Guiados pelo aprendizado de máquina, os químicos do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia projetaram um material supercapacitor carbonáceo recorde que armazena quatro vezes mais energia do que o melhor material comercial. Um supercapacitor feito com o novo material poderia armazenar mais energia – melhorando os freios regenerativos, a eletrônica de potência e as fontes de alimentação auxiliares.



"Ao combinar um método baseado em dados e nossa experiência de pesquisa, criamos um material de carbono com propriedades físico-químicas e eletroquímicas aprimoradas que elevou os limites do armazenamento de energia para supercapacitores de carbono para o próximo nível", disse o químico Tao Wang do ORNL e da Universidade de Tennessee, Knoxville.

Wang liderou o estudo, intitulado "Descoberta de material assistido por aprendizado de máquina de materiais ativos de carbono altamente porosos e ricos em oxigênio para supercapacitor aquoso" e publicado na Nature Communications , com o químico Sheng Dai do ORNL e UTK.

“Esta é a maior capacitância de armazenamento registrada para carbono poroso”, disse Dai, que concebeu e projetou os experimentos com Wang. "Este é um verdadeiro marco."

Os pesquisadores conduziram o estudo no Centro de Reações, Estruturas e Transporte de Interface de Fluidos, ou FIRST, um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia do DOE liderado pelo ORNL que operou de 2009 a 2022. Seus parceiros em três laboratórios nacionais e sete universidades exploraram reações de interface fluido-sólido. tendo consequências para o armazenamento capacitivo de energia elétrica. Capacitância é a capacidade de coletar e armazenar carga elétrica.

Quando se trata de dispositivos de armazenamento de energia, as baterias são as mais conhecidas. Eles convertem energia química em energia elétrica e são excelentes no armazenamento de energia. Por outro lado, os capacitores armazenam energia na forma de um campo elétrico, semelhante à eletricidade estática. Eles não podem armazenar tanta energia quanto as baterias em um determinado volume, mas podem recarregar repetidamente e não perdem a capacidade de reter carga. Os supercapacitores, como os que alimentam alguns ônibus elétricos, podem armazenar mais carga do que os capacitores e carregar e descarregar mais rapidamente do que as baterias.

Os supercapacitores comerciais possuem dois eletrodos – um ânodo e um cátodo – que são separados e imersos em um eletrólito. Camadas elétricas duplas separam cargas reversivelmente na interface entre o eletrólito e o carbono. Os materiais preferidos para fazer eletrodos para supercapacitores são carbonos porosos. Os poros fornecem uma grande área de superfície para armazenar a carga eletrostática.

O estudo liderado pelo ORNL utilizou aprendizado de máquina, um tipo de inteligência artificial que aprende com os dados para otimizar resultados, para orientar a descoberta do material superlativo. Runtong Pan, Musen Zhou e Jianzhong Wu da Universidade da Califórnia, Riverside, uma universidade parceira da FIRST, construíram um modelo de rede neural artificial e treinaram-no para definir um objetivo claro:desenvolver um “material de sonho” para fornecimento de energia.

O modelo previu que a capacitância mais alta para um eletrodo de carbono seria de 570 farads por grama se o carbono fosse co-dopado com oxigênio e nitrogênio.

Wang e Dai projetaram um carbono dopado extremamente poroso que forneceria enormes áreas de superfície para reações eletroquímicas interfaciais. Então Wang sintetizou o novo material, uma estrutura de carbono rica em oxigênio para armazenar e transportar carga.

O carvão foi ativado para gerar mais poros e adicionar grupos químicos funcionais em locais para reações de oxidação ou redução. A indústria utiliza agentes ativadores como o hidróxido de potássio que necessitam de uma temperatura muito elevada, em torno de 800°C, o que expulsa o oxigênio do material. Há cinco anos, Dai desenvolveu um processo usando amida de sódio como agente de ativação. Funciona a uma temperatura mais baixa, perto de 600°C, e cria mais sítios ativos do que o processo industrial mais quente. "A síntese de materiais nesta 'zona Cachinhos Dourados' - nem muito fria, nem muito quente - fez uma diferença real na não decomposição dos grupos funcionais", disse Dai.

O material sintetizado tinha uma capacitância de 611 farads por grama – quatro vezes maior que um material comercial típico. Pseudocapacitância é o armazenamento de carga baseado em reações de oxidação-redução contínuas, rápidas e reversíveis na superfície dos materiais do eletrodo. A pseudocapacitância de tais reações nos locais de oxigênio/nitrogênio contribuiu para 25% da capacitância total. A área de superfície do material estava entre as mais altas registradas para materiais carbonáceos – mais de 4.000 metros quadrados por grama.

Esse sucesso veio rapidamente. A abordagem baseada em dados permitiu que Wang e Dai conseguissem em três meses o que anteriormente levaria pelo menos um ano.

“Alcançamos o desempenho dos materiais de carbono no limite”, disse Wang. “Sem o objetivo estabelecido pelo aprendizado de máquina, teríamos continuado otimizando os materiais por meio de tentativa e erro, sem saber seu limite.”

A chave para o sucesso foi conseguir dois tipos de poros – mesoporos entre 2 e 50 nanômetros, ou bilionésimos de metro, e microporos menores que 2 nanômetros. Em análises experimentais, os químicos descobriram que a combinação de mesoporos e microporos proporcionava não apenas uma elevada área superficial para armazenamento de energia, mas também canais para transporte de eletrólitos. Miaofang Chi e Zhennan Huang, do Center for Nanophase Materials Sciences, uma instalação do DOE Office of Science no ORNL, realizaram microscopia eletrônica de transmissão de varredura para caracterizar os mesoporos, mas os microporos eram pequenos demais para serem vistos.

Microscopicamente, o material parece uma bola de golfe com covinhas profundas. As covinhas representam mesoporos e os microporos existem no material entre as covinhas.

“Você está construindo uma rodovia para transporte de íons”, disse Dai. "Os supercapacitores têm tudo a ver com desempenho de alta taxa - carregamento rápido, descarga rápida. Nesta estrutura que Tao e eu projetamos, você tem um poro maior, que pode ser visto como uma superestrada. Isso está conectado a estradas menores, ou poros menores. "

"Os poros menores fornecem uma superfície maior para armazenar carga, mas os poros maiores são como uma rodovia que pode acelerar o desempenho da taxa de carga/descarga", disse Wang. "Uma quantidade equilibrada de poros pequenos e grandes pode obter o melhor desempenho, conforme previsto pelo modelo de rede neural artificial."

Para caracterizar o transporte do eletrólito nos poros de carbono, Murillo Martins e Eugene Mamontov da Spallation Neutron Source, uma instalação do DOE Office of Science no ORNL, realizaram espalhamento de nêutrons quaseelástico. “Eles monitoraram a velocidade na rodovia”, disse Wang. "Esta foi a primeira vez que o espalhamento de nêutrons foi usado para analisar a difusão de um eletrólito de ácido sulfúrico nos espaços confinados dos nanoporos de carbono." A dispersão de nêutrons revelou que o eletrólito se movia em velocidades diferentes:rapidamente nos mesoporos e lentamente nos microporos.

Wang quantificou as contribuições de capacitância de poros de diferentes tamanhos e reações de redução de oxidação em suas superfícies por meio de espectroscopia eletroquímica de potencial de passo modificado, uma técnica que pode ser realizada em apenas alguns lugares do mundo. "Descobrimos que os mesoporos dopados com oxigênio e nitrogênio contribuem mais para a capacitância geral", disse Wang.

A equipe FIRST realizou outros estudos das propriedades físico-químicas. Jinlei Cui e Takeshi Kobayashi do Laboratório Nacional Ames usaram ressonância magnética nuclear para analisar a estrutura de precursores de polímeros. Bishnu Thapaliya do ORNL e UTK conduziu a análise Raman, revelando a estrutura amorfa ou desordenada do carbono.

Zhenzhen Yang da UTK e ORNL e Juntian Fan da UTK participaram das medições da área de superfície.

Esta pesquisa tem potencial para acelerar o desenvolvimento e otimização de materiais de carbono para aplicações em supercapacitores. Embora este estudo inovador tenha usado os melhores dados da época, os cientistas agora têm ainda mais dados de limite para treinar o modelo de aprendizado de máquina para o próximo estudo.

“Usando mais dados, podemos definir uma nova meta e ampliar ainda mais os limites dos supercapacitores de carbono”, disse Wang. “A aplicação bem-sucedida do aprendizado de máquina no design de materiais é uma prova do poder das abordagens baseadas em dados no avanço da tecnologia.”

Mais informações: Tao Wang et al, Descoberta de material assistida por aprendizado de máquina de materiais ativos de carbono altamente porosos e ricos em oxigênio para supercapacitores aquosos, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40282-1
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge