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

В 1980 году в мире осталось пять чёрных малиновок — вся нынешняя популяция происходит от одной самки

В 1980 году всю мировую популяцию чёрной малиновки можно было пересчитать по пальцам одной руки. На островах Чатем у Новой Зеландии оставалось пять птиц, и среди них была всего одна размножающаяся...

Первое фото черной дыры всерьез считали ошибкой программ: повторный анализ данных доказал, что кольцо что кольцо M87 реально

В апреле 2019 года международная коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) опубликовала первое в истории изображение тени сверхмассивной черной дыры. Объект, получивший обозначение M87*, находится...

Какая машина может ездить по потолку? Это не фантастика, а физика

Если вы когда-нибудь смотрели «Назад в будущее» или просто представляли, как машина нарушает законы гравитации, то у нас хорошие новости: в реальности такая машина уже существует. И это не концепт...

Поймать одиночный фонон: как физики разделили квант движения на три атома и увидели фазу Берри

Одиночные ионы, удерживаемые электромагнитными полями в глубоком вакууме, сегодня служат одной из самых надежных платформ для создания квантовых компьютеров и симуляторов — устройств,...

Новая выставка картин зятя Третьякова открылась в Третьяковской галерее: к 160-летию Бакста

С 10 ноября до весны 2027 года в Инженерном корпусе ГТГ отмечают 160-летия Льва Бакста. В историю культуры этот художник вошел именно под такой фамилией, которую сменил ради брака с овдовевшей...

Зачем Сальвадор Дали спал с ключом в руке и как этот прием помогает мозгу находить новые идеи

В 1948 году испанский художник Сальвадор Дали выпустил книгу «50 магических секретов мастерства». Помимо технических советов по выбору кистей и смешиванию красок, он подробно описал в ней необычный...