在日本科学技术振兴机构（JST）战略性创造研究推进事业中，庆应义塾大学理工学部副教授绪明佑哉等人组成的研究小组，与东京大学研究生院新领域创成科学研究科的助教五十岚康彦等人合作，利用材料信息学（MI）确立了锂离子二次电池负极用有机材料的新设计指南，通过非常少的实验数据成功获得了具备大容量和高耐久性的材料。
图：通过实验主导型MI有效探索有机负极材料
为节约电池使用的资源，全球都在研究不使用金属的有机材料。关于锂电池和钠电池等的负极材料探索，以前只能依赖于研究人员的反复试错以及经验和直觉。
MI一般会对大规模数据（大数据）进行机器学习，可以减少对研究人员的经验和直觉的依赖。课题在于实验科学家者如何利用自己获得的小规模数据和经验知识。
研究小组研究了把规模虽小但相对比较准确的实验数据与实验科学家的经验和直觉融合到一起的“实验主导型MI”方法，已经利用这种方法提高了纳米片材料的产量等。
本研究首先测量了16种有机化合物作为负极使用时的容量，并利用数据科学方法之一的稀疏建模法，提取了少数决定容量的因素。然后利用基于该学习结果的容量预测模型，配合研究人员的经验和直觉，从市售化合物中选出了11种作为负极使用性能未知的化合物，在实验前计算了预测容量。
针对其中3种预测容量较大的化合物，以相对较高的电流密度100mAg-1（毫安每克）进行充放电，测量了实际容量，其中2种化合物（benzo（1,2-b:4,5-b’）dithiophene（BdiTp）、trans,trans-1,4-diphenyl-1,3-butadiene）分别显示出227mAhg-1（毫安时每克）和310mAhg-1的大容量。
另外，还利用预测模型预测到，其中之一的噻吩化合物BdiTp通过合成推算的聚合物，容量会进一步提高。实际上，BdiTp通过进行电解聚合，能轻松制成高分子，均匀分散在纳米薄片中制作电极，便可获得高分子负极材料，该材料以20mAg-1的电流密度进行充放电时能获得933mAhg-1的大容量，而且实现了反复充放电容量也很少劣化的高耐久性。在用作负极的有机材料中，这种BdiTp聚合物同时实现了世界最高水平的大容量和高耐久性。
本次研究确立的有机负极材料设计指南对于进一步提高性能至关重要。另外，还成功将较少的实验数据、研究人员的经验和直觉以及机器学习融合在一起，探索了高性能材料，由此表明，实验科学与MI的融合能有效提高材料探索效率。
相关研究论文已于2019年9月6日发表在国际科学期刊《Advanced Theory and Simulations》的网络速报版上。
文：JST客观日本编辑部翻译整理
