迈向超高能量密度电容器

快速存储和释放电能的电容器是现代电子和电力系统中的关键组件。但是，与其他存储系统(如电池或燃料电池)相比，最常用的能量密度较低，而这些存储系统又无法在不遭受损坏的情况下快速放电和充电。

现在，正如《科学》杂志上报道的那样，研究人员发现了两全其美的方法。由能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的研究人员领导的团队通过在简单的后处理步骤中将隔离的缺陷引入到某种类型的市售薄膜中，证明了可以加工通用材料成为性能最高的储能材料。

这项研究得到了“材料计划”的支持，“材料计划”是一个开放访问的在线数据库，实际上为全球科学家提供了最大的材料特性集合。如今，材料项目将计算和实验工作结合在一起，以加快新功能材料的设计等目标。这包括了解以改进已知材料的方式操纵已知材料的方法。

对于降低成本和减小设备小型化的日益增长的需求推动了对高能量密度电容器的开发。电子设备中通常使用电容器来为电池充电时保持供电。伯克利实验室开发的新材料最终可以将电容器的效率，可靠性和坚固性与大型电池的储能能力结合在一起。应用包括个人电子设备，可穿戴技术和汽车音频系统。

该材料基于所谓的“松弛铁电体”，它是一种陶瓷材料，对外部电场会产生快速的机械或电子响应，通常在超声波，压力传感器和电压发生器等应用中用作电容器。 。

所施加的场驱动材料中电子取向的变化。同时，磁场驱使材料中存储的能量发生变化，使其成为使用小型电容器之外的良好候选材料。要解决的问题是如何优化铁电体，使其可以充电至高压并快速放电(数十亿次或更多次)，而又不会造成损坏，因此不适合在计算机和车辆等应用中长期使用。

莱恩·马丁实验室的研究人员是伯克利实验室材料科学部(MSD)的研究员，也是加州大学伯克利分校的材料科学与工程学教授，他通过引入局部缺陷使其能够承受更大的电压来实现了这一目标。 。

马丁解释说：“您可能已经在煤气烤炉上体验了弛张铁电体。点燃格栅的按钮操作着一个弹簧锤，该锤敲击压电晶体，这是一种弛张器，并产生可点燃燃气的电压。” 。“我们已经证明，它们也可以被制成一些用于储能应用的最佳材料。”

在两个电极之间放置铁电材料并增加电场会导致电荷积聚。在放电过程中，可用的能量取决于材料电子响应电场而定向或极化的强度。然而，大多数这样的材料通常在材料失效之前不能承受大的电场。因此，根本的挑战是找到一种在不牺牲极化的情况下增加最大可能电场的方法。

研究人员转向他们先前开发的一种“关闭”材料电导率的方法。通过用被称为离子的高能带电粒子轰击薄膜，它们能够引入孤立的缺陷。缺陷会俘获材料的电子，阻止其运动，并使薄膜的电导率降低几个数量级。

“在应该是绝缘体的铁电体中，电荷通过它们泄漏是一个主要问题。通过用高能离子束轰击铁电体，我们知道我们可以使它们成为更好的绝缘体，”博士研究员Jiun Kim说。在马丁的小组中，论文的主要作者。“然后我们问，我们是否可以使用相同的方法使弛豫铁电在灾难性失效之前能承受更大的电压和电场?”

答案是“是”。Kim首先制造了一种典型的弛豫铁电薄膜，称为铌镁铅-钛酸铅。然后，他在伯克利实验室加速器技术和应用物理(ATAP)部门运营的离子束分析设施中，将具有高能氦离子的薄膜作为目标。氦离子将目标离子从其位点敲除，形成点缺陷。测量表明，离子轰击薄膜的储能密度是先前报告值的两倍以上，效率提高了50%。

马丁说：“我们最初期望的效果主要是通过减少隔离点缺陷引起的泄漏。但是，我们意识到，由于某些缺陷而引起的极化电场关系的变化同样重要。” “这种转变意味着需要越来越大的施加电压来产生最大的极化变化。” 结果表明，离子轰击可以帮助克服高度极化和易碎之间的权衡。

相同的离子束方法还可以改善其他介电材料以改善能量存储，并为研究人员提供一种工具来修复已经合成的材料中的问题。金说：“很高兴看到人们在他们的合成或生产过程不完美之后，就使用这些离子束方法来'修复'设备中的材料。”

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