联合研究团队开发出新型柔性高能量密度电容器 显著增强能量存储

盖世汽车讯 在寻求更高效和可持续的能源解决方案的过程中，多所大学的研究团队在电容器技术方面取得重要的里程碑。据外媒报道，来自休斯敦大学（University of Houston）、杰克逊州立大学（Jackson State University）和霍华德大学（Howard University）的研究人员开发出新型柔性高能量密度电容器，这是一种储存能量的装置。

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图片来源：休斯敦大学

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尽管原型设备大小只有1英寸x 1英寸，但这项创新的放大版本可能会彻底改变各个行业的储能系统，包括医疗、航空、汽车（EV）、消费电子和国防。

相关论文已发表于期刊《ACS Nano》，题为“基于分层二维纳米填料的聚合物介电薄膜中的超高电容能量密度（Ultrahigh Capacitive Energy Density in Stratified 2D Nanofiller-Based Polymer Dielectric Films）”。研究人员在论文中分享了研究细节。介电电容器是电子设备和储能系统的关键组件，可以快速释放大量能量，因此对于高功率应用至关重要。

“高能量和高功率电容器对于可靠的电力供应至关重要，特别是当我们转向使用更多的可再生能源时。然而，目前的介电电容器存储的能量低于其他类型的能量存储设备（例如电池）。电容器的更高功率密度使其对多种应用更具吸引力。”陶氏公司（Dow）董事长兼休斯顿大学化学工程Welch Foundation教授兼团队导师Alamgir Karim说道。

电容器可以存储的能量取决于其介电常数（ε）和介电击穿强度（EBD）。“为了增加电容器的能量存储，我们需要改进两者，”Karim补充道。

在这项研究中，研究人员使用具有定向二维纳米填料的层状聚合物设计了一种新型电容器。他们使用机械剥离的二维材料薄片作为纳米填料。研究人员通过将这些材料排列在特定的层中，形成三明治状结构来提高电容器性能，从而最大限度地提高能量存储。由此产生的三明治超薄，比人的头发还细。与随机混合纳米填料的电容器相比，这种新设计显示出更高的性能、更高的能量密度和效率。

此项工作展示了，通过使用定向二维纳米填料阻断聚合物材料中的电击穿路径，研究人员可以开发高能量和高功率密度电容器，且实现了约75 J/cm³的超高能量密度，这是迄今为止聚合物介电电容器报道的最高能量密度。

研究小组利用云母和六方氮化硼（hBN）等材料来证明控制二维纳米片方向在阻止电击穿路径方面的有效性。令人惊讶的是，即使使用最小体积分数（1%）的纳米填料，也观察到介电常数的显着增强。

鉴于研究人员首次展示了分层多层纳米复合材料在聚合物储能装置设计中的应用，Karim和霍华德大学纳米复合材料专家Dharmaraj Raghavan教授预计这些混合电容器未来将得到更广泛的应用，并计划继续努力在此类纳米复合材料中开发连续的有机-无机界面，以扩展能量存储能力。

这些高能量密度电容器的潜在应用有很多。研究人员预计这些电容器最终将用于起搏器和除颤器等医疗设备，以及电子、、电力系统等领域的应用。