超過(guò)現(xiàn)有材料四倍，新型碳材料超級(jí)電容器創(chuàng)下儲(chǔ)能紀(jì)錄

說(shuō)起儲(chǔ)能設(shè)備，人們最熟悉的當(dāng)然是電池，它們可以將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，電容器則是以電場(chǎng)形式存儲(chǔ)能量，在給定體積內(nèi)，它們儲(chǔ)存的能量可能沒(méi)有電池多，但它們可以反復(fù)充電并且不會(huì)失去保持電量的能力。而超級(jí)電容器可以比普通電容器存儲(chǔ)更多的電荷，并且比電池充電和放電更快，是新能源汽車(chē)日趨普及的今天一個(gè)非常重要的研究方向。

近日，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的研究人員在機(jī)器學(xué)習(xí)的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)紀(jì)錄的碳基超級(jí)電容材料，它儲(chǔ)存的能量是當(dāng)前最佳商業(yè)材料的4倍。用這種新材料制造的超級(jí)電容器可儲(chǔ)存更多的能量，從而改善再生制動(dòng)系統(tǒng)、電力電子設(shè)備和輔助電源，成功地將碳基超級(jí)電容器的儲(chǔ)能邊界推向了一個(gè)新的水平。

商用超級(jí)電容器有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)電極，它們是分開(kāi)浸泡在電解液中的。在電解液和碳之間的界面上，雙電層可逆地分離電荷。而制造超級(jí)電容器電極的首選材料是多孔碳，因?yàn)檫@些孔為存儲(chǔ)靜電電荷提供了很大的表面積。

據(jù)介紹，該研究團(tuán)隊(duì)利用機(jī)器學(xué)習(xí)建立了一個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)對(duì)模型加以訓(xùn)練來(lái)開(kāi)發(fā)一種用于能量傳輸?shù)摹皦?mèng)幻材料”。該模型預(yù)測(cè)，如果碳與氧和氮共摻雜，碳電極的最高電容將會(huì)達(dá)到每克570法拉?；诖耍芯繄F(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種多孔摻雜碳，可為界面電化學(xué)反應(yīng)提供巨大的表面積，最終成功地合成出了這種用于存儲(chǔ)和傳輸電荷的富氧碳框架材料。這種材料的電容為每克611法拉，是典型商業(yè)材料的4倍，并且這種材料的表面積是含碳材料中最高的記錄之一，每克重量的表面積超過(guò)4000平方米。

這種材料之所以能取得如此高的性能，主要是歸功于這種富氧碳框架中的兩種孔隙——2至50nm之間的中孔/小于2nm的微孔，較小的微孔為材料提供了更大的表面來(lái)存儲(chǔ)電荷，而較大的中孔則像高??速公路一樣，可以加快充電/放電速率，大小孔隙數(shù)量的平衡最終成功推進(jìn)實(shí)現(xiàn)了最佳性能。

機(jī)器學(xué)習(xí)引導(dǎo)材料合成的流程 來(lái)源：《自然-通訊》

據(jù)悉，該研究使用的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法極大的加快了研究進(jìn)程，過(guò)去想要實(shí)現(xiàn)相同的目標(biāo)至少需要一年的時(shí)間，現(xiàn)在僅需要三個(gè)月。而在這項(xiàng)研究中，研究人員僅僅使用了當(dāng)時(shí)情況下最好的數(shù)據(jù)，但現(xiàn)在他們又擁有了更多的邊界數(shù)據(jù)可以用來(lái)訓(xùn)練下一步研究的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，可以進(jìn)一步加速超級(jí)電容器碳材料的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化。