图论方法助力新型快离子导体材料开发

为了推进固态锂离子电池的发展，寻找具有高离子电导率的快离子导体材料是其中关键的科学问题。因此，需要一种通用的结构筛选方法以针对新型快离子导体材料进行快速筛选。近日，北京大学的潘锋/李舜宁团队开发了一种子图同构匹配算法，可在不受成分范围限制的前提下实现快离子导体材料的高通量快速筛选。

锂离子电池被广泛视为推动电动车和配备可再生能源的智能电网的关键技术。尽管其能量密度、功率能力和循环寿命已有显著提升，但寻找能增强电池安全性的材料仍在进行中。全固态锂离子电池采用无机固态电解质，不仅可以避免传统液态有机电解质的易燃问题，还可以与锂金属负极兼容，具有无泄漏风险以及良好稳定性等一系列优点。近年来，数据挖掘技术的进步推动了固态电解质领域的快速发展，这有助于在数据库中对候选材料进行高通量计算筛选。挖掘过程的关键是选择关键特征，强调材料与现有固态电解质的相似性。传统基于原子位移比较的方法保证了匹配的准确性，但难以定量评估局部原子环境的相似性，且筛选标准通常具有主观性。

北京大学团队开发的子图同构匹配算法很好的弥补了上述缺憾。他们设计了一种基于图的算法，该算法能准确解释原子间的连接，并依据局部原子环境的拓扑结构，客观便捷地评估两种化合物的相似性。这种算法为推荐潜在的快速离子导体提供了新途径。子图同构方法仅捕获拓扑信息，不考虑组成原子的元素。对于采用不同晶胞轴方向的两个相同晶体结构，它们构建的子图实际上是相同的，算法将检查所有子图，并最终确定它们的局部结构是同构的。对于两个不同的晶体结构，其最多三个图距离范围内的子图表示间的双射映射将表明这些结构的相似性。子图构建、唯一子图过滤和双射匹配可以通过并行方式进行，以提高匹配过程的效率。作者使用NASICON相LiTi₂(PO₄)₃作为参考结构，发现了四种与其具有相似局域原子环境的结构类型。

图1. (a)子图同构匹配流程图。(b) 通过结构筛选获得的四种与LiTi₂(PO₄)₃参考结构相似的结构类型对应的原子环境及子图表示。

作者进一步对由544,145个无机化合物组成的晶体结构大数据库进行了筛选，寻找其中属于新发现的结构类型对应的材料，以确定适合作为固态电解质的候选材料。最终获得了104种材料，使用从头算分子动力学模拟了这些材料的锂离子电导率和迁移能垒。在追求固态电解质材料的高离子电导率时，应该同步考虑其他基本属性，如电子导电性和材料的电化学稳定窗口。作者设定了两个标准：电子带隙应超过2 eV，电化学稳定窗口应超过0.5 V。104个候选化合物中有13个同时满足上述标准。在所开发的子图同构匹配方法的帮助下，筛选过程中能够显著缩小材料挖掘的搜索范围，并减少了高通量第一性原理计算的计算成本。这种效率使得备选材料的快速探索和识别成为可能，为比较原子局域结构差异和从原子尺度探索材料构效关系提供了有力的工具。

图2. 挖掘获得的潜在固态电解质材料。

相关研究成果发表于Journal of the American Chemical Society。

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Rapid Mining of Fast Ion Conductors via Subgraph Isomorphism Matching

Wentao Zhang, Mouyi Weng, Mingzheng Zhang, Zhefeng Chen, Bingxu Wang, Shunning Li*, and Feng Pan*

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 18535–18543, DOI: 10.1021/jacs.4c04202

导师介绍

潘锋

https://www.x-mol.com/university/faculty/22371