通量計算篩選出大量的摻雜改性方案?？梢岳媚軌驕?zhǔn)確確定晶體結(jié)構(gòu)的密度泛函計算獲得摻雜原子的位置信息，然后通過鍵價計算快速選擇有利于降低鋰離子遷移勢壘的摻雜方案。通過在-Li3PS4的P位摻雜銻、鋅、鋁、鎵、硅、鍺和錫，以及在S位摻雜氧的研究

3.通過高通量結(jié)構(gòu)預(yù)測方法發(fā)現(xiàn)了新結(jié)構(gòu)的固體電解質(zhì)。

利用CALYPSO軟件在Li-Al-S-O的元素空間中構(gòu)造各種空間群的晶體結(jié)構(gòu)，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能量計算，在能量較低的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上生成新的結(jié)構(gòu)。在這個優(yōu)化過程中，逐漸找到這四種元素以1:1:1:1的比例形成的最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果表明，這種新的硫氧化物L(fēng)iAlSO具有類似于-NaFeO2的正交結(jié)構(gòu)。Al2O3的層沿著B軸方向平行排列，并且Li離子位于層之間以與S和O形成扭曲的四面體單元.

圖4 (a)顯示了通過高通量晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測算法獲得的含有鋰氧硫化物的LiAlSO的晶體結(jié)構(gòu)；(b)通過密度泛函計算獲得的結(jié)構(gòu)中鋰離子的傳輸勢壘。

4.利用數(shù)據(jù)挖掘方法研究零應(yīng)變電極材料的結(jié)構(gòu)與體積變化之間的關(guān)系。

基于材料基因思想的高通量計算和高通量實驗測試，不僅為新材料的研發(fā)提供了新的研究思路，也帶來了倍增的數(shù)據(jù)信息，為大數(shù)據(jù)方法在材料科學(xué)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。機器學(xué)習(xí)技術(shù)已被用于獲得材料性質(zhì)與各種復(fù)雜物理因素之間的統(tǒng)計模型，如通過預(yù)測分子的原子化能來尋找熱力學(xué)穩(wěn)定的新化合物。

圖5顯示了用數(shù)據(jù)挖掘方法研究目標(biāo)變量與描述性因素相關(guān)性的三個主要步驟：首先，需要獲得不同樣本中目標(biāo)變量的數(shù)據(jù)。這里，對于尖晶石正極材料LiX2O4和層狀正極材料LiXO2(X是變價元素)的28種結(jié)構(gòu)，通過密度泛函計算優(yōu)化脫鋰前后的材料結(jié)構(gòu)，并獲得由脫鋰引起的體積變化的百分比。

接下來，需要為每個樣品建立一系列描述因子，在原子水平上表達其微觀信息。在本研究中，為每個結(jié)構(gòu)選擇了34個描述因子，包括7個與晶格參數(shù)相關(guān)的參數(shù)、10個與組成元素的基本性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)、12個與局部晶格變形相關(guān)的參數(shù)、3個與電荷分布相關(guān)的參數(shù)和2個與組分相關(guān)的參數(shù)。

有了描述因素和目標(biāo)變量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)挖掘就可以用來建立因素和變量之間的關(guān)系。對于已建立的模型，需要用統(tǒng)計參數(shù)來評價其可靠性和預(yù)測能力，并能在合理的預(yù)測范圍內(nèi)對新結(jié)構(gòu)進行預(yù)測。

圖5用多元線性回歸數(shù)據(jù)挖掘方法分析脫鋰前后晶格體積變化與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

通過使用"留一個出來"方法，發(fā)現(xiàn)在上述問題中使用11個相關(guān)變量(11個分量)時，Q2指數(shù)最大，說明此時得到的模型最穩(wěn)定。進一步的因素重要性分析表明(圖6)雖然離子半徑是晶格體積變化的重要決定因素，但體積變化不僅與離子半徑有關(guān)，還與過渡金屬的成鍵參數(shù)和過渡金屬氧八面體的局域結(jié)構(gòu)有關(guān)。在該模型的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建含有多種過渡金屬的正極材料，共同調(diào)節(jié)嵌鋰過程中體系的體積變化，使鋰含量變化引起的晶格體積變化率最小化。

圖6使用PLS模型因子重要性分析來探索在除鋰過程中對陰極材料的體積變化有很大影響的參數(shù)。

針對固態(tài)鋰二次電池的研發(fā)，及時探索適合鋰電池材料的高通量計算方法，開發(fā)了包括離子輸運性質(zhì)在內(nèi)的不同精度的計算方法，建立了基于鋰離子輸運壘的高通量計算的篩選和優(yōu)化流程，實現(xiàn)了多種材料的并發(fā)計算、計算中間過程監(jiān)控、計算結(jié)果分析、基于計算結(jié)果的材料性能判斷和考核等功能。利用這個自主研發(fā)的高通量計算平臺，從無機晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中成功篩選出了含鋰氧化物，并找到了兩種能夠提高富鋰正極循環(huán)性能的包覆材料。通過高通量計算優(yōu)化了硫化物固體電解質(zhì)的摻雜方案，提出了用多種陰離子構(gòu)建固體電解質(zhì)的設(shè)計思路，發(fā)明了一種全新的硫氧化物固體電解質(zhì)。根據(jù)高通量計算收集的數(shù)據(jù)，在正極材料脫鋰過程中體積變化的研究中嘗試了多元線性回歸的數(shù)據(jù)分析方法，為進一步將數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)等工業(yè)智能方法引入鋰二次電池的研發(fā)提供了可能。