尋找能承受高溫的薄膜電容器

主要要點

• 為了安全、可靠的電動車和可再生能源，需要更高性能的薄膜電容器，但找到合適的材料卻是個挑戰。

• 為了加速突破性材料的發現，研究人員開發了一種機器學習技術，以快速篩選數萬種聚合物化合物，並識別出幾種具有卓越性能的候選材料。

• 研究團隊合成並表徵了前幾名候選材料，特別指出其中一種具有創紀錄的高性能。

美國能源部的洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）及幾個合作機構成功展示了一種機器學習技術，以加速薄膜電容器材料的發現——這些材料對於電氣化和可再生能源技術至關重要。該技術用於篩選近50,000種化學結構的庫，以識別具有創紀錄性能的化合物。

來自威斯康辛大學-麥迪遜分校、斯克利普斯研究所、加州大學伯克利分校及南密西西比大學的其他協作夥伴在機器學習、化學合成和材料表徵方面提供了專業知識。

他們的研究發表在《自然能源》期刊上。

“為了成本效益高且可靠的可再生能源技術，我們需要比目前可用材料更好的電容器材料，”負責該研究的Berkeley Lab資深科學家劉毅（Yi Liu）表示。“這種突破性的篩選技術將幫助我們找到這些‘大海撈針’的材料。”

對於高溫、高功率應用（如電動車、電動航空、功率電子學和航空航天）中對薄膜電容器的需求正在迅速增長。薄膜電容器也是將太陽能和風能轉換為可以被電網使用的交流電的逆變器的基本組件。

“為了成本效益高且可靠的可再生能源技術，我們需要比目前可用材料更好的電容器材料。這種突破性的篩選技術將幫助我們找到這些‘大海撈針’的材料。” —— 劉毅

薄膜電容器需要耐熱材料

儘管電池在可再生能源應用中備受關注，但靜電薄膜電容器也同樣重要。這些設備由一種絕緣材料夾在兩個導電金屬片之間組成。電池通過化學反應在長時間內儲存和釋放能量，而電容器則利用施加的電場更快速地充電和放電。薄膜電容器被用於調節各類電力系統中的電力質量。例如，它們可以防止紋波電流並平滑電壓波動，確保操作的穩定、安全和可靠。聚合物（由重複化學單元組成的大分子）非常適合用作薄膜電容器中的絕緣材料，因為它們重量輕、柔韌性好且在施加電場下表現良好。然而，聚合物在許多電力系統應用中耐高溫的能力有限。強烈的熱量可能會降低聚合物的絕緣性能並導致其劣化。

從49,700種聚合物中篩選出三種

研究人員傳統上是通過反覆試驗尋找高性能聚合物，每次合成幾個候選材料，然後表徵它們的性能。「由於對更好電容器的迫切需求，這種方法太慢，無法從數十萬種可能性中找到有前途的分子，”伯克利實驗室的博士後研究員李赫（He Li）表示。」

為了加速發現，研究團隊開發並訓練了一組稱為前饋神經網絡的機器學習模型，篩選出近50,000種聚合物，尋求能夠承受高溫和強電場、高能量儲存密度以及易於合成的最佳性能組合。這些模型識別出三種特別有前途的聚合物。來自斯克利普斯研究所的研究人員運用一種強大的技術——點擊化學（click chemistry）合成了這三種聚合物，這種技術能迅速有效地將分子組件鏈接成高品質產品。斯克利普斯教授巴里·夏普萊斯（Barry Sharpless）是該項目的主要研究人員之一，因其對點擊化學概念的研究，獲得了2022年諾貝爾化學獎。

在伯克利實驗室的分子鑄造廠（Molecular Foundry），研究人員將這些聚合物製造成薄膜電容器，並對聚合物和電容器進行評估。團隊發現它們在電氣和熱性能方面具有卓越表現。由其中一種聚合物製成的電容器展現出創紀錄的高耐熱性、絕緣性能、能量密度和效率。（高效率的電容器在充放電時幾乎不浪費能量。）對這些電容器的額外測試顯示，它們擁有優越的材料質量、運行穩定性和耐用性。

製作更優秀的模型

研究團隊正在考慮幾個後續研究方向。

「有一個想法是設計機器學習模型，以提供更多關於聚合物結構如何影響其性能的見解，”伯克利實驗室的博士後研究員謝宗梁（Zongliang Xie）表示。」

「另一個潛在的研究領域是開發生成式人工智能模型，這些模型可以訓練設計高性能聚合物，而不需要篩選材料庫，”來自威斯康辛大學-麥迪遜分校的研究生岳天樂（Tianle Yue）補充道。」

「我們的人工智能分析迅速識別出聚合物設計細節中的一些關鍵變數，這些變數預測可以大幅改善這些聚磺酸膜的屏障性能。如我們在新的《自然能源》研究中所報導，這些最早的機器學習預測實驗結果顯示出顯著的效果，”斯克利普斯研究所的W.M. Keck化學教授夏普萊斯（Sharpless）表示。」分子鑄造廠（Molecular Foundry）是伯克利實驗室的美國能源部科學辦公室用戶設施。此研究得到了美國能源部科學辦公室的支持。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過在清潔能源、健康地球和發現科學方面的研究，為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊最佳解決最大問題的信念，並且其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行創新研究。伯克利實驗室是由加利福尼亞大學為美國能源部科學辦公室管理的多計畫國家實驗室。

美國能源部科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。