美国研发高级储能材料 可制成超高能量密度的电容器

电容器是现代电子和电力系统的重要组成部分，能够快速存储和释放电能。不过，与电池或燃料电池等其他储能系统相比，最常用的电容器通常能量密度较低，反过来不能在持续工作的情况下快速充放电。

图片来源：劳伦斯伯克利国家实验室

现在，据外媒报道，美国能源部（DOE）劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）研究人员领导的一个小组通过在后处理步骤中，在商用薄膜中引入隔离缺陷，可以将一种常用材料加工成表现良好的储能材料。

人们对降低成本和小型器件的需求不断增长，也推动了高能量密度电容器的发展。电容器通常用于电子设备中，在电池充电时持续供应电源。伯克利实验室研发的新材料最终可以将电容器的效率、可靠性和鲁棒性与大型电池的储能能力结合起来，应用于个人电子设备、可穿戴技术和汽车音频系统等。

研究人员研发的此种材料是一种陶瓷材料，基于“驰豫铁电体”（relaxor ferroelectric）制成，能够对外部的电场快速产生机械或电子反应，通常用于超声波、压力传感器和电压发生器等应用中的电容器。

所施加的电场会促进材料中电子方向发生改变，同时，电场还驱动了存储在材料中的能量的变化，使其不止可用于小型电容器中。要解决的问题是如何优化铁电体，让其能够以高电压快速充放电（数十亿次或更多次），且不会持续造成损害，从而可长期用于电脑和汽车等应用。

研究人员表示：“人们可能在煤气炉上看过驰豫铁电体，点亮炉子的按钮会启动一个弹簧锤，让其敲击压电晶体（张弛振荡器），并产生电压点燃煤气。我们已经证明，此种材料也可成为一些性能很好的储能材料。”

在两个电极之间放置铁电材料，增加电场就能够增加电荷。在放电过程中，可用能量的大小取决于该材料的电子在电场作用下被定向或极化的强度。不过，大多数此种材料在失效之前通常无法承受很大的电场。因此，最根本的挑战是找到一种方法，在不牺牲极化的情况下，尽可能地将电场的强度增加至最大。

于是，研究人员转而采用之前研发的“关闭”材料导电性的方法。通过用高能带电粒子——离子轰击薄膜，可以引入隔离缺陷，此类缺陷可以捕获材料的电子，阻止电子运动，并将薄膜的导电性降低多个数量级。

研究人员首先打造了由称为铌镁钛酸铅的驰豫铁电体原型制成的薄膜，然后在伯克利实验室加速器技术和应用物理部门（ATAP）的离子束分析设备中，用高能氦离子对薄膜进行定向。氦离子撞击目标离子，产生点缺陷。测量结果显示，离子轰击薄膜的能量储存密度是之前报道的两倍多，效率也提高了50%。