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マイクロソフトがAIで全固体電池開発に参戦、80時間で18種類の材料を新発見

日経クロステック／日経エレクトロニクス

2024.03.18

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　リチウム（Li）、金属元素M、そしてハロゲンXを組み合わせたLi_αMX_βといった組成でハライド系とも呼ばれる次世代固体電解質の探索には、パナソニックや中国勢だけでなく日本を含む多くの企業や研究機関の研究者が参戦している。大学などは既に多数。企業では、トヨタ自動車、日本ガイシ、米Microsoft（マイクロソフト）などが含まれる^注1）。

注1）Microsoftが次世代電池の開発に参戦したのは、AI（人工知能）を牽引する立場から、材料開発に加えて、電池の“デジタルツイン”に基づく電池の寿命などの性能予測をできるようにしたいからのようだ。同社の科学計算用クラウド「Azure Quantum Elements」の活用促進やプロモーションといった側面もある。

MIで探索範囲を広げながら時短

　日本ガイシやMicrosoftに共通するのが、機械学習を用いた材料探索、いわゆるマテリアルズ・インフォマティクス（MI）を活用していることだ。

　ハライド系の基本的な組成はLi_αMX_βで一見単純そうに見えても、本連載の記事で触れたように、元素の一部を別の元素に置換して結晶性の乱れや空隙を意図的に作り出すことでイオン伝導率を高めたり、還元耐性を高めたりするのが最近の潮流になっている。結果、用いる元素は5～6種類にもなる上にその組成比は小数点以下2～3桁と非常に細かくなることがある。さらに、たとえ組成が同じでも結晶構造が異なることもある。こうなると調べるべき材料の数は天文学的数字になり、人間がすべてを実験できる水準をはるかに超えてしまう。ここでMIを用いれば、探索範囲を広げながらも、それまでよりもはるかに短時間で有望な材料を絞り込めるのである。

54元素を基に3260万種類の結晶を仮想

　ここから、Microsoftと米Pacific Northwest National Laboratory（パシフィックノースウエスト国立研究所、PNNL）が2024年1月に発表した内容を紹介する。MIに基づく固体電解質の材料探索で新しい材料を共同で発見したというものだ^1）。これで18種類の新規固体電解質を正味80時間、実際には約1週間で見つけたとするが、結果的にそれらはすべてハライド系、もしくはハライド系のXの一部を酸素原子（O）で置換したオキシハライド系だった。

　MicrosoftとPNNLはまず周期律表を基に、材料探索する対象として54元素を選定した（図1）。選定基準は、（1）ヘリウム（He）などの貴ガスは化学反応性が乏しいため除外、（2）白金（Pt）などの貴金属は高価すぎるため除外、（3）ランタン（La）以外のランタノイド、そして周期律表で最後の段の元素、つまりフランシウム（Fr）の段の元素はLiイオン2次電池（LIB）では使われたことがほとんどないとして除外^注2）といった具合だ。結果的に54元素が残ったとする。

注2）製品化されているLIBではまだないが、ハライド系固体電解質の研究開発例では、ランタノイドのルテチウム（Lu）やエルビウム（Er）、ホロニウム（Ho）などがよく使われている。

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図1　まずは周期律表から54元素を選定

MicrosoftとPNNLが選定した、固体電解質材料の候補元素は54種類。ヘリウム（He）などの貴ガスや、金（Au）や白金（Pt）などの貴金属、ランタン（La）以外のランタノイドやアクチノイド、ほとんどが強い放射性を持つか合成元素である第7周期の元素は除外した（出所：Microsoftの資料を基に日経クロステックが作成）

　次に、固体電解質となり得る既存の材料の結晶構造を基に、価数を考慮しながら54元素の可能な組み合わせを調べたところ、計3259万8079種類の仮想的な結晶が得られたとする（図2）。

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図2　機械学習で771種類に絞ると多くがハライド系に

MicrosoftとPNNLが実施した機械学習モデルによる材料のスクリーニングプロセス。既存の結晶や結晶構造をまず仮定し、そこに価数を考慮しながら54元素を当てはめることで約3260万種類の候補を得た。次に、「Azure Quantum Elements」というMicrosoftの科学計算向けクラウド上に、約1000台の仮想マシンを構築して、グラフ・ニューラル・ネットワーク（GNN）などの機械学習に基づき特性を推論することで、約3260万種類の候補を771種類に絞り込んだ。同じことを第一原理計算（具体的には、DFT）ですると1500倍以上の計算資源が必要になるという。第5フィルターとなる電位窓が2V以下の材料を除外すると、残った771種類のほとんどがハライド系または酸化物系になった（出所：Microsoftなどの論文^1）を基に日経クロステックが作成）

　結晶構造はまずその概形によって、単斜晶系や三方晶系といった7種類の結晶系に分類される。さらに詳細な分類法はいくつかあるが、Microsoftらは空間群^†による分類を用いた。得られた仮想的な結晶の空間群は184種類だったという。

†空間群＝回転対称、並進対称、鏡映対称などの対称性を基にした結晶構造の分類法。3次元結晶では計230の空間群がある。