材料、能源和信息被人們稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱，尋求可持續(xù)且高效的能源存儲技術(shù)至關(guān)重要。近日，機(jī)電工程學(xué)院/高性能電子裝備機(jī)電集成制造全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室呂銳嬋教授延續(xù)和沙特國王大學(xué)Anees A. Ansari教授的合作，與悉達(dá)多大學(xué)Laxman Singh教授以共同通訊作者在工程技術(shù)類期刊Renewable and Sustainable Energy Reviews（中國科學(xué)院一區(qū)TOP，IF16.3）上發(fā)表綜述論文”分子動力學(xué)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)用于儲能領(lǐng)域的低共熔溶劑研究”。

成果介紹

本綜述深入探討了低共熔溶劑（DEs）在能源領(lǐng)域的關(guān)鍵作用，并通過分子動力學(xué)（MDs）結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）視角探索了其潛力。通過綜述當(dāng)前研究成果，揭示了低共熔溶劑的復(fù)雜機(jī)制和特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)使其成為增強(qiáng)能源存儲的有前途候選材料。此外，本研究還進(jìn)一步闡明了低共熔溶劑的理論基礎(chǔ)，包括其形成及特征特性，以及在電導(dǎo)率、穩(wěn)定性和環(huán)境監(jiān)測方面相較于傳統(tǒng)電解質(zhì)的優(yōu)勢。

分子動力學(xué)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以揭示納米尺度復(fù)雜相互作用，這種科研范式可以加速最優(yōu)低共熔溶劑的新組成發(fā)現(xiàn)，并可以預(yù)測其在不同電化學(xué)環(huán)境中的行為性能。然而，低共熔溶劑在能源存儲領(lǐng)域的應(yīng)用也面臨一些挑戰(zhàn)。一是在實(shí)際用于儲能的低共熔溶劑設(shè)計(jì)合成方面。目前氟代碳酸乙烯酯等功能性添加劑可能會降低氫鍵受體或氫鍵供體的分子間相互作用；在堿金屬附近存在的低共熔溶劑也因其N-H鍵而不穩(wěn)定，使得反應(yīng)受到限制。為了克服這些挑戰(zhàn)，可以探索新的氫鍵供體，以及引入堿金屬吸收劑等功能性添加劑。當(dāng)然，引入或修改添加劑，將增加低共熔溶劑的分子動力學(xué)模擬的復(fù)雜性和計(jì)算成本。二是在結(jié)構(gòu)理解方面，目前對低共熔溶劑的微觀和納米結(jié)構(gòu)的預(yù)測仍受限于水分含量的準(zhǔn)確測量。為了建立更系統(tǒng)的研究方法，需要綜合考慮多種因素的影響，如離子液體的氫鍵位點(diǎn)數(shù)量與納米結(jié)構(gòu)的關(guān)系、凍結(jié)溫度、粘度、密度和電導(dǎo)率等。這些因素對低共熔溶劑在儲能中涉及的氧化還原反應(yīng)的影響尚未得到充分探索，因此需要通過分子動力學(xué)模擬以及原位或非原位實(shí)驗(yàn)研究的支持來深入研究其反應(yīng)機(jī)制。三是在分子動力學(xué)模擬方面。由于低共熔溶劑的高粘度特性，需要長時(shí)間的模擬運(yùn)行才能獲得精確的結(jié)果，這使得在給定共晶溫度下建立適當(dāng)時(shí)間長度的模型較困難；由于適用于所有低共熔溶劑的通用且高度準(zhǔn)確的力場仍然缺失，限制了不同分子動力學(xué)方法之間的比較。新的量子力學(xué)與經(jīng)典分子動力學(xué)的融合方法，如機(jī)器學(xué)習(xí)分子動力學(xué)，可以結(jié)合經(jīng)典分子動力學(xué)的計(jì)算能力和量子力學(xué)分子動力學(xué)的精確度，通過引入原子類型和坐標(biāo)信息解決電荷分配問題。隨著計(jì)算能力的不斷提升和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的不斷發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)分子動力學(xué)在低共熔溶劑模擬中的應(yīng)用前景廣闊。

近5年，呂銳嬋教授的“光電集成制造與智能檢測”課題組將機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合不同的工程技術(shù)進(jìn)行新應(yīng)用，發(fā)表一系列論文，研究工作得到陜西省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等的支持。