《Science》新突破，新材料为铁电电容器增加19倍能量密度

近日，科学家们开发出了一种利用二维材料控制铁电电容器弛豫时间的新方法，从而大大提高了它们的储能能力。这一创新技术产生了一种可提高能量密度和效率的结构，有望推动大功率电子器件和可持续技术的发展。静电电容器在现代电子技术中发挥着至关重要的作用。它们能够实现超快充放电，为从智能手机、笔记本电脑和路由器到医疗设备、汽车电子设备和工业设备等各种设备提供能量存储和电源。然而，电容器中使用的铁电材料因其材料特性而具有显著的能量损耗，因此难以提供高能量存储能力。铁电电容器的创新圣路易斯华盛顿大学麦克凯尔维工程学院机械工程与材料科学助理教授Sang-Hoon Bae解决了将铁电材料用于储能应用的这一长期难题。最近发表在《Science》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。

开发新型异质结构博士生 Justin S. Kim 和博士后研究员 Sangmoon Han 与 Bae 合作开发了新型 2D/3D/2D 异质结构，这种结构可以最大限度地减少能量损失，同时保留铁电三维材料的优势材料特性。他们的方法巧妙地将二维和三维材料夹在原子薄层中，每层之间的化学键和非化学键都经过精心设计。一个非常薄的三维核心插入两个二维外层之间，形成一个厚度仅约 30 纳米的堆栈。这大约是普通病毒颗粒大小的十分之一。

研究人员利用新型二维/三维/二维异质结构制造出了一种铁电电容器，其能量密度是现有型号的 19 倍，效率超过 90%。（来源：SciTechDaily.com）储能领域的突破"我们基于实验室在二维材料方面已经取得的创新成果，创造了一种新的结构，"裴说。"起初，我们并没有把重点放在能量存储上，但在探索材料特性的过程中，我们发现了一种新的物理现象，我们意识到这种现象可以应用于能量存储，这既非常有趣，又可能更加有用。"2D/3D/2D异质结构经过精雕细琢，位于导电性和非导电性之间的最佳位置，在这个位置上，半导体材料具有储能的最佳电特性。通过这种设计，Bae 和他的合作者报告说，能量密度比市面上的铁电电容器高出19倍，效率超过 90%，这也是史无前例的。对下一代电子产品的影响"Bae 解释说："我们发现，介电弛豫时间可以通过材料结构中一个非常小的间隙来调制或诱导。"这种新的物理现象是我们以前从未见过的。它使我们能够操纵介电材料，使其不会极化和失去电荷能力。随着全世界都在努力向下一代电子元件过渡，Bae 的新型异质结构材料为高性能电子设备铺平了道路，包括大功率电子设备、高频无线通信系统和集成电路芯片。这些进步对于电动汽车和基础设施建设等需要强大电源管理解决方案的领域尤为重要。未来方向和应用"从根本上说，我们开发的这种结构是一种新型电子材料，"Bae 说。"我们还没有达到百分之百的最佳状态，但我们已经超越了其他实验室正在做的事情。我们下一步的目标是把这种材料结构做得更好，从而满足电容器超快充放电和极高能量密度的需求。我们必须能够做到在反复充电的过程中不损失存储容量，才能看到这种材料被广泛应用于大型电子设备，如电动汽车和其他正在发展的绿色技术。