28.11.2023. - Углеродный материал установил рекорд по хранению энергии

Углеродный материал установил рекорд по хранению энергии

Руководствуясь машинным обучением, химики Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики разработали рекордный углеродосодержащий суперконденсаторный материал, который сохраняет в четыре раза больше энергии, чем лучший коммерческий материал. Суперконденсатор, изготовленный из нового материала, сможет хранить больше энергии, улучшая рекуперативные тормоза, силовую электронику и вспомогательные источники питания. «Объединив метод, основанный на данных, и наш исследовательский опыт, мы создали углеродный материал с улучшенными физико-химическими и электрохимическими свойствами, который вывел границы хранения энергии для углеродных суперконденсаторов на новый уровень», — сказал химик Тао Ван из ORNL и Университета США. Теннесси, Ноксвилл. Ван возглавил исследование под названием «Обнаружение с помощью машинного обучения богатых кислородом высокопористых углеродных активных материалов для водных суперконденсаторов» и опубликовано в журнале Nature Communications вместе с химиком Шэн Даем из ORNL и UTK. «Это самая высокая зарегистрированная емкость хранения пористого углерода», — сказал Дай, который задумал и спланировал эксперименты вместе с Вангом. «Это настоящая веха».

Исследователи провели исследование в Центре реакций, структур и транспорта жидкости на границе раздела жидкостей, или FIRST, исследовательском центре пограничных исследований Министерства энергетики США под руководством ORNL, который работал с 2009 по 2022 год. Его партнеры в трех национальных лабораториях и семи университетах исследовали реакции на границе раздела жидкость-твердое тело. имеющие последствия для емкостного хранения электрической энергии. Емкость – это способность собирать и хранить электрический заряд. Когда дело доходит до устройств хранения энергии, наиболее привычными являются аккумуляторы. Они преобразуют химическую энергию в электрическую и превосходно сохраняют энергию. Напротив, конденсаторы хранят энергию в виде электрического поля, похожего на статическое электричество. Они не могут хранить в заданном объеме столько энергии, сколько аккумуляторы, но могут многократно перезаряжаться и не теряют способности удерживать заряд. Суперконденсаторы, например те, что питают некоторые электрические автобусы, могут хранить больше заряда, чем конденсаторы, а также заряжаться и разряжаться быстрее, чем батареи.

Коммерческие суперконденсаторы имеют два электрода — анод и катод, которые разделены и погружены в электролит. Двойные электрические слои обратимо разделяют заряды на границе раздела электролита и углерода. Материалами для изготовления электродов суперконденсаторов являются пористые углероды. Поры обеспечивают большую площадь поверхности для хранения электростатического заряда. В исследовании под руководством ORNL использовалось машинное обучение, тип искусственного интеллекта, который учится на данных для оптимизации результатов, чтобы направлять открытие превосходного материала. Рунтонг Пан, Мусен Чжоу и Цзяньчжун Ву из Калифорнийского университета в Риверсайде, университета-партнера FIRST, построили модель искусственной нейронной сети и обучили ее, чтобы поставить четкую цель: разработать «материал мечты» для доставки энергии. Модель предсказала, что наибольшая емкость угольного электрода составит 570 фарад на грамм, если углерод будет совместно легирован кислородом и азотом. Ван и Дай разработали чрезвычайно пористый легированный углерод, который обеспечит огромные площади поверхности для межфазных электрохимических реакций. Затем Ван синтезировал новый материал — богатый кислородом углеродный каркас для хранения и транспортировки заряда.

Уголь был активирован для создания большего количества пор и добавления функциональных химических групп в местах реакций окисления или восстановления. В промышленности используются активаторы, такие как гидроксид калия, для которых требуется очень высокая температура, около 800°C, которая вытесняет кислород из материала. Пять лет назад Дай разработал процесс с использованием амида натрия в качестве активирующего агента. Он работает при более низкой температуре, около 600°C, и создает больше активных участков, чем более горячий промышленный процесс. «Синтез материалов в этой «зоне Златовласки» — не слишком холодной и не слишком горячей — имел реальное значение в предотвращении разложения функциональных групп», — сказал Дай. Синтезированный материал имел емкость 611 фарад на грамм — в четыре раза выше, чем у типичного коммерческого материала. Псевдоемкость – это хранение заряда, основанное на непрерывных, быстрых и обратимых окислительно-восстановительных реакциях на поверхности электродных материалов. Псевдоемкость в результате таких реакций на участках кислорода/азота составляла 25% от общей емкости. Площадь поверхности этого материала была одной из самых высоких среди углеродсодержащих материалов — более 4000 квадратных метров на грамм.

Этот успех пришел быстро. Подход, основанный на данных, позволил Вангу и Даю за три месяца достичь того, на что раньше потребовался бы как минимум год. «Мы достигли предельных характеристик углеродных материалов», — сказал Ван. «Без цели, поставленной машинным обучением, мы бы продолжали оптимизировать материалы методом проб и ошибок, не зная их предела». Ключом к успеху было создание двух типов пор — мезопор размером от 2 до 50 нанометров, или миллиардных долей метра, и микропор размером менее 2 нанометров. В ходе экспериментального анализа химики обнаружили, что сочетание мезопор и микропор обеспечивает не только большую площадь поверхности для хранения энергии, но и каналы для транспорта электролита. Миаофанг Чи и Чжэннань Хуан из Центра наук о нанофазных материалах, пользовательского центра Министерства энергетики США в ORNL, провели сканирующую трансмиссионную электронную микроскопию, чтобы охарактеризовать мезопоры, но микропоры были слишком малы, чтобы их можно было увидеть. Микроскопически материал выглядит как мяч для гольфа с глубокими ямочками. Ямочки представляют собой мезопоры, а микропоры существуют в материале между ямками.

«Вы строите магистраль для транспорта ионов», — сказал Дай. «Суперконденсаторы отличаются высокой производительностью — быстрая зарядка и быстрая разрядка. В этой структуре, которую мы с Тао разработали, у вас есть более крупные поры, которые можно рассматривать как супермагистраль. Это связано с меньшими дорогами или более мелкими порами. " «Меньшие поры обеспечивают большую поверхность для хранения заряда, но более крупные поры подобны шоссе, которое может ускорить скорость заряда/разряда», — сказал Ван. «Сбалансированное количество маленьких и больших пор может обеспечить наилучшую производительность, как предсказывает модель искусственной нейронной сети». Чтобы охарактеризовать транспорт электролита в углеродных порах, Мурильо Мартинс и Юджин Мамонтов из источника расщепленных нейтронов, пользовательского центра Министерства энергетики США в ORNL, выполнили квазиупругое рассеяние нейтронов. «Они отслеживали скорость на шоссе», — сказал Ван. «Это был первый случай, когда рассеяние нейтронов было использовано для анализа диффузии сернокислого электролита в замкнутом пространстве углеродных нанопор». Рассеяние нейтронов показало, что электролит движется с разной скоростью: быстро в мезопорах и медленно в микропорах.

Ван количественно оценил вклад емкости пор разного размера и окислительно-восстановительных реакций на их поверхности с помощью электрохимической спектроскопии модифицированного ступенчатого потенциала — метода, который можно использовать лишь в нескольких местах в мире. «Мы обнаружили, что мезопоры, легированные кислородом и азотом, вносят наибольший вклад в общую емкость», — сказал Ван. Команда FIRST провела и другие исследования физико-химических свойств. Джинлей Цуй и Такеши Кобаяши из Национальной лаборатории Эймса использовали ядерный магнитный резонанс для анализа структуры предшественников полимеров. Бишну Тапалия из ORNL и UTK провел рамановский анализ, выявивший аморфную или неупорядоченную структуру углерода. Чжэньчжэнь Ян из ЮТК и ORNL и Цзюньтянь Фан из ЮТК участвовали в измерениях площади поверхности. Это исследование может ускорить разработку и оптимизацию углеродных материалов для применения в суперконденсаторах. Хотя в этом революционном исследовании использовались лучшие на тот момент данные, теперь у ученых есть еще больше граничных данных для обучения модели машинного обучения для следующего исследования. «Используя больше данных, мы можем поставить новую цель и еще больше расширить границы углеродных суперконденсаторов», — сказал Ван. «Успешное применение машинного обучения в дизайне материалов является свидетельством силы подходов, основанных на данных, в развитии технологий».

Источник