新型炭材料创下储能纪录有望推动超级电容发展

在机器学习的指导下，美国橡树岭国家实验室研究人员设计了一种创纪录的炭基超级电容材料，它储存的能量是当前最佳商业材料的4倍。用这种新材料制造的超级电容器可储存更多的能量，从而改善再生制动系统、电力电子设备和辅助电源。相关论文发表在新一期《自然·通讯》杂志上。

研究人员表示，他们创造了一种具有增强的物理化学和电化学性质的炭材料，将炭基超级电容的储能界限推向了新的水平。这是有记录以来多孔炭的最高存储容量，是一个“真正的里程碑”。

商用超级电容有两个电极，即一个阳极和一个阴极，它们是分开的，并浸泡在电解液中。在电解液和炭之间的界面上，双电层可逆地分离电荷。制造超级电容电极的首选材料是多孔炭。这些孔为存储静电电荷提供了很大的表面积。

新研究中，研究人员利用机器学习，建立了一个人工神经网络模型，并对其进行训练，以开发一种用于能量输送的“梦想材料”。该模型预测，如果炭与氧和氮掺杂，炭电极的最高电容将达到每克570法拉。

于是，研究人员设计了一种非常多孔的掺杂炭，它可为界面电化学反应提供巨大的表面积。随后，他们合成了一种用于储存和传输电荷的新材料——富氧炭框架。

合成材料的电容为每克611法拉，是典型商业材料的4倍。这种材料的表面积是有记录以来最高的炭基材料之一，每克重量的表面积超过4000平方米。团队表示，这项研究有可能加速超级电容用炭材料的开发和优化。

“海纳百川，有容乃大”，怎么才能让电容器这种几乎存在于所有电子设备中的器件，储存更多的电能，科学家可谓煞费苦心。这其中，超级电容被誉为“储能界的救星”。即便都是将电能储存在电场中，但它的“超级”之处在于，能在保持较小体积的同时储存相当于普通电容器数万倍的电量。本文的研究则向人们证明了机器学习在这一器件的材料设计中的成功应用，展现了数据驱动方法推动技术进步的力量。