排熱から電気を生み出す熱電材料の”黄金比”をAIが発見―熱の運ばれ方”50-50″が高性能の目印、自律的材料開発実現への一歩―

2026-07-21 京都大学

京都大学、ノースウェスタン大学、大阪大学の研究グループは、約7万件の熱電材料の実験データを機械学習で解析し、高性能な熱電材料に共通する設計指標を明らかにした。解析の結果、熱伝導の約半分を原子振動(フォノン)、残り半分を電気を運ぶキャリアが担う「50対50」の熱輸送バランスが、高い熱電性能の目印であることを発見した。これは、長年提唱されてきた「フォノングラス・エレクトロンクリスタル(PGEC)」という設計思想をデータに基づいて定量化した成果である。さらに、この指標と熱伝導率を予測する機械学習モデルを約10万種類の化合物へ適用し、熱伝導率の低い有望な熱電材料候補2,522種を抽出するとともに、性能向上に有効な元素選択の指針を示した。本成果は、排熱発電材料の探索を大幅に効率化し、自動車やデータセンターなどの未利用熱を活用する高効率熱電変換材料の開発や、自律的なAI材料開発の実現に貢献すると期待される。

排熱から電気を生み出す熱電材料の”黄金比”をAIが発見―熱の運ばれ方”50-50″が高性能の目印、自律的材料開発実現への一歩―
膨大な実験データからデータ解析で高性能材料の「目印」を抽出し、新しい熱電材料の設計につなげる。自動車やデータセンターなどの排熱の高効率な電力変換を目指す。(作成:孫一帆/画像生成:ChatGPT 5.6 Solを使用)

<関連情報>

格⼦熱伝導率と全熱伝導率の⽐:データ駆動型熱電材料設計のための「フォノングラス・エレクトロンクリスタル」記述⼦ Lattice-to-total thermal conductivity ratio: A phonon-glass electron-crystal descriptor for data-driven thermoelectric design

Yifan Sun, Zhi Li, Tetsuya Imamura, Yuji Ohishi, Chris Wolverton, Ken Kurosaki
Materials Today Physics  Available online: 15 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2026.102166

Highlights

  • Analyzed 71,913 experimental TE entries to quantify the PGEC paradigm from data.
  • High-ZT materials cluster at lattice-to-total thermal conductivity ratio ≈ 0.5.
  • Dual ML models predict kL and k to go beyond material screening into optimization.

Abstract

Thermoelectrics (TEs) are promising candidates for energy harvesting with performance quantified by figure of merit, ZT. To accelerate the discovery of high-ZT materials, efforts have focused on identifying compounds with low thermal conductivity . Using a curated dataset of 71,913 entries, we show that high-ZT materials reside not only in the low-K regime but also cluster near a lattice-to-total thermal conductivity ratio (kL/k) of approximately 0.5. This empirically derived ratio provides a quantitative descriptor for the well-known phonon-glass electron-crystal (PGEC) design concept. Building on this insight, we construct a framework consisting of two machine learning models for the lattice and electronic components of thermal conductivity that jointly provide both K and kL/k for screening and guiding the optimization of TE materials. By applying this framework to 104,567 inorganic compounds, we identify 2522 ultralow-k candidates while simultaneously evaluating their proximity to the PGEC regime. A follow-up case study on chemical doping demonstrates how the framework can qualitatively provide optimization strategies that shift pristine materials toward the empirical design target of kL/k ≈ 0.5 while maintaining their low total k. Ultimately, by integrating rapid screening with PGEC-guided optimization, our data-driven framework takes a critical step toward closing the gap between materials discovery and performance enhancement.

0402電気応用
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