新材料增压静电储能：19倍能量密度

【蜂耘网 新材料】科学家开发了一种利用二维材料控制铁电电容器弛豫时间的新方法，显著提高了其储能能力。这种创新导致了一种提高能量密度和效率的结构，有望在大功率电子和可持续技术方面取得进展。

静电电容器在现代电子学中起着至关重要的作用。它们可以实现超快速充电和放电，为智能手机、笔记本电脑、路由器、医疗设备、汽车电子设备和工业设备等设备提供能量存储和动力。然而，用于电容器的铁电材料由于其材料性质，具有显著的能量损失，难以提供高的储能能力。

铁电电容器的创新

圣路易斯华盛顿大学McKelvey工程学院机械工程和材料科学助理教授Sang Hoon Bae解决了将铁电材料用于储能应用方面的这一长期挑战。

在4月18日发表在《科学》杂志上的一项研究中，Bae和他的合作者，包括华盛顿大学机械工程与材料科学副教授Rohan Mishra，电气与系统工程副教授Chuan Wang，以及麻省理工学院材料科学与工程TDK教授Frances Ross，介绍了一种利用二维材料控制铁电电容器弛豫时间的方法 —— 弛豫时间是描述电荷耗散或衰减所需时间的一种内部材料特性。

开发新的异质结构

与Bae合作，博士生Justin S. Kim和博士后研究员Sangmoon Han开发了新的2D/3D/2D异质结构，可以最大限度地减少能量损失，同时保留铁电3D材料的优势材料特性。

他们的方法巧妙地将2D和3D材料夹在原子薄层中，每层之间都有精心设计的化学和非化学键。在两个外层2D层之间插入一个非常薄的3D核心，形成一个只有30纳米厚的堆栈。这大约是普通病毒颗粒大小的十分之一。

储能技术的突破

Bae说：“基于我们在实验室中已经完成的涉及二维材料的创新，我们创造了一种新的结构。最初，我们并没有专注于能量存储，但在我们探索材料特性的过程中，我们发现了一种新的物理现象，我们意识到它可以应用于能量存储，这既非常有趣，也可能更有用。”

2D/3D/2D异质结构经过精心制作，位于导电性和非导电性之间的最佳位置，其中半导体材料具有最佳的电性能，可用于储能。通过这种设计，Bae和他的合作者报告说，能量密度比市购铁电电容器高19倍，效率超过90%，这也是前所未有的。

对下一代电子产品的影响

“我们发现，介电弛豫时间可以被材料结构中非常小的间隙调制或诱导，”Bae解释说。“这种新的物理现象是我们以前从未见过的。它使我们能够以一种不会极化和失去电荷能力的方式操纵介电材料。”

随着世界正在努力向下一代电子元件过渡，Bae公司的新型异质结构材料为高性能电子设备铺平了道路，包括高功率电子设备、高频无线通信系统和集成电路芯片。这些进步在需要强大的电源管理解决方案的行业尤其重要，例如电动汽车和基础设施开发。

未来发展方向及应用

“从根本上说，我们开发的这种结构是一种新颖的电子材料，”Bae说。“我们还没有达到100%的最佳状态，但我们的表现已经超过了其他实验室。我们的下一步将是使这种材料结构变得更好，这样我们就可以满足电容器中超快充放电和非常高的能量密度的需求。我们必须能够做到这一点，而不会因为反复充电而损失存储容量，才能看到这种材料广泛应用于大型电子产品，如电动汽车和其他正在发展的绿色技术。”

（蜂耘新材料网　责任编辑：科技蜜）