La performance est 11 fois supérieure, les équipes de Georgia Tech et Tsinghua ont utilisé l'IA pour aider à découvrir de nouveaux matériaux de stockage d'énergie, publié dans la sous-journal Nature.

编辑 | 萝卜皮

静电电容器是国防、航空、能源和交通领域先进电力系统中的关键储能元件。能量密度是静电电容器的品质因数，主要由介电材料的选择决定。

大多数工业级聚合物介电材料都是柔性聚烯烃或刚性芳族化合物，具有高能量密度或高热稳定性，但不能同时具有这两种特性。

在这里，佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）、康涅狄格大学（University of Connecticut）以及清华大学的研究团队利用人工智能（AI）、聚合物化学和分子工程，来发现聚降冰片烯和聚酰亚胺系列中的一系列电介质。

许多发现的电介质在很宽的温度范围内表现出高热稳定性和高能量密度。其中一种电介质在 200 °C 时的能量密度为 8.3 J/cc，是此温度下任何市售聚合物电介质的 11 倍。

研究人员还评估了进一步增强聚降冰片烯和聚酰亚胺系列的途径，使这些电容器在要求苛刻的应用（例如航空航天）中表现良好，同时又具有环境可持续性。

这些发现扩展了静电电容器在 85-200°C 温度范围内的潜在应用；也展示了人工智能对化学结构生成和性质预测的影响，凸显了超越静电电容器的材料设计进步的潜力。

该研究以「AI-assisted discovery of high-temperature dielectrics for energy storage」为题，于 2024 年 7 月 19 日发布在《Nature Communications》。

静电电容器需要新材料

静电电容器作为现代电气系统中的储能设备，有着至关重要的作用。与其他储能设备（如电池、燃料电池和超级电容器）相比，静电电容器提供了优异的功率密度（107 W/kg），在风力变桨控制（最高温度约 125 °C）、混合动力和全电动汽车（约 150 °C）、脉冲功率系统（约 180 °C）、飞机及发射器（约 300 °C）和太空探索（约 480 °C）等多个领域具有优势。

然而，显著提高静电电容器在高温下的能量密度 Ue 仍是挑战，这对于实现空间和重量的显著节省至关重要。

目前，双轴取向聚丙烯（BOPP）作为介电材料已使用三十余年。虽然 BOPP 具有低介电损耗和大电子带隙 Eg，但其介电常数和高温稳定性较差。

商业上已探索了具有高热稳定性的 BOPP 替代品，但这些聚合物通常以低 Eg 和低 Ue 为代价。这些材料不足以满足现代和未来技术的需求。

材料发现的挑战

聚合物的性能很大程度上取决于其化学成分。通过化学变换，单一聚合物可产生的变种数量惊人。

在所有聚合物的化学可能性中，可能存在许多高性能介电材料有待发现。训练有素并校准的人工智能（AI），能够处理超出人类想象的大量数据，可以快速帮助发现新材料。

有效发现材料涉及选择或生成化学子空间、估计其中每种材料的属性，然后至少部分地基于估计的属性选择候选材料进行合成和测试。

挑战在于：(1) 创建足够广阔的子空间来发现未知的新材料，同时 (2) 限制难以合成的假设材料（假阳性）。此外，性质估计必须 (3) 准确且 (4) 高效，随着化学子空间的扩大，后者变得越来越重要。

但是，同时解决所有这些问题并非易事。

新范式 polyVERSE

佐治亚理工学院、清华大学等机构的研究人员提出了 polyVERSE（polymers designed by Virtually-Executed Rule-Based Synthesis Experiments）范式，展示了其在高温电介质搜索背景下实现这四个属性的成功。

在人工智能驱动的方法中，使用专家系统从市售单体生成聚合物，并使用多任务图神经网络估计特性。这些特性估计可用于从较大的群体中选择（筛选）有前景的聚合物。

图示：用于储能的聚合物的人工智能辅助设计。（来源：论文）

1. 创新性聚降冰片烯电介质

研究人员发现了一种之前未知的聚降冰片烯电介质，名为 PONB-2Me5Cl。

2. 出色的能量密度

PONB-2Me5Cl a une excellente densité d'énergie de 8,3 J/cc à 200°C, supérieure à toutes les alternatives commerciales, ce qui en fait l'un des meilleurs diélectriques polymères rapportés à cette température.

3. Par rapport à d'autres polymères

En dessous de 200°C, la densité énergétique du PONB-2Me5Cl est également supérieure à celle de tous les polymères commerciaux, juste derrière le PSBNP-co-PTNI0,02.

4. Considérations sur la synthèse

Le PSBNP-co-PTNI0.02 étant un copolymère, sa synthèse peut nécessiter plus d'étapes. De plus, les différences dans les protocoles de mesure peuvent également affecter les résultats de comparaison.

Illustration : Remplissage de vides diélectriques. (Source : article)

PONB-2Me5Cl a été découvert in silico à l'aide de l'algorithme polyVERSE, puis synthétisé et caractérisé. La découverte du polymère PONB-2Me5Cl haute performance et le développement du paradigme polyVERSE sont deux résultats de ces travaux.

De plus, l'équipe a proposé une série d'optimisations de la conception des polymères qui doivent être prises en compte à l'avenir. Ceux-ci incluent :

1. Versions améliorées de PONB-2Me5Cl (obtenues par l'ingénierie du groupe R ou l'ajout de nanocharges ou de revêtements)
2. Polyimides sélectionnés, que les chercheurs ont basés sur les fonctionnalités existantes Une catégorie préférée pour les polymères à haute température .

Ces conceptions montrent le potentiel d'augmenter l'Ue à haute température et de réduire les pertes, tout en permettant également l'utilisation de solvants verts pour la synthèse.

En utilisant un seul des nombreux modèles polymères, cette étude démontre la puissance de l'intelligence artificielle dans la production de diélectriques polymères avancés dotés de capacités de stockage d'énergie exceptionnelles.

Lien papier : https://www.nature.com/articles/s41467-024-50413-x

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