Vật liệu carbon mới lập kỷ lục lưu trữ năng lượng, có khả năng cải tiến siêu tụ điện

Nghệ thuật khái niệm mô tả việc học máy tìm kiếm vật liệu lý tưởng để lưu trữ năng lượng điện dung. Khung carbon của nó (màu đen) có các nhóm chức năng với oxy (màu hồng) và nitơ (màu ngọc lam). Nhà cung cấp hình ảnh: Tao Wang/ORNL, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ

Nhà hóa học Tao Wang của ORNL và Đại học cho biết: “Bằng cách kết hợp phương pháp dựa trên dữ liệu và kinh nghiệm nghiên cứu của mình, chúng tôi đã tạo ra vật liệu carbon với các đặc tính hóa lý và điện hóa nâng cao, đẩy ranh giới lưu trữ năng lượng cho siêu tụ điện carbon lên một tầm cao mới”. Tennessee, Knoxville.

Wang dẫn đầu nghiên cứu có tựa đề “Khám phá vật liệu được hỗ trợ bởi máy học về vật liệu hoạt tính carbon có độ xốp cao giàu oxy cho siêu tụ điện dạng nước” và được công bố trên tạp chí  Nature Communications , cùng với nhà hóa học Sheng Dai của ORNL và UTK.

Dai, người đã hình thành và thiết kế các thí nghiệm cùng với Wang, cho biết: “Đây là điện dung lưu trữ cao nhất được ghi nhận đối với carbon xốp”. "Đây là một cột mốc thực sự."

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện nghiên cứu tại Trung tâm Phản ứng, Cấu trúc và Vận chuyển Giao diện Chất lỏng, hay FIRST, Trung tâm Nghiên cứu Biên giới Năng lượng DOE do ORNL lãnh đạo, hoạt động từ năm 2009 đến năm 2022. Các đối tác của họ tại ba phòng thí nghiệm quốc gia và bảy trường đại học đã khám phá các phản ứng giao diện chất lỏng-rắn có hậu quả đối với việc lưu trữ năng lượng điện dung. Điện dung là khả năng thu thập và lưu trữ điện tích.

Khi nói đến các thiết bị lưu trữ năng lượng thì pin là loại thiết bị quen thuộc nhất. Chúng chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện và có khả năng lưu trữ năng lượng vượt trội. Ngược lại, tụ điện lưu trữ năng lượng dưới dạng điện trường, giống như tĩnh điện. Chúng không thể lưu trữ nhiều năng lượng như pin trong một thể tích nhất định, nhưng chúng có thể sạc lại nhiều lần và không mất khả năng tích điện. Các siêu tụ điện, chẳng hạn như loại cung cấp năng lượng cho một số xe buýt điện, có thể lưu trữ nhiều điện tích hơn tụ điện và sạc và xả nhanh hơn pin.

Các siêu tụ điện thương mại có hai điện cực—cực dương và cực âm—được tách ra và ngâm trong chất điện phân. Các lớp điện kép có khả năng phân tách điện tích thuận nghịch tại bề mặt tiếp xúc giữa chất điện phân và cacbon. Vật liệu được lựa chọn để chế tạo điện cực cho siêu tụ điện là cacbon xốp. Các lỗ rỗng cung cấp một diện tích bề mặt lớn để lưu trữ điện tích.

Nghiên cứu do ORNL dẫn đầu đã sử dụng  máy học , một loại trí tuệ nhân tạo học từ dữ liệu để tối ưu hóa kết quả, nhằm hướng dẫn việc khám phá vật liệu bậc nhất. Runtong Pan, Musen Zhou và Jianzhong Wu từ Đại học California, Riverside, trường đại học đối tác FIRST, đã xây dựng một mô hình mạng lưới thần kinh nhân tạo và đào tạo nó để đặt ra mục tiêu rõ ràng: phát triển một “vật liệu mơ ước” để cung cấp năng lượng.

Mô hình dự đoán rằng điện dung cao nhất của điện cực cacbon sẽ là 570 farad/gram nếu cacbon được pha tạp cùng với oxy và nitơ.

Wang và Dai đã thiết kế một loại carbon pha tạp cực xốp có thể cung cấp diện tích bề mặt khổng lồ cho các phản ứng điện hóa bề mặt. Sau đó, Wang tổng hợp vật liệu mới, khung carbon giàu oxy để lưu trữ và vận chuyển điện tích.

Carbon được kích hoạt để tạo ra nhiều lỗ hơn và bổ sung các nhóm hóa học chức năng tại các vị trí cho các phản ứng oxy hóa hoặc khử. Công nghiệp sử dụng các chất kích hoạt như kali hydroxit đòi hỏi nhiệt độ rất cao, khoảng 800°C, để đẩy oxy ra khỏi vật liệu. Năm năm trước, Dai đã phát triển một quy trình sử dụng natri amit làm tác nhân kích hoạt. Nó hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn, gần 600°C và tạo ra nhiều vị trí hoạt động hơn so với quy trình công nghiệp nóng hơn. Dai cho biết: “Sự tổng hợp vật liệu trong 'vùng Goldilocks' này – không quá lạnh, không quá nóng – đã tạo ra sự khác biệt thực sự trong việc không phân hủy các nhóm chức năng”.

Vật liệu tổng hợp có điện dung là 611 farad/gram – cao gấp bốn lần so với vật liệu thương mại thông thường. Giả điện dung là sự lưu trữ điện tích dựa trên các phản ứng oxy hóa-khử liên tục, nhanh và thuận nghịch trên bề mặt vật liệu điện cực. Điện dung giả từ các phản ứng như vậy ở vị trí oxy/nitơ đóng góp tới 25% điện dung tổng thể. Diện tích bề mặt của vật liệu này thuộc hàng cao nhất được ghi nhận đối với vật liệu cacbon – hơn 4.000 mét vuông mỗi gam.

Thành công này đến nhanh chóng. Cách tiếp cận dựa trên dữ liệu cho phép Wang và Dai đạt được trong ba tháng những gì mà trước đây phải mất ít nhất một năm.

Wang cho biết: “Chúng tôi đã đạt được hiệu suất của vật liệu carbon ở mức giới hạn. "Nếu không có mục tiêu mà máy học đặt ra, chúng tôi sẽ tiếp tục tối ưu hóa tài liệu thông qua thử và sai mà không biết giới hạn của chúng."

Chìa khóa thành công là đạt được hai loại lỗ chân lông—lỗ trung bình có kích thước từ 2 đến 50 nanomet, hay một phần tỷ mét, và lỗ chân lông siêu nhỏ có kích thước nhỏ hơn 2 nanomet. Trong các phân tích thực nghiệm, các nhà hóa học phát hiện ra rằng sự kết hợp giữa lỗ trung mô và lỗ nhỏ không chỉ cung cấp diện tích bề mặt cao để lưu trữ năng lượng mà còn tạo ra các kênh vận chuyển chất điện phân. Miaofang Chi và Zhennan Huang tại Trung tâm Khoa học Vật liệu Nanophase, một cơ sở sử dụng Văn phòng Khoa học DOE tại ORNL, đã thực hiện quét kính hiển vi điện tử truyền qua để mô tả đặc điểm của các lỗ trung mô, nhưng các lỗ nhỏ này quá nhỏ để có thể nhìn thấy.

Nhìn dưới kính hiển vi, vật liệu này trông giống như một quả bóng golf với những vết lõm sâu. Các lúm đồng tiền đại diện cho các lỗ trung mô và các vi lỗ tồn tại trong vật liệu giữa các vết lõm.

“Bạn đang xây dựng một đường cao tốc để vận chuyển ion”, Dai nói. "Siêu tụ điện đều hướng đến hiệu suất tốc độ cao—sạc nhanh, xả nhanh. Trong cấu trúc này mà Tao và tôi thiết kế, bạn có một lỗ chân lông lớn hơn mà bạn có thể xem như một đường siêu xa lộ. Đường này được kết nối với những con đường nhỏ hơn hoặc những lỗ chân lông nhỏ hơn. "

Wang cho biết: “Các lỗ nhỏ hơn cung cấp bề mặt lớn hơn để lưu trữ điện tích, nhưng các lỗ lớn hơn giống như một đường cao tốc có thể tăng tốc hiệu suất tốc độ sạc/xả”. “Một lượng lỗ chân lông nhỏ và lớn cân bằng có thể mang lại hiệu suất tốt nhất, đúng như dự đoán của mô hình mạng lưới thần kinh nhân tạo.”

Để mô tả sự vận chuyển của chất điện phân trong các lỗ cacbon, Murillo Martins và Eugene Mamontov của Nguồn neutron va chạm, cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học DOE tại ORNL, đã thực hiện tán xạ neutron gần như đàn hồi. “Họ theo dõi tốc độ trên đường cao tốc”, Wang nói. “Đây là lần đầu tiên sự tán xạ neutron được sử dụng để phân tích sự khuếch tán của chất điện phân axit sulfuric trong không gian hạn chế của các lỗ nano carbon.” Sự tán xạ neutron cho thấy chất điện phân di chuyển ở các tốc độ khác nhau: nhanh trong các lỗ trung mô và chậm trong các vi lỗ.

Wang đã định lượng sự đóng góp điện dung từ các lỗ có kích thước khác nhau và phản ứng oxy hóa-khử trên bề mặt của chúng thông qua phương pháp quang phổ điện hóa thế năng bước cải tiến, một kỹ thuật chỉ có thể được thực hiện ở một vài nơi trên thế giới. Wang cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng các lỗ trung mô được pha tạp oxy và nitơ đóng góp nhiều nhất vào điện dung tổng thể”.

Nhóm FIRST đã thực hiện các nghiên cứu khác về các đặc tính hóa lý. Jinlei Cui và Takeshi Kobayashi từ Phòng thí nghiệm quốc gia Ames đã sử dụng cộng hưởng từ hạt nhân để phân tích cấu trúc của tiền chất polymer. Bishnu Thapaliya của ORNL và UTK đã tiến hành phân tích Raman, cho thấy cấu trúc vô định hình hoặc mất trật tự của carbon.

Zhenzhen Yang của UTK và ORNL và Juntian Fan của UTK đã tham gia đo diện tích bề mặt.

Nghiên cứu này có khả năng đẩy nhanh quá trình phát triển và tối ưu hóa vật liệu carbon cho các ứng dụng siêu tụ điện. Mặc dù nghiên cứu đột phá này sử dụng dữ liệu tốt nhất vào thời điểm đó, nhưng các nhà khoa học hiện thậm chí còn có nhiều dữ liệu ranh giới hơn để đào tạo mô hình học máy cho nghiên cứu tiếp theo.

Wang cho biết: “Sử dụng nhiều dữ liệu hơn, chúng tôi có thể đặt mục tiêu mới và đẩy xa hơn nữa ranh giới của siêu tụ điện carbon”. "Ứng dụng thành công của machine learning trong thiết kế vật liệu là minh chứng cho sức mạnh của các phương pháp tiếp cận dựa trên dữ liệu trong công nghệ tiên tiến."