伯克利实验室制造出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(例如电池或燃料电池)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,据《科学》杂志报道,研究人员发现了两全其美的方法。由美国能源部(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缺陷引入到某种类型的市售薄膜中,证明了一种普通材料可以被加工成性能优异的储能材料。

伯克利实验室制造出超高能量密度电容器
为了制造新材料,首先通过脉冲激光沉积工艺在该腔室中沉积薄膜。你看到的明亮的“泡沫”是激光击中目标沉积材料。

这项研究得到了“ 材料计划”的支持,“ 材料计划”是一个开放式在线数据库,几乎可以为全球科学家提供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,以加快新功能材料设计等目标。这包括了解操纵已知材料改善其性能的方法。

降低成本和器件小型化的要求不断提高,推动了高能量密度电容器的发展。电子设备中通常使用电容器来为电池充电时的电力供应。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“弛豫铁电体”,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。 。

所施加的电场驱动材料中电子方向变化。同时,电场还能驱动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,使其能够在高电压下充电,并非常迅速地放电(数十亿次或更多次),而又不会遭受损坏,因此不适合在计算机和车辆等应用中长期使用。

伯克利实验室材料科学部(MSD)的教职科学家、加州大学伯克利分校材料科学与工程教授Lane Martin实验室的研究人员通过引入局部缺陷,使其能够承受更大的电压实现这一目标。

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的电场的方法。

研究人员转向他们先前开发的一种“关闭”材料导电性的方法。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。

研究人员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,将具有高能氦离子薄膜作为目标。氦离子将目标离子从其位点击落,形成点缺陷。测量结果表明,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%。

同样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修复已合成材料中的问题。

这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持,并获得了美国国家科学基金会的资助。

上一篇:

下一篇:


标签