在寻求更高效和可持续的能源解决方案的过程中，一个由多所大学组成的研究团队在电容器技术方面取得了重要的里程碑。来自休斯顿大学、杰克逊州立大学和霍华德大学的研究人员开发出一种新型柔性高能量密度电容器，这是一种储存能量的装置。

　　虽然原型设备只有1英寸乘1英寸，但这种创新的放大版本可能会彻底改变各种行业的储能系统，包括医疗、航空、汽车(EV)、消费电子和国防。

　　研究人员在《ACS Nano》杂志上发表了一篇题为《分层二维纳米填料聚合物介电薄膜中的超高电容能量密度》的论文，分享了这项研究的细节。

　　介电电容器是电子设备和能量存储系统的关键部件，以其快速释放大量能量的能力而闻名，这使得它们在高功率应用中至关重要。

　　“高能量和高功率的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，目前的介电电容器不像其他类型的能量存储设备(如电池)那样存储那么多的能量。与电池相比，电容器的更高功率密度使其在众多应用中更具吸引力，”该团队的教师导师、陶氏化学工程主席兼韦尔奇基金会教授Alamgir Karim说。

　　电容器能储存的能量取决于它的介电常数(ε)和介电击穿强度(EBD)。他补充说:“为了增加电容器的能量存储，我们需要同时改进这两方面。”

　　在这项研究中，研究人员利用层状聚合物和定向二维纳米填料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，创造一个三明治状的结构来提高电容器的性能，从而最大限度地提高了能量储存。制成的三明治超薄，比人的头发还薄。与随机混合纳米填料的电容器相比，这种新设计具有更高的能量密度和效率。

　　“我们的工作展示了高能量和高功率密度电容器的发展，通过使用定向二维纳米填料阻断聚合物材料中的电击穿途径，”去年在休斯敦大学获得化学工程博士学位的Maninderjeet Singh说，他是该论文的第一作者，来自杰克逊州立大学的Priyanka Das也是该论文的第一作者。“我们实现了约75 J/cm3的超高能量密度，这是迄今为止报道的最高聚合物介电电容器。”

　　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断电击穿途径方面的有效性。令人惊讶的是，即使纳米填料的体积分数最小(1%)，也能显著提高介电常数。

　　卡里姆说:“在机械剥离和转移技术的帮助下，我们成功地实现了理想的定向。”他补充说，杰克逊州立大学的研究人员对这部分过程至关重要。来自杰克逊州立大学的Karim和Nihar Pradhan都是这篇论文的通讯作者。

　　考虑到研究人员首次将分层多层纳米复合材料用于聚合物储能装置的设计，Karim和霍华德大学的纳米复合材料专家Dharmaraj Raghavan教授希望这些混合电容器在未来得到广泛的应用，并计划继续努力，通过在这种纳米复合材料中开发连续的有机-无机界面来扩展能量存储能力。

　　这些高能量密度电容器的潜在应用有很多。研究人员设想，这种电容器最终将用于起搏器和除颤器等医疗设备，以及电子产品、电动汽车、电力系统等领域。

　　“这项研究为二维聚合物纳米复合材料中的介电击穿和电荷极化现象提供了有价值的见解，”辛格说，他现在是哥伦比亚大学的博士后研究科学家。“我们相信，我们的发现将激发进一步的研究，以开发更高能量密度的电容器，为更清洁、更可持续的未来做出贡献。”

　　除了这一突破之外，该团队还在研究其他聚合物系统，包括聚合物拓扑操纵、聚合物接枝纳米颗粒和层状嵌段共聚物，以开发高能量密度的电容器，为清洁的未来服务。

　　更多信息:Maninderjeet Singh等人，分层二维纳米填料基聚合物介电膜的超高电容能量密度，ACS Nano(2023)。DOI: 10.1021 / acsnano。期刊信息:ACS Nano由休斯顿大学提供引文:具有二维纳米材料的高能量密度电容器可以显着增强能量存储(2024,4月24日)检索自2024年4月25日https://techxplore.com/news/2024-04-high-energy-density-capacitors-2d.html。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。