小说性材料革新能源储存

• 科学家们创建了由自由支撑的二维和三维膜组成的人工异质结构，以解决铁电电容器中的能量损耗问题。
• 新材料表现出的能量密度比商用电容器高出多达19倍，同时实现了超过90%的效率。
• 这一突破对下一代电子产品、电动车辆和基础设施发展具有重要意义，提供了高性能的能量存储解决方案。

圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St. Louis）科学家们已开发出一种新型材料，大大推动了静电能量存储的创新。这种材料是由由自由悬浮的2D和3D薄膜构成的人工异质结构组成，其能量密度比商业上可获得的电容器高出19倍。

静电电容器在现代电子设备中扮演着至关重要的角色。它们实现了超快充放电，为从智能手机、笔记本电脑和路由器到医疗设备、汽车电子产品和工业设备等各种设备提供能量存储和动力。然而，电容器中使用的铁电材料由于其材料特性存在显著的能量损耗，使其难以提供高能量存储能力。

在发表于《科学》（Science）杂志上的一项研究中，圣路易斯华盛顿大学麦克尔维工程学院（McKelvey School of Engineering）机械工程和材料科学助理教授Sang-Hoon Bae解决了在铁电材料用于能量存储应用时长期存在的挑战。

Bae和他的合作者，包括华盛顿大学麦克尔维工程学院机械工程与材料科学副教授Rohan Mishra、华盛顿大学电气与系统工程副教授Chuan Wang，以及麻省理工学院（MIT）材料科学与工程TCK教授Frances Ross，引入了一种能够利用2D材料控制铁电电容器松弛时间的方法。松弛时间是描述电荷消散或衰减时间的内部材料属性。

在Bae的指导下，博士生Justin S. Kim和博士后研究员Sangmoon Han开发了新颖的2D/3D/2D异质结构，可以最小化能量损失，同时保留铁电3D材料的优良材料特性。他们的方法巧妙地将2D和3D材料夹在原子薄层中，各层之间的化学和非化学键经过精心设计。一个非常薄的3D核心被插入两个外层的2D层之间，形成一个只有约30纳米厚的叠层结构。这大约是普通病毒颗粒尺寸的十分之一。

“我们基于我们实验室已经取得的2D材料创新开发了一个新结构，”Bae表示。“最初，我们并不是专注于能量存储，但在我们对材料特性进行探索时，我们发现了一种新的物理现象，我们意识到这种物理现象可以应用于能量存储，并且这既非常有趣又可能更加有用。”

这些2D/3D/2D异质结构精心设计，处于半导体材料在导电性和非导电性之间的最佳电性能的最佳位置，用于能量存储。通过这种设计，Bae及其合作者报告了高达比商业上可获得的铁电电容器高19倍的能量密度，同时实现了超过90%的效率，这也是前所未有的。

Bae解释道：“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调制或诱导。这种新的物理现象是我们以前从未见过的。它使我们能够以这样的方式操控介电材料，使其不会极化并且不会失去充电能力。”

随着世界面临向下一代电子器件转变的必要性，Bae的新异质结构材料为高性能电子设备打开了大门，包括高功率电子、高频无线通信系统和集成电路芯片。这些进步在需要稳健的电力管理解决方案的领域尤为关键，例如电动汽车和基础设施发展。

“从根本上来说，我们开发的这种结构是一种新型的电子材料，”Bae说道。“我们还没有到100%的最佳状态，但我们已经在表现上超越了其他实验室所做的事情。我们接下来的步骤将是使这种材料结构变得更好，以便我们能够满足对电容器中超快充放电和非常高能量密度的需求。我们必须做到这一点，而不会在反复充电过程中丧失存储容量，才能广泛应用这种材料在大型电子产品，如电动车辆，以及其他发展中的绿色技术中。”

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这项技术看起来非常优秀，Bae的前瞻性评论给人带来了很大的信心。100%最佳的概念是推动技术改进的一种很好方式。知道自己设备中使用的电子元件是100%最佳的这一点是一件让人感到安心的事情。到目前为止，我们很少知道是什么损坏了我们的设备，但电容器、电阻器和二极管虽然相当不错，但远非无懈可击，基本上没有消费品内置备用系统。是的，那些价值10美分的零部件可能会破坏数百美元的物品。

因此，加油Bae教授！希望您所提到的100%最佳会成为许多产品及用于制造它们的零部件的新标准。

作者：Brian Westenhaus，通过New Energy and Fuel

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