电池设计 · Battery Design
正极材料
七种工作离子，按目标性质逐级筛出晶体结构候选
正在载入 10,003 个生成结构的计算结果(约 1.2 MB)…
适用范围与当前边界
- 性质来自机器学习势，不是第一性原理结果。结构是生成模型的直接输出，没有经过 DFT 弛豫；页面数值适合比较和排序，不代表最终性能。
- 条件生成改变的是分布，不保证单个样本命中目标。多价离子（Mg、Zn、Al）的实际电压普遍明显低于条件目标，默认条件下通常没有候选通过，这是模型当前的真实表现。
- 新颖性只比对化学式。外部数据库核查只覆盖默认条件下出现的 12 个新化学式，未含 ICSD；放宽条件后出现的其他新化学式标为「未查库」。化学式已被收录不等于结构相同，反之亦然。
- 热力学筛选不判断电化学可行性。可用氧化还原电子数、离子渗流、元素毒性与成本需要单独检查；候选中有含 Tc、As 或稀土卤化物的组成，实际应用并不可行。
锂正极深度案例：12 个候选的第一性原理校验与迁移能垒展开另一轮只针对锂的条件生成：头部候选用 Quantum ESPRESSO 校验电压，并用 CI-NEB 计算锂离子迁移能垒。与上面的交互演示是两批独立数据。
条件生成:把验证算力用在有效样本上
向流模型同时指定稳定性、电压、带隙与脱锂体积变化,直接产出晶体结构。条件改变的是分布,不保证单个样本命中目标值。
无条件采样含锂率
2.5%
同一模型不给条件时,采到的结构里只有这个比例含可脱嵌的锂
加条件后含锂率
99.2%
本次请求采样 1024 个结构,耗时 30 秒
有效产出提升
≈ 39×
同等验证算力下的有效样本倍数,不是性能指标
- 本次请求条件
- 凸包上(E_hull 0.0 eV)、4.0 V、 体积变化 2.0%、 guidance 2.0
- 预训练
- rectified-flow DNG, MP-20, 1.5M steps (unconditional)
- 条件微调
- 60k steps on JARVIS dft_3d_2022, 59,894 structures
- 电压标签覆盖
- 4,411 个含锂结构由机器学习势自行计算
- 条件生成移动的是分布而非个体：要求 4 V 得到的是中位 3.63 V 的分布，因此每个候选仍需逐一验证。
- 预测排名来自多目标打分（硬门槛 → 帕累托前沿 → 合意度加权），不使用任何实测性质。
候选与实测
1,016 个含锂候选全部用机器学习势验证,零失败,约 32 GPU·小时;通过全部工程门槛 100 个,Pareto 前沿 45 个,下表是其中头部 12 个。
当前显示实测性质。切到盲测视角可以看到:排名是在拿到任何实测值之前定下的。
| 预测排名 | 化学式 | 模型打分 | 新颖性 | 电压V | 容量mAh/g | 能量密度Wh/kg | E_hulleV | 体积变化% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | LiCoO2Pareto | 0.8358 | 已在比对库中 | 3.80 | 273.8 | 1,041.5 | 0.0052 | 0.00 |
| 2 | Li4MnCr3O8Pareto | 0.8096 | neighbour | 3.86 | 292.4 | 1,127.4 | 0.0077 | 2.92 |
| 3 | LiMnO2Pareto | 0.7855 | 已在比对库中 | 3.22 | 285.5 | 918.9 | -0.0021 | 6.23 |
| 4 | Li4FeCo3O8Pareto | 0.7648 | 已在比对库中 | 3.85 | 276.0 | 1,062.0 | 0.0245 | 1.15 |
| 5 | Li4MnCo3O8Pareto | 0.7435 | 已在比对库中 | 3.60 | 276.7 | 996.4 | 0.0464 | 0.28 |
| 6 | LiVO2Pareto | 0.7217 | 已在比对库中 | 2.93 | 298.2 | 872.3 | -0.0002 | 1.42 |
| 7 | LiVO3Pareto | 0.7088 | 已在比对库中 | 4.46 | 253.1 | 1,127.7 | 0.0055 | 5.49 |
| 8 | Li4Ti3VO10Pareto | 0.7084 | neighbour | 3.82 | 280.4 | 1,069.9 | 0.0399 | 3.80 |
| 9 | Li3(CoO2)4Pareto | 0.7074 | 已在比对库中 | 3.87 | 209.1 | 808.8 | 0.0220 | 0.29 |
| 10 | Li4Mn3FeO8Pareto | 0.6868 | 已在比对库中 | 3.48 | 284.8 | 990.4 | 0.0468 | 6.51 |
| 11 | Li5Mn5O9FPareto | 0.6851 | 已在比对库中 | 3.68 | 283.7 | 1,042.7 | 0.0346 | 7.00 |
| 12 | LiMn2O4Pareto | 0.6829 | 已在比对库中 | 3.87 | 148.2 | 573.1 | -0.0010 | 5.62 |
实测电压中位数
4.11 V
请求的是 4.0 V
容量中位数
297.3
mAh/g,全部通过门槛的候选
能量密度中位数
1,135.2
Wh/kg = 电压 × 容量
体积变化中位数
2.59%
请求的是 2.0%
新颖性审计
- 比对库:JARVIS dft_3d_2022 (fine-tuning set)。已在库中 25 个,新配比 11 个,新化学体系 4 个。
- 仅对照微调数据集审计；后续核对 OQMD/MP/Alexandria 发现头部 11 个候选中 6 个已被计算过。
第一性原理校验
65 个结构上,把机器学习势的电压跟 Quantum ESPRESSO PBE+U 逐个对照。磁性过渡金属体系的误差明显更大,而该体系的第一性原理参考本身也带同量级不确定度。
电压 MAE(全部)
0.280 V
65 个收敛结构,Pearson r = 0.968
非磁性体系
0.156 V
MAE
磁性体系
0.407 V
MAE,是非磁性的两倍以上
单个电压的代价
7 秒
第一性原理中位 6.3 核·小时,失败率 34%
k 点收敛测试
| 体系 | 说明 | k 点间距Å⁻¹ | k 点数 | 电压V | 墙钟分钟 |
|---|---|---|---|---|---|
| JVASP-12870 | LiAlO2 绝缘氧化物 | 0.08 | 112 | 5.007 | 46.3 |
| JVASP-12870 | LiAlO2 绝缘氧化物 | 0.12 | 36 | 5.053 | 12.9 |
| JVASP-12870 | LiAlO2 绝缘氧化物 | 0.16 | 14 | 4.797 | 4.3 |
| JVASP-15040 | LiPd 金属 | 0.08 | 21 | 1.102 | 2.4 |
| JVASP-15040 | LiPd 金属 | 0.12 | 8 | 0.905 | 5.6 |
| JVASP-15040 | LiPd 金属 | 0.16 | 6 | 0.705 | 1.7 |
| JVASP-50866 | LiCoS2 磁性 +U | 0.08 | 38 | 2.425 | 12.6 |
| JVASP-50866 | LiCoS2 磁性 +U | 0.12 | 10 | 2.594 | 9.7 |
| JVASP-50866 | LiCoS2 磁性 +U | 0.16 | 10 | 2.316 | 8.7 |
锂离子迁移能垒
CI-NEB 计算的体相空位跳跃与表面吸附跳跃。鞍点落在路径内部,不在端点 —— 端点最高说明路径没找对。
体相空位跳跃
2×2×2 超胞，Li–Li 2.85 Å
正向 0.453 eV反向 0.445 eV
表面吸附跳跃
(104) slab 65 原子，hollow–hollow 2.47 Å
正向 0.472 eV反向 0.395 eV
四阶段小结
条件生成
四性质联合条件把含 Li 候选比例从 2.5% 提到 99.2%
- 无条件含 Li 率
- 2.5%
- 条件生成含 Li 率
- 99.2%
- 1024 个结构采样耗时
- 30 秒
条件通道为零初始化嵌入，接入 AdaLN，训练时每通道独立 10% 丢弃（classifier-free guidance）；未训练时与原模型逐位一致。
MLIP 筛选
1016 个候选全部验证，240 个落在凸包 50 meV 以内
- 验证数 / 失败数
- 1016 / 0
- E_hull ≤ 50 meV
- 240 个结构
- 算力
- 约 32 GPU·小时
每个结构做 UMA 弛豫、JARVIS 竞争相同势函数重弛豫建凸包、全脱锂再弛豫，得到电压、质量/体积比容量、能量密度与脱锂体积变化。
DFT 校验
65 个结构上 UMA 相对 PBE+U 的电压 MAE 0.28 V，非磁性体系 0.16 V
- 总体 MAE
- 0.28 V
- 非磁性体系 MAE
- 0.16 V
- 系统偏差
- +0.05 V
同一流程分别用 UMA、UMA+D3 与 Quantum ESPRESSO PBE+U 计算；99 个结构中 65 个 QE 收敛，34 个失败（22 个缺赝势、12 个 SCF 不收敛）。
最终价值
100 个候选通过全部工程门槛，45 个位于帕累托前沿
- 过门槛 / 帕累托
- 100 / 45
- 稳定且组成新颖
- 52 种化学式
- Li 迁移能垒（体相 / 表面）
- 0.453 / 0.472 eV
门槛为电压 2.5–4.8 V、E_hull ≤ 50 meV、脱锂态 E_hull ≤ 200 meV、容量 ≥ 100 mAh/g、体积变化 ≤ 10%；能垒由 CI-NEB 计算，鞍点位于路径内部且正反向非零。
适用范围与当前边界
- 条件生成改变的是分布,不保证单个样本命中目标值。请求 4 V 得到的是中位 3.63 V 的分布,因此每个候选仍需逐一实测。
- 新颖性判定依赖比对库。页面上的归类只对照微调数据集(JARVIS);后续核对 OQMD / Materials Project / Alexandria 发现头部 11 个候选中 6 个已被其他数据库计算过。
- 电压标签只存在于含锂结构上,因而「指定电压」与「含锂」在模型中耦合:只指定稳定性而不指定电压时,含锂率回落到无条件水平。
- 热力学门槛不判断电化学可行性。可用氧化还原电子数、锂离子渗流、掺杂溶解度需要单独检查;文献核对显示头部候选中仍有因铬毒性、钒毒性或价态饱和而不可行的组成。
- 机器学习势在磁性过渡金属体系上的电压误差(0.41 V)显著高于非磁性体系(0.16 V),且该体系的 DFT 参考本身(U 取值、自旋态搜索)也带有同量级不确定度。