聖路易斯華盛頓大學的科學家開發出一種新材料，可以增強儲存靜電能量的能力。該材料由獨立的 2D 和 3D 薄膜製成的人造異質結構組成，其能量密度比市售電容器高出 19 倍。這將使我們能夠製造高度創新的電容器並改變電子產品的工作方式。研究的負責人是 Sang-Hoon Bae 教授，他向《科學》雜誌描述了這種新材料。
靜電電容器在現代電子產品中發揮著至關重要的作用。它們可以實現非常快速的充電和放電，為智慧型手機、筆記型電腦和路由器、醫療設備、汽車電子和工業設備等設備提供能量和電力儲存。它們的功能一方面是過濾和穩定電訊號，消除乾擾，另一方面是累積能量，以便在需要時釋放受控脈衝。第二點使得電容器可以累積的功率變得重要。
然而，用於電容器的鐵電材料由於其材料特性而具有顯著的能量損失，從而難以提供高能量儲存容量。
Sang-Hoon Bae 實驗室開發的由獨立 2D 和 3D 膜組成的人工異質結構的能量密度比市售電容器高出 19 倍
Bae 和他的合作者，包括華盛頓大學機械工程和材料科學副教授 Rohan Mishra、電機和系統工程副教授 Chuan Wang，以及麻省理工學院材料科學與工程 TDK 教授 Frances Ross，介紹了一種使用2D 材料控制鐵電電容器的弛豫時間（一種內部材料屬性，描述電荷耗散或衰減所需的時間）的方法。
該團隊開發了新的 2D/3D/2D 異質結構，可最大限度地減少能量損失，同時保留 3D 鐵電材料的有利材料特性。他們的方法巧妙地將 2D 和 3D 材料混合成原子薄層，每層之間都經過深思熟慮的化學和非化學鍵。一個非常薄的 3D 核心夾在兩個外部 2D 層之間，形成厚度僅約 30 奈米的堆疊。這大約是平均病毒顆粒大小的十分之一。實際上，三明治是由具有交替的二維和三維原子結構的材料製成的，其節能特性是獨一無二的。
Bae 說：“我們基於實驗室中已經使用 2D 材料進行的創新，創建了一種新結構。” 「最初，我們並沒有專注於能量存儲，但在探索材料的特性時，我們發現了一種新的物理現象，我們意識到它可以應用於能量存儲，它非常有趣，而且可能更有用」。
2D/3D/2D 異質結構經過精心設計，位於導電性和非導電性之間的平衡點，其中半導體材料具有用於能量儲存的最佳電性能。透過這種設計，Bae 和他的合作者報告稱，其能量密度比商用鐵電電容器高出 19 倍，並且效率達到 90% 以上，這也是前所未有的。
「基本上，我們開發的結構是一種新的電子材料，」Bae 說。 「我們還沒有達到 100% 最優，但我們已經超越了其他實驗室。我們下一步將進一步改進這種材料的結構，以滿足電容器超快速充放電和極高能量密度的需求。我們需要能夠在不因重複充電而損失存儲容量的情況下做到這一點，以看到這種材料廣泛應用於大型電子產品，例如電動車和其他正在發展的綠色技術。
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電容器領域的突破：超級性能材料為新型電子產品鋪路一文來自Scenari Economici 。
這是在 Sat, 27 Apr 2024 07:00:09 +0000 在 https://scenarieconomici.it/svolta-nel-mondo-dei-condensatori-materiali-super-performanti-aprono-la-strada-a-una-nuova-elettronica/ 的報紙 “Scenari Economici” 上發表的文章的翻譯。