可以替代傳統(tǒng)大容量電容器新品，體積僅為1%

縮小當(dāng)今電子產(chǎn)品的一個障礙是其電容器的尺寸相對較大。現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出新的“超晶格”，它可能有助于制造尺寸僅為傳統(tǒng)電容器的百分之一的電容器。

電池以化學(xué)形式儲存能量，而電容器以電場形式儲存能量。電池通常具有比電容器更高的能量密度——它們可以為自身重量存儲更多能量。然而，電容器通常比電池具有更大的功率密度——它們的充電和放電速度更快。這使得電容器可用于涉及功率脈沖的應(yīng)用。

由于電容器的能量密度有些低，它們難以小型化。反鐵電材料可以幫助解決這個問題。就像擁有北極和南極的磁鐵一樣，材料內(nèi)的電荷也分為正極和負(fù)極。反鐵電體是這些“電偶極子”通常以相反方向定向的材料，從而導(dǎo)致總體上的零電極化。然而，當(dāng)反鐵電體暴露在足夠強(qiáng)的電場中時，它們會轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨葮O化，從而產(chǎn)生大的能量密度。

“由反鐵電體制成的電容器可能比傳統(tǒng)電容器小得多，這將有助于使電子電路小型化，”盧森堡科學(xué)技術(shù)研究所的材料物理學(xué)家Hugo Aramberri說。

然而，已知的天然反鐵電材料相對較少。在一項新研究中，Aramberri 和他的同事試圖設(shè)計出可以像反鐵電體一樣工作的人造結(jié)構(gòu)。

科學(xué)家們轉(zhuǎn)向鐵電和順電材料。鐵電體是其中電偶極子通常都以相同方向定向的材料，從而導(dǎo)致電極化。相反，順電體是其中電偶極子僅在存在電場的情況下排列的材料。

然后，該團(tuán)隊構(gòu)建了由鐵電鈦酸鉛(PbTiO3) 和順電鈦酸鍶(SrTiO3) 制成的超晶格。之所以稱這種超晶格是因為鈦酸鉛和鈦酸鍶本身排列成晶格結(jié)構(gòu)，它們也被放置在彼此交替的薄層中。

科學(xué)家們試圖通過試驗材料的不同特征（包括層厚度、層剛度以及層可能從它們所在的基礎(chǔ)上感受到的應(yīng)變）來優(yōu)化它們在室溫下的能量存儲密度和能量釋放效率。

在模擬中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在每厘米 3.5 兆伏的電場下，他們最好的超晶格可以儲存超過 110 焦耳每立方厘米。在該場強(qiáng)下，這比幾乎所有已知的反鐵電電容器都要好。它僅被一種復(fù)雜的鈣鈦礦固溶體所超越，該溶液在 3.5 兆伏特/厘米下顯示出 154 焦耳/立方厘米，目前是該場強(qiáng)下創(chuàng)紀(jì)錄的能量密度。

“傳統(tǒng)電容器的儲能密度比我們在研究中預(yù)測的一些人造反鐵電體的儲能密度小 100 倍以上，”Aramberri 說?！斑@意味著我們的超晶格有可能用于制造體積比傳統(tǒng)電容器小 100 倍的電容器?！?/p>

Aramberri 指出，在選擇電容器時，除了能量密度之外，還必須考慮其他因素，例如其功率密度?！斑@些值得進(jìn)一步調(diào)查，以評估我們的超晶格用于商業(yè)用途的可行性，”他說。

他還提醒他們檢查的晶格中含有鉛，鉛的毒性極大地限制了其技術(shù)應(yīng)用。

“不過，我們相信我們的工作提供了一個概念驗證，即人造反鐵電體可以用鐵電體和順電體量身定制，而且這個想法與為構(gòu)建塊選擇的特定材料沒有內(nèi)在聯(lián)系，”Aramberri 說。

總而言之，這些新發(fā)現(xiàn)表明“出于許多實際目的，我們可能能夠使用量身定制的人造反鐵電體而不是本征反鐵電體，”Aramberri 說。

下一步“將是在真實樣本中測試我們的模擬，”Aramberri 說。“測量其他特性會很有趣，比如它們可以承受多少電壓、它們在長期使用中的耐久性以及最終的商業(yè)可行性。后者部分依賴于可擴(kuò)展且廉價的高質(zhì)量氧化物超晶格制造技術(shù)，這些技術(shù)是還沒有完全開發(fā)?！?/p>

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