新型材料促进静电储能创新

静电电容器在现代电子产品中发挥着至关重要的作用。它们可实现超快速充电和放电，为智能手机、笔记本电脑和路由器、医疗设备、汽车电子和工业设备等设备提供能量存储和电力。然而，电容器中使用的铁电材料由于其材料特性而具有显着的能量损失，从而难以提供高能量存储能力。

圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院机械工程和材料科学助理教授Sang-HoonBae解决了在储能应用中部署铁电材料这一长期存在的挑战。

在4月18日发表在《科学》杂志上的一项研究中，Bae和他的合作者，包括华盛顿大学机械工程与材料科学副教授RohanMishra、电气与系统工程副教授ChuanWang，以及TDK教授FrancesRoss麻省理工学院材料科学与工程博士介绍了一种使用2D材料控制铁电电容器的弛豫时间(一种内部材料特性，描述电荷耗散或衰减所需的时间)的方法。

博士生JustinS.Kim和博士后研究员SangmoonHan与Bae合作开发了新型2D/3D/2D异质结构，可以最大限度地减少能量损失，同时保留铁电3D材料的有利材料特性。

他们的方法将2D和3D材料夹在原子薄层中，每层之间都有精心设计的化学和非化学键。将非常薄的3D核心插入两个外部2D层之间，形成厚度仅为约30纳米的堆栈。这大约是平均病毒颗粒大小的十分之一。

Bae说：“我们基于实验室中涉及2D材料的创新创建了一种新结构。”“最初，我们并没有专注于能量存储，但在探索材料特性的过程中，我们发现了一种新的物理现象，我们意识到它可以应用于能量存储，这非常有趣，而且可能更有用。”

2D/3D/2D异质结构经过精心设计，处于导电性和非导电性之间的最佳位置，其中半导体材料具有最佳的能量存储电性能。通过这种设计，Bae和他的合作者报告称，能量密度比商用铁电电容器高出19倍，并且效率超过90%，这也是前所未有的。

“我们发现介电弛豫时间可以通过材料结构中非常小的间隙来调制或诱导，”Bae解释道。“这种新的物理现象是我们以前从未见过的。它使我们能够以一种不会极化和失去电荷能力的方式操纵介电材料。”

随着世界努力应对向下一代电子元件过渡的迫切需要，Bae的新型异质结构材料为高性能电子设备(包括高功率电子设备、高频无线通信系统和集成电路芯片)铺平了道路。这些进步对于需要强大电源管理解决方案的行业尤其重要，例如电动汽车和基础设施开发。

“从根本上说，我们开发的这种结构是一种新型电子材料，”Bae说。

“我们还没有达到100%最优，但我们已经超越了其他实验室正在做的事情。我们的下一步将是使这种材料结构变得更好，这样我们就可以满足超快充电和放电以及非常高能量的需求我们必须能够做到这一点，而不会因重复充电而损失存储容量，才能看到这种材料广泛应用于大型电子产品，如电动汽车和其他正在发展的绿色技术。”