Enerji Bakanlığı’nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı‘ndaki kimyagerler, makine öğreniminin rehberliğinde, en iyi ticari malzemeden dört kat daha fazla enerji depolayan, rekor kıran bir karbonlu süper kapasitör malzemesi tasarladı. Yeni malzemeden yapılan bir süper kapasitör daha fazla enerji depolayabilir; böylece rejeneratif frenler, güç elektroniği ve yardımcı güç kaynakları iyileştirilebilir.
ORNL ve Üniversitesi’nden kimyager Tao Wang, ” Veri odaklı bir yöntemi ve araştırma deneyimimizi birleştirerek, karbon süper kapasitörleri için enerji depolamanın sınırlarını bir sonraki seviyeye iten, gelişmiş fizikokimyasal ve elektrokimyasal özelliklere sahip bir karbon malzemesi oluşturduk” dedi.
Wang, ORNL ve UTK’dan kimyager Sheng Dai ile birlikte Nature Communications’da yayınlanan ” Sulu süperkapasitör için oksijen açısından zengin, yüksek gözenekli karbon aktif malzemelerin makine öğrenimi destekli malzeme keşfi” başlıklı çalışmaya öncülük etti .
Araştırmacılar, çalışmayı Akışkan Arayüz Reaksiyonları, Yapıları ve Taşıma Merkezi’nde veya 2009’dan 2022’ye kadar faaliyet gösteren ORNL liderliğindeki DOE Energy Frontier Araştırma Merkezi FIRST’te gerçekleştirdi. Üç ulusal laboratuvar ve yedi üniversitedeki ortakları, akışkan-katı arayüz reaksiyonlarını araştırdı. kapasitif elektrik enerjisi depolaması açısından sonuçları vardır. Kapasitans, elektrik yükünü toplama ve depolama yeteneğidir .
Enerji depolama cihazları söz konusu olduğunda en tanıdık olanı pillerdir. Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürler ve enerji depolamada mükemmeldirler. Bunun aksine, kapasitörler enerjiyi statik elektriğe benzer bir elektrik alanı olarak depolar. Belirli bir hacimde piller kadar enerji depolayamazlar ancak tekrar tekrar şarj olabilirler ve şarj tutma yeteneklerini kaybetmezler. Bazı elektrikli otobüslere güç sağlayanlar gibi süper kapasitörler, kapasitörlerden daha fazla şarj depolayabilir ve pillerden daha hızlı şarj ve deşarj olabilir.
Ticari süper kapasitörler, ayrılmış ve bir elektrolite daldırılmış iki elektrottan (bir anot ve katot) oluşur. Çift elektrik katmanları, elektrolit ile karbon arasındaki arayüzdeki yükleri tersine çevrilebilir şekilde ayırır. Süper kapasitörler için elektrot yapımında tercih edilen malzemeler gözenekli karbonlardır. Gözenekler elektrostatik yükü depolamak için geniş bir yüzey alanı sağlar.
Yapay Zeka ile Keşfedilen Yeni Enerji Depolama Malzemesi
ORNL liderliğindeki çalışmada , üstün malzemenin keşfine rehberlik etmek için sonuçları optimize etmek için verilerden öğrenen bir tür yapay zeka olan makine öğrenimi kullanıldı. FIRST’ün ortak üniversitesi Riverside’daki Kaliforniya Üniversitesi’nden Runtong Pan, Musen Zhou ve Jianzhong Wu, yapay bir sinir ağı modeli oluşturdular ve onu net bir hedef belirlemek için eğittiler: enerji dağıtımı için bir “rüya malzemesi” geliştirmek.
Model, karbonun oksijen ve nitrojenle birlikte katkılanması durumunda, bir karbon elektrot için en yüksek kapasitansın gram başına 570 farad olacağını öngördü. Wang ve Dai, arayüzey elektrokimyasal reaksiyonlar için geniş yüzey alanları sağlayacak son derece gözenekli katkılı bir karbon tasarladılar. Daha sonra Wang, yükü depolamak ve taşımak için oksijen açısından zengin bir karbon çerçevesi olan yeni malzemeyi sentezledi.
Karbon, daha fazla gözenek oluşturmak ve oksidasyon veya indirgeme reaksiyonları için bölgelere fonksiyonel kimyasal gruplar eklemek üzere etkinleştirildi. Endüstri, malzemeden oksijeni uzaklaştıran, yaklaşık 800°C gibi çok yüksek bir sıcaklık gerektiren potasyum hidroksit gibi aktivasyon ajanlarını kullanır. Beş yıl önce Dai, aktivasyon maddesi olarak sodyum amit kullanan bir süreç geliştirdi. 600°C’ye yakın daha düşük bir sıcaklıkta çalışır ve daha sıcak endüstriyel işlemlere göre daha aktif alanlar oluşturur. Dai, “Bu ‘Goldilocks bölgesindeki’ (ne çok soğuk ne de çok sıcak) malzeme sentezi, fonksiyonel grupların ayrıştırılmaması konusunda gerçek bir fark yarattı” dedi.
