MITは電解質分子を再設計するのではなく小さくすることで、電池のトレードオフを打破した

ナトリウム金属電池は、ナトリウムがリチウムの約1,000倍豊富に存在し、1ポンドあたりのコストが約100分の1であることから魅力的だが、ナトリウム金属は反応性が非常に高く、長期安定性と高速な充放電を同一の電池で両立させることは難しい。電極間で荷電イオンを運ぶ成分である電解質は通常ボトルネックとなる。ほとんどの電解質は電極と反応して不溶性化合物を蓄積させ、イオン輸送を妨げ、最終的に電池を機能不全に陥らせる。

2021年、同じMITの研究グループは、リチウム電池の両電極で安定を保つスルホンアミド系溶媒であるDMTMSAを特定していた。グループリーダーのJu Liはこれを「魔法のように安定」と表現した。ナトリウム電池に関する未解決の問いは、関連する分子がその安定性を保ちつつ、ナトリウムイオンを素早く移動させるのに十分小さいままでいられるかどうかであった。かさ高い溶媒分子は、大きなスーツケースが人混みの中での移動を遅らせるように、イオン輸送を遅くするからである。

広く探索するのではなく、チームは探索を「同族体」分子、すなわちDMTMSAと構造的・電子的に類似した分子に限定した。同族体であることが安定性を保つ可能性が高いと判断したからである。博士課程学生のChia-Wei Hsuは、24時間で10万個の候補分子を生成し、形状と電子特性の基準で200個に絞り込み、その範囲を代表する27個の候補を選んで同一条件での実験室試験に供するAI誘導アルゴリズムを構築した。

27個の中で最小のDMFSAが、安定性と高速イオン輸送の両軸で勝利した。グループは現在、DMFSA自体を出発点として同じ同族体探索プロセスを繰り返し、さらに優れた溶媒の発見を目指している。そして、分子サイズと同族類似性を探索変数として用いるという基盤となる手法を、ナトリウム電池を超えて適用可能な一般的な電解質設計原理として位置づけている。

既知の安定な溶媒と構造的に類似した分子のみを探索し、その中で最小のものを選ぶ

候補を実証済みの安定な溶媒と構造的に関連する分子に限定したことで、チームは安定性と速度をゼロから賭け合うのではなく、類似性を安定性の事前情報として機能させることができた。

計算上10万個の候補を生成し27個に絞り込んだことで、コストのかかる工程である電解質の合成と直接比較試験は、短いリストに対してのみ行えばよくなった。

最終候補27個すべてを同一条件で試験したことで、比較はどのトレードオフ点が勝ったかを公平かつ直接的に読み取るものとなり、異なる実験設定に起因する交絡した結果ではなかった。

独立した研究者（マギル大学のJinhyuk Lee）は、サイズと類似性に基づくアプローチがこの系だけでなく他のエネルギー貯蔵化学にも一般化可能であると評した。

二つの特性がトレードオフの関係にある場合、全空間ではなく既知の優良例に関連する分子を探索する。同族性を固定したままサイズを最適化することで、開かれた探索が試験可能な短いリストに変わる。

この知見は、MITチームの15名によって学術誌Jouleに発表された。グループはDMTMSAではなくDMFSAを新たな基準点として用いる第2ラウンドの同族体探索に移っており、安定性と充電速度の両方でさらに改善する溶媒の発見を目指している。この研究は、韓国研究財団の助成金および米国国立科学財団の大学院研究フェローシップの一部支援を受け、特性評価装置はMIT.nanoから提供された。