概念圖藝術(shù)描繪了機(jī)器學(xué)習(xí)找到理想電容儲(chǔ)能材料的過程。它的炭框架（黑色）帶有氧（粉紅色）和氮（綠松石色）功能基團(tuán)。圖片來源：美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室

在機(jī)器學(xué)習(xí)的指導(dǎo)下，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室研究人員設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)紀(jì)錄的炭基超級(jí)電容材料，它儲(chǔ)存的能量是當(dāng)前最佳商業(yè)材料的4倍。用這種新材料制造的超級(jí)電容器可儲(chǔ)存更多的能量，從而改善再生制動(dòng)系統(tǒng)、電力電子設(shè)備和輔助電源。相關(guān)論文發(fā)表在新一期《自然·通訊》雜志上。

研究人員表示，他們創(chuàng)造了一種具有增強(qiáng)的物理化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)的炭材料，將炭基超級(jí)電容的儲(chǔ)能界限推向了新的水平。這是有記錄以來多孔炭的最高存儲(chǔ)容量，是一個(gè)“真正的里程碑”。

商用超級(jí)電容有兩個(gè)電極，即一個(gè)陽極和一個(gè)陰極，它們是分開的，并浸泡在電解液中。在電解液和炭之間的界面上，雙電層可逆地分離電荷。制造超級(jí)電容電極的首選材料是多孔炭。這些孔為存儲(chǔ)靜電電荷提供了很大的表面積。

新研究中，研究人員利用機(jī)器學(xué)習(xí)，建立了一個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并對其進(jìn)行訓(xùn)練，以開發(fā)一種用于能量輸送的“夢想材料”。該模型預(yù)測，如果炭與氧和氮摻雜，炭電極的最高電容將達(dá)到每克570法拉。

于是，研究人員設(shè)計(jì)了一種非常多孔的摻雜炭，它可為界面電化學(xué)反應(yīng)提供巨大的表面積。隨后，他們合成了一種用于儲(chǔ)存和傳輸電荷的新材料——富氧炭框架。

合成材料的電容為每克611法拉，是典型商業(yè)材料的4倍。這種材料的表面積是有記錄以來最高的炭基材料之一，每克重量的表面積超過4000平方米。團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)研究有可能加速超級(jí)電容用炭材料的開發(fā)和優(yōu)化。

總編輯圈點(diǎn)

“海納百川，有容乃大”，怎么才能讓電容器這種幾乎存在于所有電子設(shè)備中的器件，儲(chǔ)存更多的電能，科學(xué)家可謂煞費(fèi)苦心。這其中，超級(jí)電容被譽(yù)為“儲(chǔ)能界的救星”。即便都是將電能儲(chǔ)存在電場中，但它的“超級(jí)”之處在于，能在保持較小體積的同時(shí)儲(chǔ)存相當(dāng)于普通電容器數(shù)萬倍的電量。本文的研究則向人們證明了機(jī)器學(xué)習(xí)在這一器材的材料設(shè)計(jì)中的成功應(yīng)用，展現(xiàn)了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的力量。