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新型電容器介質材料:刷新蓄能新紀錄

新型電容器介質材料:刷新蓄能新紀錄

  圖片描述:上圖為沉降在塑料襯底上待測試的新型混合溶膠-凝膠材料樣品。圖片來源:John Toon, Georgia Tech

  隨著人們對移動設備電源的續航能力要求不斷增加,開發高效率、高性能蓄電材料的需求已變得越來越迫切。由于具備充放電響應時間短、蓄能大、功率調節等特點,介電材料已在國防、醫療和商業等領域得到廣泛應用。然而目前仍很難找到一種能夠最大限度地提高介電常數、擊穿強度、能量密度和能量提取效率的單一介電材料。

  佐治亞理工學院(Georgia Institute of Technology) Center for Organic Photonics and Electronics(COPE)的Joseph Perry教授和他的同事們一直致力于尋找滿足這些需求的其他電容器材料,但是進展并不理想。由于混合溶膠-凝膠材料在外加電場作用下的高定向極化,該材料有望用于高效的介電蓄能,因此研究小組決定對這些材料進行研究,使其用于新的電容器應用中。

  通過利用混合二氧化硅溶膠-凝膠材料和辛基磷酸的自組裝層,研究人員成功開發出一種電容器介質材料,該材料兼具優異的能量密度和功率密度,其蓄電能力足以與一些電池媲美。研究顯示,涂有混合溶膠-凝膠電容器材料的鋁化聚酯膜,可以反復軋制,還能保持很高的能量密度,由此可見其較高的韌性。但該材料存在較高的漏電流現象。為解決該問題,研究人員在混合溶膠-凝膠表面沉降了納米級的單層自組裝正辛基磷酸。雖然該單層材料厚度不足1納米,卻能起到絕緣的作用。

  該新材料中,溶膠-凝膠薄膜含有與硅原子連接的極性基團,正辛基膦酸則起絕緣作用。這種雙層結構能阻止電子注入到溶膠-凝膠材料中,從而具有漏電流小、擊穿強度高和能效高的特點。Perry教授說:雖然人們對帶有有機基團的溶膠-凝膠材料和膦酸等脂肪酸都非常熟悉,但據我們所知,將兩種材料組合在一起構成高能量密度的電能儲存裝置,該材料在世界上尚屬首創。

  研究人員證實,該結構在電場強度830伏/微米和功率密度520瓦/立方厘米的狀態下,可提取的最大能量密度達40焦耳/立方厘米,能量提取效率高達72%。雖然該結構與電子設備和電動汽車中常用的鋰電池無法相比,但其性能超越了傳統的電解電容器和薄膜鋰電池。Perry表示,這是電容器在能量密度上首次超過電池,兼具高能量密度和功率密度的電容器十分罕見。

  Perry所在實驗室的研究人員一直致力于把體積較小的溶膠-凝膠電容器制成陣列(在大約一英寸見方的小基板上進行實驗),收集相關數據來了解該材料的性能。Perry解釋道:為了了解極性基團隨外加電場的穩定排布情況,我們對樣品施加電場,發現其偏振響應成線性關系。這正是我們希望在電容器介質材料中看到的結果。

  研究人員的下一步計劃是擴大材料尺寸,觀察其是否仍具備很好的性能。如果性能良好,Perry希望通過創建一個公司或 SBIR 項目將該材料商用化。研究人員表示,他們的介電材料系統具備簡單完整的解決方案,這為在靈活的平臺上制作大尺寸裝置提供了可能性。同時這項工作強調,控制電極-電介質的分界面,對促進蓄能介電材料的性能最大化具有重要作用。

  如果該材料的尺寸可以做得更大,那么由它制成的設備就可以超越傳統的電解電容器,在電磁推進技術、電動汽車和電震發生器等領域得到應用。由于電容器可以提供瞬間大電流,所以其常作為電池的補充設備而應用于以上領域中。(科學之家,譯審/編輯:F Ma)關注科學之家微信公眾號:kexuehome 收取新鮮科學資訊


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