校園生活：邁向超高能量密度電容器

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快速存儲(chǔ)和釋放電能的電容器是現(xiàn)代電子和電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。但是，與其他存儲(chǔ)系統(tǒng)(如電池或燃料電池)相比，最常用的能量密度較低，而這些存儲(chǔ)系統(tǒng)又無(wú)法在不遭受損壞的情況下快速放電和充電。

現(xiàn)在，正如《科學(xué)》雜志上報(bào)道的那樣，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩全其美的方法。由能源部(DOE)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Berkeley Lab)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)通過在簡(jiǎn)單的后處理步驟中將隔離的缺陷引入到某種類型的市售薄膜中，證明了可以加工通用材料成為性能最高的儲(chǔ)能材料。

這項(xiàng)研究得到了“材料計(jì)劃”的支持，“材料計(jì)劃”是一個(gè)開放訪問的在線數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)際上為全球科學(xué)家提供了最大的材料特性**。如今，材料項(xiàng)目將計(jì)算和實(shí)驗(yàn)工作結(jié)合在一起，以加快新功能材料的設(shè)計(jì)等目標(biāo)。這包括了解以改進(jìn)已知材料的方式操縱已知材料的方法。

對(duì)于降低成本和減小設(shè)備小型化的日益增長(zhǎng)的需求推動(dòng)了對(duì)高能量密度電容器的開發(fā)。電子設(shè)備中通常使用電容器來為電池充電時(shí)保持供電。伯克利實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的新材料最終可以將電容器的效率，可靠性和堅(jiān)固性與大型電池的儲(chǔ)能能力結(jié)合在一起。應(yīng)用包括個(gè)人電子設(shè)備，可穿戴技術(shù)和汽車音頻系統(tǒng)。科普故事

該材料基于所謂的“松弛鐵電體”，它是一種陶瓷材料，對(duì)外部電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生快速的機(jī)械或電子響應(yīng)，通常在超聲波，壓力傳感器和電壓發(fā)生器等應(yīng)用中用作電容器。 。

所施加的場(chǎng)驅(qū)動(dòng)材料中電子取向的變化。同時(shí)，磁場(chǎng)驅(qū)使材料中存儲(chǔ)的能量發(fā)生變化，使其成為使用小型電容器之外的良好候選材料。要解決的問題是如何優(yōu)化鐵電體，使其可以充電至高壓并快速放電(數(shù)十億次或更多次)，而又不會(huì)造成損壞，因此不適合在計(jì)算機(jī)和車輛等應(yīng)用中長(zhǎng)期使用。

萊恩·馬丁實(shí)驗(yàn)室的研究人員是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部(MSD)的研究員，也是加州大學(xué)伯克利分校的材料科學(xué)與工程學(xué)教授，他通過引入局部缺陷使其能夠承受更大的電壓來實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。 。

馬丁解釋說：“您可能已經(jīng)在煤氣烤爐上體驗(yàn)了弛張鐵電體。點(diǎn)燃格柵的按鈕操作著一個(gè)彈簧錘，該錘敲擊壓電晶體，這是一種弛張器，并產(chǎn)生可點(diǎn)燃燃?xì)獾碾妷??！??！拔覀円呀?jīng)證明，它們也可以被制成一些用于儲(chǔ)能應(yīng)用的最佳材料。”

在兩個(gè)電極之間放置鐵電材料并增加電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致電荷積聚。在放電過程中，可用的能量取決于材料電子響應(yīng)電場(chǎng)而定向或極化的強(qiáng)度。然而，大多數(shù)這樣的材料通常在材料失效之前不能承受大的電場(chǎng)。因此，根本的挑戰(zhàn)是找到一種在不犧牲極化的情況下增加最大可能電場(chǎng)的方法。

研究人員轉(zhuǎn)向他們先前開發(fā)的一種“關(guān)閉”材料電導(dǎo)率的方法。通過用被稱為離子的高能帶電粒子轟擊薄膜，它們能夠引入孤立的缺陷。缺陷會(huì)俘獲材料的電子，阻止其運(yùn)動(dòng)，并使薄膜的電導(dǎo)率降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

“在應(yīng)該是絕緣體的鐵電體中，電荷通過它們泄漏是一個(gè)主要問題。通過用高能離子束轟擊鐵電體，我們知道我們可以使它們成為更好的絕緣體，”博士研究員Jiun Kim說。在馬丁的小組中，論文的主要作者。“然后我們問，我們是否可以使用相同的方法使弛豫鐵電在災(zāi)難性失效之前能承受更大的電壓和電場(chǎng)?”

答案是“是”。Kim首先制造了一種典型的弛豫鐵電薄膜，稱為鈮鎂鉛-鈦酸鉛。然后，他在伯克利實(shí)驗(yàn)室加速器技術(shù)和應(yīng)用物理(ATAP)部門運(yùn)營(yíng)的離子束分析設(shè)施中，將具有高能氦離子的薄膜作為目標(biāo)。氦離子將目標(biāo)離子從其位點(diǎn)敲除，形成點(diǎn)缺陷。測(cè)量表明，離子轟擊薄膜的儲(chǔ)能密度是先前報(bào)告值的兩倍以上，效率提高了50%。

馬丁說：“我們最初期望的效果主要是通過減少隔離點(diǎn)缺陷引起的泄漏。但是，我們意識(shí)到，由于某些缺陷而引起的極化電場(chǎng)關(guān)系的變化同樣重要?！?“這種轉(zhuǎn)變意味著需要越來越大的施加電壓來產(chǎn)生最大的極化變化?！?結(jié)果表明，離子轟擊可以幫助克服高度極化和易碎之間的權(quán)衡。

相同的離子束方法還可以改善其他介電材料以改善能量存儲(chǔ)，并為研究人員提供一種工具來修復(fù)已經(jīng)合成的材料中的問題。金說：“很高興看到人們?cè)谒麄兊暮铣苫蛏a(chǎn)過程不完美之后，就使用這些離子束方法來'修復(fù)'設(shè)備中的材料?！?/p>