在日本科學技術振興機構（JST）戰略性創造研究推進事業中，慶應義塾大學理工學部副教授緒明佑哉等人組成的研究小組，與東京大學研究生院新領域創成科學研究科的助教五十嵐康彥等人合作，利用材料資訊學（MI）確立了鋰離子二次電池負極用有機材料的新設計指南，透過非常少的實驗數據成功獲得了具備大容量和高耐久性的材料。
圖：透過實驗主導型MI有效探索有機負極材料
爲節約電池使用的資源，全球都在研究不使用金屬的有機材料。關於鋰電池和鈉電池等的負極材料探索，以前只能依賴於研究人員的反複試錯以及經驗和直覺。
MI一般會對大規模組據（大資料）進行機器學習，可以減量對研究人員的經驗和直覺的依賴。課題在於實驗科學家者如何利用自己獲得的小規模組據和經驗知識。
研究小組研究了把規模雖小但相對比較準確的實驗數據與實驗科學家的經驗和直覺融合到一起的「實驗主導型MI」方法，已經利用這種方法提高了奈米片材料的產量等。
本研究首先測量了16種有機化合物作爲負極使用時的容量，並利用資料科學方法之一的稀疏建模法，提取了少數決定容量的因素。然後利用基於該學習結果的容量預測模式，配合研究人員的經驗和直覺，從市售化合物中選出了11種作爲負極性能未知的化合物，在實驗前計算了預測容量。
針對其中3種預測容量較大的化合物，以相對較高的電流密度100mAg-1（毫安每克）進行充放電，測量了實際容量，其中2種化合物（benzo（1,2-b:4,5-b’）dithiophene（BdiTp）、trans,trans-1,4-diphenyl-1,3-butadiene）分別顯示出227mAhg-1（毫安時每克）和310mAhg-1的大容量。
另外，還利用預測模式預測到，其中之一的噻吩化合物BdiTp透過合成推算的聚合體，容量會進一步提高。實際上，BdiTp透過進行電解聚合，能輕鬆製成聚合物，均勻分散在奈米薄片中製作電極，便可獲得聚合物負極材料，該材料以20mAg-1的電流密度進行充放電時能獲得933mAhg-1的大容量，而且實施了反復充放電容量也很少劣化的高耐久性。在用作負極的有機材料中，這種BdiTp聚合體同時實施了世界最高水平的大容量和高耐久性。
本次研究確立的有機負極材料設計指南對於進一步提高性能至關重要。另外，還成功將較少的實驗數據、研究人員的經驗和直覺以及機器學習融合在一起，探索了高性能材料，由此表明，實驗科學與MI的融合能有效提高材料探索效率。
相關研究論文已於2019年9月6日發表在國際科學期刊《Advanced Theory and Simulations》的網路速報版上。
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
