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圖片描述：上圖為沉降在塑料襯底上待測(cè)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(duì)移動(dòng)設(shè)備電源的續(xù)航能力要求不斷增加，開發(fā)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(yīng)時(shí)間短、蓄能大、功率調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，介電材料已在國防、醫(yī)療和商業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(shù)、擊穿強(qiáng)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(xué)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(jìn)展并不理想。由于混合溶膠-凝膠材料在外加電場(chǎng)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(duì)這些材料進(jìn)行研究，使其用于新的電容器應(yīng)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(fā)出一種電容器介質(zhì)材料，該材料兼具優(yōu)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(fù)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(xiàn)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(jí)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(tuán)，正辛基膦酸則起絕緣作用。這種雙層結(jié)構(gòu)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(qiáng)度高和能效高的特點(diǎn)。Perry教授說：雖然人們對(duì)帶有有機(jī)基團(tuán)的溶膠-凝膠材料和膦酸等脂肪酸都非常熟悉，但據(jù)我們所知，將兩種材料組合在一起構(gòu)成高能量密度的電能儲(chǔ)存裝置，該材料在世界上尚屬首創(chuàng)。
研究人員證實(shí)，該結(jié)構(gòu)在電場(chǎng)強(qiáng)度830伏/微米和功率密度520瓦/立方厘米的狀態(tài)下，可提取的最大能量密度達(dá)40焦耳/立方厘米，能量提取效率高達(dá)72%。雖然該結(jié)構(gòu)與電子設(shè)備和電動(dòng)汽車中常用的鋰電池?zé)o法相比，但其性能超越了傳統(tǒng)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)），收集相關(guān)數(shù)據(jù)來了解該材料的性能。Perry解釋道：為了了解極性基團(tuán)隨外加電場(chǎng)的穩(wěn)定排布情況，我們對(duì)樣品施加電場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)其偏振響應(yīng)成線性關(guān)系。這正是我們希望在電容器介質(zhì)材料中看到的結(jié)果。
研究人員的下一步計(jì)劃是擴(kuò)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(chuàng)建一個(gè)公司或 SBIR 項(xiàng)目將該材料商用化。研究人員表示，他們的介電材料系統(tǒng)具備簡(jiǎn)單完整的解決方案，這為在靈活的平臺(tái)上制作大尺寸裝置提供了可能性。同時(shí)這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)，控制電極-電介質(zhì)的分界面，對(duì)促進(jìn)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(shè)備就可以超越傳統(tǒng)的電解電容器，在電磁推進(jìn)技術(shù)、電動(dòng)汽車和電震發(fā)生器等領(lǐng)域得到應(yīng)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(bǔ)充設(shè)備而應(yīng)用于以上領(lǐng)域中。（科學(xué)之家，譯審/編輯：F Ma）關(guān)注科學(xué)之家微信公眾號(hào)：kexuehome 收取新鮮科學(xué)資訊