撰文：罗里.巴斯盖特                    2024年5月5日

由于科学家们错误地制造了新型电容器，手机和电动汽车的电池寿命可能会更长。（图片：Viaframe/盖蒂图片社）

科学家表示，一种新的材料结构，可以使电动汽车或设备中的电容器，储存能量的时间更长，从而彻底改变能量储存方式。

研究人员从新的“异质结构”中开发出了电容器，这种电容器具有一种新颖的特性，可以在不影响其快速充电能力的情况下，降低能量耗散的速度。

科学家们表示，这一新发现是无意的，建立在新的电子工作基础上。它可能是笔记本电脑或智能手机等，消费类设备电池寿命更长以及电网级储能更灵活的基础。科学家们在4月18日发表在《科学》杂志上的一项研究中，描述了他们的发现。

虽然电池可以长时间储存能量，但充电和放电需要很长时间。这就是电容器的用武之地——它们将电力储存在一个电场中，该电场可以快速充电和放电，以便根据需要快速获得电力。

例如，智能手机通常使用电池供电，但在短时间内需要供电时（例如相机闪光灯），则从电容器获得能量。每部智能手机通常都有数百个电容器。

一些电容器使用铁电材料来储存能量。这些材料是自然极化的，可以通过施加电压来逆转。当极化反转时，即使在电压被去除后，这也会像“存储器”一样保留在电容器中。

施加功率可以逆转这些材料的极化，即使在功率被去除后，它们也可以保持这种极化。然而，与电池相比，它们通常在更长的时间内，保持较少的能量。

这种新结构处于导电性和非导电性之间的物理和化学平衡，使其更有效地保存能量。意外的是，研究人员发现，核中的微小间隙增加了弛豫时间，这是一个用来描述电容器失去电荷的时间的术语。

在每个异质结构中，2D和3D材料在原子水平上，像千层面上的意大利面一样分层，每层之间都有化学键和非化学键。整个结构的最大厚度只有30纳米，大约是人头发的30000倍细。

研究人员表示，这项技术可以提供高达电流电容器19倍的能量密度。该团队还报告了超过90%的效率，这是该领域的一个突出结果。根据2023年7月发表在《材料》杂志上的研究，新型铁电电容器的可比效率为86.95%。

华盛顿大学机械工程和材料科学副教授桑昏贝在一份声明中说：“我们发现，介电弛豫时间可以通过材料结构中的，一个非常小的间隙来调制或诱导。”“这种新的物理现象是我们以前从未见过的。它使我们能够以一种不会极化和失去电荷能力的方式，操控介电材料。”

如果大规模复制，这种结构可能会推动我们，储存和获取能量的方式发生转变，因为它将允许在不牺牲长期储存稳定性的情况下，按需要快速获取能量。随着能量密度的提高，下一代电容器，可以为电动汽车等需要长期存储的设备，更多地使用快速充电电容器。电容器还可以为电网或私人工业用途提供快速、需要的电力。