勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室/圖
電容器是現(xiàn)代電子和電力系統(tǒng)的重要組成部分，能夠快速存儲(chǔ)和釋放電能。不過(guò)，與電池或燃料電池等其他儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，最常用的電容器通常能量密度較低，反過(guò)來(lái)不能在持續(xù)工作的情況下快速充放電。
現(xiàn)在，據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)能源部（DOE）勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組通過(guò)在后處理步驟中，在商用薄膜中引入隔離缺陷，可以將一種常用材料加工成表現(xiàn)良好的儲(chǔ)能材料。
人們對(duì)降低成本和小型器件的需求不斷增長(zhǎng)，也推動(dòng)了高能量密度電容器的發(fā)展。電容器通常用于電子設(shè)備中，在電池充電時(shí)持續(xù)供應(yīng)電源。伯克利實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的新材料最終可以將電容器的效率、可靠性和魯棒性與大型電池的儲(chǔ)能能力結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用于個(gè)人電子設(shè)備、可穿戴技術(shù)和汽車(chē)音頻系統(tǒng)等。
研究人員研發(fā)的此種材料是一種陶瓷材料，基于“馳豫鐵電體”（relaxor ferroelectric）制成，能夠?qū)ν獠康碾妶?chǎng)快速產(chǎn)生機(jī)械或電子反應(yīng)，通常用于超聲波、壓力傳感器和電壓發(fā)生器等應(yīng)用中的電容器。
所施加的電場(chǎng)會(huì)促進(jìn)材料中電子方向發(fā)生改變，同時(shí)，電場(chǎng)還驅(qū)動(dòng)了存儲(chǔ)在材料中的能量的變化，使其不止可用于小型電容器中。要解決的問(wèn)題是如何優(yōu)化鐵電體，讓其能夠以高電壓快速充放電（數(shù)十億次或更多次），且不會(huì)持續(xù)造成損害，從而可長(zhǎng)期用于電腦和汽車(chē)等應(yīng)用。
研究人員表示：“人們可能在煤氣爐上看過(guò)馳豫鐵電體，點(diǎn)亮爐子的按鈕會(huì)啟動(dòng)一個(gè)彈簧錘，讓其敲擊壓電晶體（張弛振蕩器），并產(chǎn)生電壓點(diǎn)燃煤氣。我們已經(jīng)證明，此種材料也可成為一些性能很好的儲(chǔ)能材料?！?/p>
在兩個(gè)電極之間放置鐵電材料，增加電場(chǎng)就能夠增加電荷。在放電過(guò)程中，可用能量的大小取決于該材料的電子在電場(chǎng)作用下被定向或極化的強(qiáng)度。不過(guò)，大多數(shù)此種材料在失效之前通常無(wú)法承受很大的電場(chǎng)。因此，最根本的挑戰(zhàn)是找到一種方法，在不犧牲極化的情況下，盡可能地將電場(chǎng)的強(qiáng)度增加至最大。
于是，研究人員轉(zhuǎn)而采用之前研發(fā)的“關(guān)閉”材料導(dǎo)電性的方法。通過(guò)用高能帶電粒子——離子轟擊薄膜，可以引入隔離缺陷，此類(lèi)缺陷可以捕獲材料的電子，阻止電子運(yùn)動(dòng)，并將薄膜的導(dǎo)電性降低多個(gè)數(shù)量級(jí)。
研究人員首先打造了由稱(chēng)為鈮鎂鈦酸鉛的馳豫鐵電體原型制成的薄膜，然后在伯克利實(shí)驗(yàn)室加速器技術(shù)和應(yīng)用物理部門(mén)（ATAP）的離子束分析設(shè)備中，用高能氦離子對(duì)薄膜進(jìn)行定向。氦離子撞擊目標(biāo)離子，產(chǎn)生點(diǎn)缺陷。測(cè)量結(jié)果顯示，離子轟擊薄膜的能量?jī)?chǔ)存密度是之前報(bào)道的兩倍多，效率也提高了50%。
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