Машинное обучение помогает раскрыть весь потенциал углерода в суперконденсаторах

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Суперконденсаторы (они же ионисторы) — это устройства, сочетающие в себе положительные черты как конденсаторов (большая скорость заряда/разряда), так и аккумуляторов (большая ёмкость). Они используются в различных областях, таких как транспорт, электроника и возобновляемая энергетика. Однако существующие ионисторы всё же имеют относительно небольшую емкость и, для расширения спектра применения, требуют улучшения материалов, из которых они сделаны.

Один из таких материалов — углерод. Дешевый, химически стабильный материал с высокой проводимостью. Углерод имеет пористую структуру, которая обеспечивает большую поверхность для хранения заряда на границе между углеродом и электролитом — жидкостью, которая переносит ионы между электродами суперконденсатора. Однако не все поры углерода одинаково эффективны для этой цели. Нужен оптимальный баланс между большими и маленькими порами, а также специальные химические группы на поверхности углерода, которые могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях, увеличивая псевдоемкость — еще один вид хранения заряда.

Найти такой оптимальный углеродный материал — непростая задача, которая требует множества экспериментов и анализов. Но современные технологии машинного обучения могут помочь ускорить этот процесс и открыть новые возможности для разработки суперконденсаторов.

Машинное обучение — это раздел искусственного интеллекта, который позволяет компьютерам обучаться на данных и давать предсказания или принимать решения. Машинное обучение может применяться в разных областях, в том числе в проектировании материалов. Например, можно построить модель, которая будет предсказывать свойства материалов на основе их состава и структуры, или которая будет определять оптимальные параметры для синтеза материалов.

Именно такой подход использовали химики из Лаборатории Окриджа по энергетике Министерства энергетики США в сотрудничестве с учеными из Калифорнийского университета в Риверсайде, Национальной лаборатории Аймс и Университета Теннесси в Ноксвилле. Они построили искусственную нейронную сеть — тип модели машинного обучения, который имитирует работу мозга — и обучили ее на данных о емкости углеродных материалов, легированных кислородом и азотом. Затем они установили цель для этой модели — создать «материал мечты» для источника питания.

Концептуальный арт изображает машинное обучение, находящее идеальный материал для емкостного хранения энергии. Его углеродный каркас (черный) имеет функциональные группы с кислородом (розовый) и азотом (бирюзовый)
Концептуальный арт изображает машинное обучение, находящее идеальный материал для емкостного хранения энергии. Его углеродный каркас (черный) имеет функциональные группы с кислородом (розовый) и азотом (бирюзовый)
Автор: Tao Wang/ORNL, U.S. Dept. of Energy Источник: phys.org

Модель предсказала, что наибольшая емкость для углеродного электрода составит 570 фарад на грамм, если углерод будет легирован кислородом и азотом. Это значение было в четыре раза выше, чем у типичного коммерческого материала. Кроме того, модель указала на оптимальный баланс между мезопорами — порами размером от 2 до 50 нанометров, и микропорами — порами меньше 2 нанометров. Мезопоры обеспечивают быструю транспортировку электролита, а микропоры — большую поверхность для хранения заряда.

Используя эти предсказания, химики спроектировали и синтезировали новый углеродный материал, который имел рекордную емкость 611 фарад на грамм. Они также провели ряд экспериментов и анализов, чтобы подтвердить и объяснить свойства материала. Они обнаружили, что мезопоры, лешированные кислородом и азотом, вносят наибольший вклад в общую емкость, а псевдоемкость от окислительно-восстановительных реакций на поверхности углерода составляет 25% от общей емкости. Они также измерили скорость диффузии электролита в порах разного размера и показали, что она зависит от диаметра пор.

Это исследование является примером успешного применения машинного обучения в проектировании материалов. Благодаря этому подходу, химики смогли достичь за три месяца того, что раньше занимало бы не менее года. Они также открыли новые горизонты для развития ионисторов, которые могут хранить больше энергии и заряжаться быстрее.

1 комментарий

D@rkM@n
Углерод известен как: графит, алмаз, графен… Как называется этот вид?
Сказки венского леса.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

«Вояджер-1» уже почти в одном световом дне от Земли: как NASA держит связь с аппаратом и сколько еще он проработает

18 ноября в 13:18 по московскому времени (в 5:18 утра по восточному времени США) автоматический космический аппарат NASA «Вояджер-1» пересечет историческую отметку. Он удалится от Земли на...

Яркие краски без капли краски: как новые «чужие» часы от Tsedro получились разноцветными

Независимое часовое ателье Tsedro традиционно экспериментирует с формой, содержанием, материалами. И даже тогда, когда материал кажется «типичным» для часов...

Что находится прямо над Солнцем и почему туда ещё не летал ни один человек

На любой привычной схеме Солнечной системы мы видим планеты, которые выстроены почти в одной плоскости (эклиптике). Меркурий, Земля, Юпитер и Нептун кружат по своим орбитам, а пространство...

Две рыбы в одном русле: почему чётную и нечётную горбушу признали разными биологическими видами

Личинка тихоокеанской горбуши скатывается в море весной при массе 0,2 г. Проведя на океаническом нагуле ровно один год, рыба возвращается в родную реку при длине 45-70 см и массе...

Зачем на дне бутылки с газировкой делают пять выступов

Пустая бутылка из-под газировки кажется почти невесомой: её стенку легко продавить пальцами. Но пока внутри находится напиток, та же тонкая оболочка удерживает давление газа и переносит...

Как в Салеме подозрения превратились в приговоры: документы, «призрачные доказательства» и 25 погибших

19 повешенных, один раздавленный камнями и суд, который сам себя остановил. Вторая часть расследования о Салеме: что известно по документам и что до сих пор спорно.