Guiados por el aprendizaje automático, los químicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía diseñaron un material supercondensador carbonoso que bate récords y que almacena cuatro veces más energía que el mejor material comercial. Un supercondensador fabricado con el nuevo material podría almacenar más energía, mejorando los frenos regenerativos, la electrónica de potencia y las fuentes de alimentación auxiliares.

"Al combinar un método basado en datos y nuestra experiencia en investigación, creamos un material de carbono con propiedades fisicoquímicas y electroquímicas mejoradas que llevaron el límite del almacenamiento de energía para supercondensadores de carbono al siguiente nivel", dijo el químico Tao Wang de ORNL y la Universidad de Tennessee, Knoxville.

Wang dirigió el estudio, titulado "Descubrimiento de materiales asistido por aprendizaje automático de materiales activos de carbono altamente porosos y ricos en oxígeno para supercondensadores acuosos" y publicado en Nature Communications. , con el químico Sheng Dai de ORNL y UTK.

"Esta es la capacidad de almacenamiento más alta registrada para carbono poroso", dijo Dai, quien concibió y diseñó los experimentos con Wang. "Este es un verdadero hito."

Los investigadores realizaron el estudio en el Centro de Transporte, Estructuras y Reacciones de Interfaz de Fluidos, o FIRST, un Centro de Investigación de Frontera Energética del DOE dirigido por ORNL que operó de 2009 a 2022. Sus socios en tres laboratorios nacionales y siete universidades exploraron reacciones de interfaz sólido-fluido. teniendo consecuencias para el almacenamiento capacitivo de energía eléctrica. La capacitancia es la capacidad de recolectar y almacenar carga eléctrica.

Cuando se trata de dispositivos de almacenamiento de energía, las baterías son las más familiares. Convierten la energía química en energía eléctrica y son excelentes para almacenar energía. Por el contrario, los condensadores almacenan energía en forma de campo eléctrico, similar a la electricidad estática. No pueden almacenar tanta energía como las baterías en un volumen determinado, pero pueden recargarse repetidamente y no pierden la capacidad de mantener la carga. Los supercondensadores, como los que alimentan algunos autobuses eléctricos, pueden almacenar más carga que los condensadores y cargarse y descargarse más rápidamente que las baterías.

Los supercondensadores comerciales tienen dos electrodos (un ánodo y un cátodo) que están separados y sumergidos en un electrolito. Las capas eléctricas dobles separan reversiblemente las cargas en la interfaz entre el electrolito y el carbono. Los materiales elegidos para fabricar electrodos para supercondensadores son carbonos porosos. Los poros proporcionan una gran superficie para almacenar la carga electrostática.

El estudio dirigido por ORNL utilizó el aprendizaje automático, un tipo de inteligencia artificial que aprende de los datos para optimizar los resultados, para guiar el descubrimiento del material superlativo. Runtong Pan, Musen Zhou y Jianzhong Wu de la Universidad de California en Riverside, una universidad asociada a FIRST, construyeron un modelo de red neuronal artificial y lo entrenaron para establecer un objetivo claro:desarrollar un "material de ensueño" para la entrega de energía.

El modelo predijo que la capacitancia más alta para un electrodo de carbono sería de 570 faradios por gramo si el carbono estuviera dopado conjuntamente con oxígeno y nitrógeno.

Wang y Dai diseñaron un carbono dopado extremadamente poroso que proporcionaría enormes superficies para reacciones electroquímicas interfaciales. Luego Wang sintetizó el nuevo material, una estructura de carbono rica en oxígeno para almacenar y transportar carga.

El carbón se activó para generar más poros y agregar grupos químicos funcionales en sitios para reacciones de oxidación o reducción. La industria utiliza agentes activadores como el hidróxido de potasio que requieren una temperatura muy alta, alrededor de 800°C, que expulsa el oxígeno del material. Hace cinco años, Dai desarrolló un proceso utilizando amida de sodio como agente activador. Funciona a una temperatura más baja, cercana a los 600°C, y crea sitios más activos que el proceso industrial más caliente. "La síntesis de material en esta 'zona Ricitos de Oro' (ni demasiado fría ni demasiado caliente) marcó una diferencia real al no descomponer los grupos funcionales", afirmó Dai.

El material sintetizado tenía una capacitancia de 611 faradios por gramo, cuatro veces mayor que la de un material comercial típico. La pseudocapacitancia es el almacenamiento de carga basado en reacciones de oxidación-reducción continuas, rápidas y reversibles en la superficie de los materiales de los electrodos. La pseudocapacitancia de tales reacciones en los sitios de oxígeno/nitrógeno contribuyó al 25% de la capacitancia total. La superficie del material se encontraba entre las más altas registradas para materiales carbonosos:más de 4.000 metros cuadrados por gramo.

Este éxito llegó rápidamente. El enfoque basado en datos permitió a Wang y Dai lograr en tres meses lo que antes les habría llevado al menos un año.

"Hemos alcanzado el rendimiento de los materiales de carbono al límite", afirmó Wang. "Sin el objetivo que estableció el aprendizaje automático, habríamos seguido optimizando materiales mediante prueba y error sin conocer su límite".

La clave del éxito fue lograr dos tipos de poros:mesoporos de entre 2 y 50 nanómetros, o milmillonésimas de metro, y microporos de menos de 2 nanómetros. En análisis experimentales, los químicos descubrieron que la combinación de mesoporos y microporos proporcionaba no sólo una gran superficie para el almacenamiento de energía, sino también canales para el transporte de electrolitos. Miaofang Chi y Zhennan Huang en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, realizaron microscopía electrónica de transmisión de barrido para caracterizar los mesoporos, pero los microporos eran demasiado pequeños para verlos.

Microscópicamente, el material parece una pelota de golf con hoyuelos profundos. Los hoyuelos representan mesoporos y los microporos existen en el material entre los hoyuelos.

"Están construyendo una autopista para el transporte de iones", dijo Dai. "Los supercondensadores tienen que ver con un rendimiento de alta velocidad:carga y descarga rápidas. En esta estructura que Tao y yo diseñamos, tienes un poro más grande, que puedes ver como una superautopista. Esto está conectado a carreteras más pequeñas o poros más pequeños. "

"Los poros más pequeños proporcionan una superficie más grande para almacenar carga, pero los poros más grandes son como una autopista que puede acelerar el rendimiento de la tasa de carga/descarga", dijo Wang. "Una cantidad equilibrada de poros pequeños y grandes puede lograr el mejor rendimiento, como lo predice el modelo de red neuronal artificial".

Para caracterizar el transporte del electrolito en los poros de carbono, Murillo Martins y Eugene Mamontov de Spallation Neutron Source, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, realizaron una dispersión de neutrones cuasielástica. "Rastrearon la velocidad en la autopista", dijo Wang. "Ésta fue la primera vez que se utilizó la dispersión de neutrones para analizar la difusión de un electrolito de ácido sulfúrico en los espacios confinados de los nanoporos de carbono". La dispersión de neutrones reveló que el electrolito se movía a diferentes velocidades:rápidamente en los mesoporos y lentamente en los microporos.

Wang cuantificó las contribuciones de capacitancia de poros de diferentes tamaños y reacciones de oxidación-reducción en sus superficies mediante espectroscopia electroquímica de potencial escalonado modificado, una técnica que sólo se puede realizar en unos pocos lugares del mundo. "Descubrimos que los mesoporos dopados con oxígeno y nitrógeno contribuyen más a la capacitancia general", afirmó Wang.

El equipo FIRST realizó otros estudios de las propiedades fisicoquímicas. Jinlei Cui y Takeshi Kobayashi del Laboratorio Nacional Ames utilizaron resonancia magnética nuclear para analizar la estructura de los precursores de polímeros. Bishnu Thapaliya de ORNL y UTK realizó un análisis Raman que reveló la estructura amorfa o desordenada del carbono.

Zhenzhen Yang de UTK y ORNL y Juntian Fan de UTK participaron en las mediciones del área de superficie.

Esta investigación tiene el potencial de acelerar el desarrollo y la optimización de materiales de carbono para aplicaciones de supercondensadores. Aunque este innovador estudio utilizó los mejores datos del momento, los científicos ahora tienen aún más datos límite para entrenar el modelo de aprendizaje automático para el próximo estudio.

"Utilizando más datos, podemos establecer un nuevo objetivo y ampliar aún más los límites de los supercondensadores de carbono", afirmó Wang. "La aplicación exitosa del aprendizaje automático en el diseño de materiales es un testimonio del poder de los enfoques basados ​​en datos en el avance de la tecnología".

Más información: Tao Wang et al, Descubrimiento de materiales asistido por aprendizaje automático de materiales de carbono activo altamente porosos y ricos en oxígeno para supercondensadores acuosos, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40282-1

Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza

Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge