概念圖藝術描繪了機器學習找到理想電容儲能材料的過程。它的炭框架（黑色）帶有氧（粉紅色）和氮（綠松石色）功能基團。圖片來源：美國橡樹嶺國家實驗室

在機器學習的指導下，美國橡樹嶺國家實驗室研究人員設計了一種創紀錄的炭基超級電容材料，它儲存的能量是當前最佳商業材料的4倍。用這種新材料制造的超級電容器可儲存更多的能量，從而改善再生制動系統、電力電子設備和輔助電源。相關論文發表在新一期《自然·通訊》雜志上。

研究人員表示，他們創造了一種具有增強的物理化學和電化學性質的炭材料，將炭基超級電容的儲能界限推向了新的水平。這是有記錄以來多孔炭的最高存儲容量，是一個“真正的里程碑”。

商用超級電容有兩個電極，即一個陽極和一個陰極，它們是分開的，并浸泡在電解液中。在電解液和炭之間的界面上，雙電層可逆地分離電荷。制造超級電容電極的首選材料是多孔炭。這些孔為存儲靜電電荷提供了很大的表面積。

新研究中，研究人員利用機器學習，建立了一個人工神經網絡模型，并對其進行訓練，以開發一種用于能量輸送的“夢想材料”。該模型預測，如果炭與氧和氮摻雜，炭電極的最高電容將達到每克570法拉。

于是，研究人員設計了一種非常多孔的摻雜炭，它可為界面電化學反應提供巨大的表面積。隨后，他們合成了一種用于儲存和傳輸電荷的新材料——富氧炭框架。

合成材料的電容為每克611法拉，是典型商業材料的4倍。這種材料的表面積是有記錄以來最高的炭基材料之一，每克重量的表面積超過4000平方米。團隊表示，這項研究有可能加速超級電容用炭材料的開發和優化。

總編輯圈點

“海納百川，有容乃大”，怎么才能讓電容器這種幾乎存在于所有電子設備中的器件，儲存更多的電能，科學家可謂煞費苦心。這其中，超級電容被譽為“儲能界的救星”。即便都是將電能儲存在電場中，但它的“超級”之處在于，能在保持較小體積的同時儲存相當于普通電容器數萬倍的電量。本文的研究則向人們證明了機器學習在這一器材的材料設計中的成功應用，展現了數據驅動方法推動技術進步的力量。