Un nouveau matériau en carbone établit un record de stockage d’énergie, susceptible de faire progresser les supercondensateurs

Guidés par l’apprentissage automatique, les chimistes du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie ont conçu un matériau de supercondensateur carboné record qui stocke quatre fois plus d’énergie que le meilleur matériau commercial. Un supercondensateur fabriqué avec ce nouveau matériau pourrait stocker plus d’énergie, améliorant ainsi les freins régénératifs, l’électronique de puissance et les alimentations auxiliaires.

“En combinant une méthode basée sur les données et notre expérience de recherche, nous avons créé un matériau carboné doté de propriétés physicochimiques et électrochimiques améliorées qui a repoussé les limites du stockage d’énergie pour les supercondensateurs de carbone à un niveau supérieur”, a déclaré le chimiste Tao Wang de l’ORNL et de l’Université de Tennessee, Knoxville.

Wang a dirigé l’étude intitulée « Découverte de matériaux assistés par apprentissage automatique de matériaux actifs carbonés hautement poreux riches en oxygène pour supercondensateurs aqueux » et publiée dans Communications naturellesavec le chimiste Sheng Dai de ORNL et UTK.

“Il s’agit de la capacité de stockage la plus élevée enregistrée pour le carbone poreux”, a déclaré Dai, qui a conçu et conçu les expériences avec Wang. “C’est une véritable étape.”

Les chercheurs ont mené l’étude au Fluid Interface Reactions, Structures and Transport Center, ou FIRST, un centre de recherche sur les frontières énergétiques du DOE dirigé par l’ORNL et qui a fonctionné de 2009 à 2022. Ses partenaires de trois laboratoires nationaux et sept universités ont exploré les réactions d’interface fluide-solide. ayant des conséquences sur le stockage capacitif de l’énergie électrique. La capacité est la capacité à collecter et stocker une charge électrique.

Lorsqu’il s’agit de dispositifs de stockage d’énergie, les batteries sont les plus connues. Ils convertissent l’énergie chimique en énergie électrique et excellent dans le stockage de l’énergie. En revanche, les condensateurs stockent l’énergie sous forme de champ électrique, semblable à l’électricité statique. Ils ne peuvent pas stocker autant d’énergie que les batteries dans un volume donné, mais ils peuvent se recharger à plusieurs reprises et ne perdent pas leur capacité à conserver une charge. Les supercondensateurs, comme ceux qui alimentent certains bus électriques, peuvent stocker plus de charge que les condensateurs et se charger et se décharger plus rapidement que les batteries.

Les supercondensateurs commerciaux comportent deux électrodes, une anode et une cathode, séparées et immergées dans un électrolyte. Les doubles couches électriques séparent les charges de manière réversible à l’interface entre l’électrolyte et le carbone. Les matériaux de choix pour fabriquer des électrodes pour supercondensateurs sont les carbones poreux. Les pores offrent une grande surface pour stocker la charge électrostatique.

L’étude dirigée par ORNL a utilisé l’apprentissage automatique, un type d’intelligence artificielle qui apprend des données pour optimiser les résultats, pour guider la découverte du matériau superlatif. Runtong Pan, Musen Zhou et Jianzhong Wu de l’Université de Californie à Riverside, une université partenaire de FIRST, ont construit un modèle de réseau neuronal artificiel et l’ont formé pour fixer un objectif clair : développer un « matériau de rêve » pour la fourniture d’énergie.

Le modèle prédit que la capacité la plus élevée pour une électrode de carbone serait de 570 farads par gramme si le carbone était co-dopé avec de l’oxygène et de l’azote.

Wang et Dai ont conçu un carbone dopé extrêmement poreux qui fournirait d’énormes surfaces pour les réactions électrochimiques interfaciales. Wang a ensuite synthétisé le nouveau matériau, une structure carbonée riche en oxygène pour le stockage et le transport de charges.

Le carbone a été activé pour générer plus de pores et ajouter des groupes chimiques fonctionnels aux sites de réactions d’oxydation ou de réduction. L’industrie utilise des agents d’activation tels que l’hydroxyde de potassium qui nécessitent une température très élevée, autour de 800°C, qui chasse l’oxygène du matériau. Il y a cinq ans, Dai a développé un procédé utilisant l’amidure de sodium comme agent d’activation. Il fonctionne à une température plus basse, proche de 600°C, et crée des sites plus actifs que le processus industriel plus chaud. “La synthèse des matériaux dans cette ‘zone Boucle d’or’ – ni trop froide, ni trop chaude – a fait une réelle différence en ne décomposant pas les groupes fonctionnels”, a déclaré Dai.

Le matériau synthétisé avait une capacité de 611 farads par gramme, soit quatre fois supérieure à celle d’un matériau commercial typique. La pseudocapacité est un stockage de charge basé sur des réactions d’oxydo-réduction continues, rapides et réversibles à la surface des matériaux d’électrode. La pseudocapacité provenant de telles réactions sur les sites oxygène/azote a contribué à 25 % de la capacité globale. La superficie du matériau était parmi les plus élevées enregistrées pour les matériaux carbonés : plus de 4 000 mètres carrés par gramme.

Ce succès est venu rapidement. L’approche basée sur les données a permis à Wang et Dai de réaliser en trois mois ce qui aurait auparavant pris au moins un an.

“Nous avons atteint les performances des matériaux en carbone à la limite”, a déclaré Wang. “Sans l’objectif fixé par l’apprentissage automatique, nous aurions continué à optimiser les matériaux par essais et erreurs sans connaître leurs limites.”

La clé du succès consistait à obtenir deux types de pores : des mésopores compris entre 2 et 50 nanomètres, ou des milliardièmes de mètre, et des micropores plus petits que 2 nanomètres. Lors d’analyses expérimentales, les chimistes ont découvert que la combinaison de mésopores et de micropores fournissait non seulement une surface élevée pour le stockage d’énergie, mais également des canaux pour le transport des électrolytes. Miaofang Chi et Zhennan Huang du Center for Nanophase Materials Sciences, un établissement utilisateur du DOE Office of Science à ORNL, ont effectué une microscopie électronique à transmission par balayage pour caractériser les mésopores, mais les micropores étaient trop petits pour être vus.

Au microscope, le matériau ressemble à une balle de golf avec de profondes alvéoles. Les fossettes représentent des mésopores et les micropores existent dans le matériau situé entre les fossettes.

“Vous construisez une autoroute pour le transport des ions”, a déclaré Dai. “Les supercondensateurs visent avant tout des performances élevées : charge et décharge rapides. Dans cette structure que Tao et moi avons conçue, vous avez un pore plus grand, que vous pouvez considérer comme une autoroute. Celui-ci est relié à des routes plus petites ou à des pores plus petits. ”

« Les pores plus petits offrent une plus grande surface pour stocker la charge, mais les pores plus grands sont comme une autoroute qui peut accélérer les performances du taux de charge/décharge », a déclaré Wang. “Une quantité équilibrée de petits et grands pores peut permettre d’obtenir les meilleures performances, comme le prédit le modèle de réseau neuronal artificiel.”

Pour caractériser le transport de l’électrolyte dans les pores du carbone, Murillo Martins et Eugene Mamontov de la Spallation Neutron Source, une installation utilisateur du DOE Office of Science à l’ORNL, ont effectué une diffusion quasi-élastique des neutrons. “Ils ont suivi la vitesse sur l’autoroute”, a expliqué Wang. “C’était la première fois que la diffusion des neutrons était utilisée pour analyser la diffusion d’un électrolyte d’acide sulfurique dans les espaces confinés des nanopores de carbone.” La diffusion des neutrons a révélé que l’électrolyte se déplaçait à différentes vitesses : rapidement dans les mésopores et lentement dans les micropores.

Wang a quantifié les contributions de capacité des pores de différentes tailles et des réactions d’oxydo-réduction à leurs surfaces via la spectroscopie électrochimique à potentiel d’étape modifié, une technique qui ne peut être utilisée que dans quelques endroits dans le monde. “Nous avons constaté que les mésopores dopés à l’oxygène et à l’azote contribuent le plus à la capacité globale”, a déclaré Wang.

L’équipe FIRST a réalisé d’autres études sur les propriétés physico-chimiques. Jinlei Cui et Takeshi Kobayashi du laboratoire national Ames ont utilisé la résonance magnétique nucléaire pour analyser la structure des précurseurs des polymères. Bishnu Thapaliya de l’ORNL et de l’UTK a effectué une analyse Raman, révélant la structure amorphe ou désordonnée du carbone.

Zhenzhen Yang de l’UTK et de l’ORNL et Juntian Fan de l’UTK ont participé aux mesures de superficie.

Cette recherche a le potentiel d’accélérer le développement et l’optimisation de matériaux carbonés pour les applications de supercondensateurs. Bien que cette étude révolutionnaire ait utilisé les meilleures données de l’époque, les scientifiques disposent désormais d’encore plus de données limites pour entraîner le modèle d’apprentissage automatique pour la prochaine étude.

“En utilisant davantage de données, nous pouvons fixer un nouvel objectif et repousser encore plus loin les limites des supercondensateurs au carbone”, a déclaré Wang. “L’application réussie de l’apprentissage automatique dans la conception de matériaux témoigne de la puissance des approches basées sur les données pour faire progresser la technologie.”