性能強11倍，喬治亞理工學院、清華團隊用AI輔助發現儲能新材料，登Nature子刊

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靜電電容器是國防、航空、能源和交通領域先進電力系統中的關鍵儲能元件。能量密度是靜電電容器的品質因數，主要由介電材料的選擇決定。

大多數工業級聚合物介電材料都是柔性聚烯烴或剛性芳香族化合物，具有高能量密度或高熱穩定性，但不能同時具有這兩種特性。

在這裡，喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）、康乃狄克大學（University of Connecticut）以及清華大學的研究團隊利用人工智慧（AI）、聚合物化學和分子工程，來發現聚降冰片烯和聚酰亞胺系列中的一系列電介質。

許多發現的電介質在很寬的溫度範圍內表現出高熱穩定性和高能量密度。其中一種電介質在 200 °C 時的能量密度為 8.3 J/cc，是此溫度下任何市售聚合物電介質的 11 倍。

研究人員也評估了進一步增強聚降冰片烯和聚醯亞胺系列的途徑，使這些電容器在要求嚴苛的應用（例如航空航太）中表現良好，同時又具有環境永續性。

這些發現擴展了靜電電容器在 85-200°C 溫度範圍內的潛在應用；也展示了人工智慧對化學結構生成和性質預測的影響，凸顯了超越靜電電容器的材料設計進步的潛力。

該研究以「AI-assisted discovery of high-temperature dielectrics for energy storage」為題，於 2024 年 7 月 19 日發佈在《Nature Communications》。

靜電電容器需要新材料

靜電電容器作為現代電氣系統中的儲能設備，有著至關重要的作用。與其他儲能設備（如電池、燃料電池和超級電容器）相比，靜電電容器提供了優異的功率密度（107 W/kg），在風力變槳控制（最高溫度約125 °C）、混合動力和全電動汽車（約150 °C）、脈衝功率系統（約180 °C）、飛機及發射器（約300 °C）及太空探索（約480 °C）等多個領域具有優勢。

然而，顯著提高靜電電容器在高溫下的能量密度 Ue 仍是挑戰，這對於實現空間和重量的顯著節省至關重要。

目前，雙軸取向聚丙烯（BOPP）作為介電材料已使用三十餘年。雖然 BOPP 具有低介電損耗和大電子帶隙 Eg，但其介電常數和高溫穩定性較差。

商業上已探索了具有高熱穩定性的 BOPP 替代品，但這些聚合物通常以低 Eg 和低 Ue 為代價。這些材料不足以滿足現代和未來技術的需求。

材料發現的挑戰

聚合物的性能很大程度取決於其化學成分。透過化學變換，單一聚合物可產生的變種數量驚人。

在所有聚合物的化學可能性中，可能存在許多高性能介電材料有待發現。訓練有素且校準的人工智慧（AI），能夠處理超出人類想像的大量數據，可以快速幫助發現新材料。

有效發現材料涉及選擇或產生化學子空間、估計其中每種材料的屬性，然後至少部分地基於估計的屬性選擇候選材料進行合成和測試。

挑戰在於：(1) 創造足夠廣闊的子空間來發現未知的新材料，同時 (2) 限制難以合成的假設材料（假陽性）。此外，性質估計必須 (3) 準確且 (4) 高效，隨著化學子空間的擴大，後者變得越來越重要。

但是，同時解決所有這些問題並非易事。

新範式polyVERSE

佐治亞理工學院、清華大學等機構的研究人員提出了polyVERSE（polymers designed by Virtually-Executed Rule-Based Synthesis Experiments）範式，展示了其在高溫電介質搜尋背景下實現這四個屬性的成功。

在人工智慧驅動的方法中，使用專家系統從市售單體產生聚合物，並使用多任務圖神經網路估計特性。這些特性估計可用於從較大的群體中選擇（篩選）有前景的聚合物。

圖示：用於儲能的聚合物的人工智慧輔助設計。 （資料來源：論文）

1. 創新性聚降冰片烯電介質

研究人員發現了一種之前未知的聚降冰片烯電介質，名為 PONB-2Me5Cl。

2. 優異的能量密度

PONB-2Me5Cl mempunyai ketumpatan tenaga yang sangat baik iaitu 8.3 J/cc pada 200°C, lebih tinggi daripada semua alternatif komersial, menjadikannya salah satu dielektrik polimer terbaik yang dilaporkan pada suhu ini.

3. Berbanding dengan polimer lain

Di bawah 200°C, ketumpatan tenaga PONB-2Me5Cl juga lebih tinggi daripada semua polimer komersial, kedua selepas PSBNP-co-PTNI0.02.

4. Pertimbangan sintesis

Memandangkan PSBNP-co-PTNI0.02 ialah kopolimer, sintesisnya mungkin memerlukan lebih banyak langkah. Selain itu, perbezaan dalam protokol pengukuran juga boleh menjejaskan hasil perbandingan.

Ilustrasi: Mengisi lompang dielektrik. (Sumber: Kertas)

PONB-2Me5Cl ditemui dalam silico menggunakan algoritma polyVERSE dan seterusnya disintesis dan dicirikan. Penemuan polimer PONB-2Me5Cl berprestasi tinggi dan pembangunan paradigma poliVERSE adalah dua hasil daripada kerja ini.

Selain itu, pasukan mencadangkan satu siri pengoptimuman reka bentuk polimer yang perlu dipertimbangkan pada masa hadapan. Ini termasuk:

1. Versi PONB-2Me5Cl yang dipertingkatkan (dicapai oleh kejuruteraan kumpulan R atau penambahan pengisi nano atau salutan)
2. Polimida terpilih, yang penyelidik berdasarkan fungsi sedia ada Polimer suhu tinggi adalah pilihan utama. .

Reka bentuk ini menunjukkan potensi untuk meningkatkan Ue suhu tinggi dan mengurangkan kerugian, di samping membenarkan penggunaan pelarut hijau untuk sintesis.

Menggunakan hanya satu daripada banyak templat polimer, kajian ini menunjukkan kuasa kepintaran buatan dalam menghasilkan dielektrik polimer termaju dengan keupayaan penyimpanan tenaga yang luar biasa.

Pautan kertas: https://www.nature.com/articles/s41467-024-50413-x

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