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研究开发新型异质结构材料 将静电电容器的能量密度提高19倍

盖世汽车讯 静电电容器在现代电子产品中发挥着重要作用。它们能够实现超快速充放电,为智能手机、笔记本电脑和车用电子设备等提供储能和电力。然而,这种电容器中使用的铁电材料因其材料特性会出现明显的能量损失,因此难以提供高储能能力。

(图片来源:麦凯维工程学院)

据外媒报道,圣路易斯华盛顿大学(Washington University in St. Louis)麦凯维工程学院(McKelvey School of Engineering)机械工程和材料科学助理教授Sang-Hoon Bae解决了在将铁电材料应用于储能方面的长期挑战。Bae及合作人员提出使用2D材料来控制铁电电容器驰豫时间的方法。驰豫时间是一种描述电荷耗散或衰减所需时间的内部材料特性。

研究人员开发出新型2D/3D/2D异质结构,可以充分减少能量损失,同时保留铁电3D材料的优势材料特性。这种方法巧妙地将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。将非常薄的3D核心(3D core)插入两个外部2D层之间,从而形成厚度仅为约30纳米的叠层结构(stack),大约是平均病毒颗粒大小的十分之一。Bae表示:“基于在实验室中已完成的涉及2D材料的创新,研究人员创造了一种新的结构。最初我们并没有专注于能量存储,但在探索材料特性的过程中发现了一种新的物理现象,我们意识到这可以应用于储能。这非常有趣,可能也更有用。”

该2D/3D/2D异质结构经过精心设计,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来存储能量。研究人员报告,借助这种设计,它可以实现比商用铁电电容器高19倍的能量密度。另外,效率超过90%,这也是前所未有的。Bae表示:“研究人员发现,材料结构中非常小的间隙可以调整或诱导介电弛豫时间。这种新物理现象是我们之前从未见过的。这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。”

随着全球努力向下一代电子元件过渡,这种新型异质结构材料为实现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。这些进展对于需要强大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。Bae表示:“从根本上说,此次开发的结构是一种新颖的电子材料,虽尚未达到100%的最佳状态,但已超过其他实验室的表现。下一步,研究人员将优化这种材料结构,以满足对电容器中超快速充放电和极高能量密度的需求。我们必须做到这一点,避免因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。”

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来源:盖世汽车 编辑:吉熟

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