电容器领域的重大突破将带来功率密度提高170倍的微电子技术

电容器领域的重大突破将带来功率密度提高170倍的微电子技术 劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家们创造出了"微型电容器"，解决了这一缺陷。这些电容器由氧化铪和氧化锆的工程薄膜制成，采用了芯片制造中常用的材料和制造技术。它们的与众不同之处在于，由于使用了负电容材料，它们能够存储比普通电容器多得多的能量。电容器是电路的基本元件之一。电容器将能量储存在由绝缘材料（非金属物质）隔开的两块金属板之间形成的电场中。与通过电化学反应储存能量的电池相比，电容器可以快速供电，使用寿命更长。然而，这些优势的代价是能源密度大大降低。也许这就是为什么我们只见过鼠标等低功率设备采用这种技术，而笔记本电脑却没有的原因。此外，如果将它们缩小到微电容大小用于片上能量存储，问题只会更加严重。研究人员通过设计 HfO2-ZrO2 薄膜来实现负电容效应，从而克服了这一难题。通过对成分进行恰到好处的调整，他们能够让这种材料在即使很小的电场作用下也能轻松极化。为了提高薄膜的储能能力，研究小组每隔几层 HfO2-ZrO2 就放置一层原子级氧化铝薄层，从而使薄膜厚度达到 100 纳米，同时保持了所需的性能。这些薄膜被集成到三维微型电容器结构中，实现了破纪录的性能：与当今最好的静电电容器相比，能量密度提高了 9 倍，功率密度提高了 170 倍。这是一个巨大的数字。伯克利实验室资深科学家、加州大学伯克利分校教授兼项目负责人赛义夫-萨拉赫丁（Sayeef Salahuddin）说："我们获得的能量和功率密度远远高于我们的预期。我们多年来一直在开发负电容材料，但这些结果非常令人惊讶。"该技术有助于满足物联网、边缘计算系统和人工智能处理器等微型设备对小型化能源存储日益增长的需求。"有了这项技术，我们终于可以开始实现在极小尺寸的芯片上无缝集成能量存储和电力传输，"论文主要作者之一苏拉杰-切马（Suraj Cheema）说。"它可以开辟微电子能源技术的新领域。"这是一项重大突破，但研究人员并没有就此满足。现在，他们正在努力扩大这项技术的规模，并将其集成到全尺寸微芯片中，同时进一步提高薄膜的负电容。 ... PC版： 手机版：

工程师们制造出充电速度比锂离子电池快一亿倍的Cheema电容器

工程师们制造出充电速度比锂离子电池快一亿倍的Cheema电容器 电容器由介电材料制成并在电场中存储能量。与利用化学反应来储存能量的电池相比，它们非常耐用，可以提供高功率水平和快速充电。但电容器的能量密度（在给定面积内可以存储的能量）通常远低于电池。这使得将它们缩小到芯片尺寸变得特别具有挑战性。一个工程师团队通过采用复合材料中出现的一些奇怪的电子特性来解决这个限制。他们制作了氧化铪和氧化锆的复合薄膜，该薄膜表现出自发电极化。一些区域是铁电性的，所有偶极子都指向相同的方向，而另一些区域是反铁电性的，偶极子指向多个方向，因此这些区域无法存储电荷。当对这些材料施加电场时，反铁电区域会转变，变成铁电体，并且薄膜可以存储大量电荷比严格的铁电材料多得多。麻省理工学院的材料科学家Suraj Cheema表示，这种所谓的负电容效应意味着“你可以获得更多的电荷存储”。Cheema 是加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授Sayeef Salahuddin博士后期间开发新型微电容器设备的团队的一员。但仅靠负电容不足以制造具有高能量密度的微电容器这些层只有 2 纳米厚。该团队必须弄清楚如何使这些薄膜更厚，同时保持其负电容背后的独特晶体结构。他们能够通过分层一些非晶态氧化铝来构建 100 纳米厚的电容器。该中断层从每个覆盖层中“隐藏”介电材料的结构，确保整个材料保持正确的晶体结构。为了在不增加面积的情况下进一步提高这些设备的能量密度，研究人员使用了当今 DRAM 单元电容器中常见的设计。这些 3D 结构是在硅芯片表面挖出的 U 形沟槽。该设计在给定的占地面积内包含了更多的电荷存储材料。沟槽电容器可以通过原子层沉积（ALD）来制造。该技术与半导体制造兼容，但很难扩大规模，为电动汽车等产品制造更大的电容器。Cheema 表示，微型电容器每平方厘米可存储 80 毫焦耳的能量，仅比锂离子电池小一个数量级。但是，虽然微型电池在高端只能充电 1,000 次，但这些微型电容器可以充电数十亿次。Cheema 说，它们的充电速度快了一亿倍。“这是一种智能工程方法，导致能量密度取得重大进步，”未参与这项工作的德雷克塞尔大学材料科学家尤里·戈戈西 (Yury Gogotsi)说道。他后来在电子邮件中补充道，“考虑到每部手机中约有 1,000 个多层陶瓷片式电容器，一辆汽车中约有 3,000 至 8,000 个，这项技术的影响可能非常重大。”就目前的形式而言，该技术可用于增加 DRAM 中的电荷存储。这些设备还可用于使电源更接近计算机芯片上的处理器，从而节省目前在运输过程中损失的能源。如果电容器可以按比例放大，它们可以在机器人和手机等大型设备中得到应用。Cheema 目前正在利用麻省理工学院林肯实验室的设施，将这些单独的微电容器连接起来，制造更大的能量存储设备。能量密度可以用平方厘米来测量，但到目前为止他们只制造了 50 微米 x 1 微米的设备。 ... PC版： 手机版：

科学家发现超级电容器的能量密度可通过增加其内部结构的"混乱度"来提高

科学家发现超级电容器的能量密度可通过增加其内部结构的"混乱度"来提高 研究人员表示，他们在《科学》杂志上发表的研究成果代表了该领域的一项突破，可以为这项重要的净零排放技术的发展注入新的活力。与电池一样，超级电容器也能储存能量，但超级电容器可以在几秒或几分钟内完成充电，而电池则需要更长的时间。超级电容器比电池耐用得多，可持续充电数百万次。不过，超级电容器的能量密度较低，因此不适合长期储能或持续供电。领导这项研究的剑桥大学优素福-哈米德化学系的亚历克斯-福斯博士说："超级电容器是电池的补充技术，而不是替代品。超级电容器经久耐用，充电速度极快，因此应用领域非常广泛。"从左至右Dame Clare Grey 教授、刘昕宇、Alex Forse 博士。图片来源：Nathan Pitt例如，由超级电容器供电的公共汽车、火车或地铁可以在乘客上下车的时间内充满电，为到达下一站提供足够的电力。这样就无需在沿线安装任何充电基础设施。不过，在超级电容器得到广泛应用之前，还需要提高其储能能力。电池利用化学反应来储存和释放电荷，而超级电容器则依靠多孔碳电极之间带电分子的运动，这种电极具有高度无序的结构。福斯说："想象一下石墨烯薄片，它具有高度有序的化学结构。如果你把那片石墨烯揉成一团，就会出现无序的混乱状态，这就有点像超级电容器中的电极。"由于电极本身比较杂乱，科学家们很难对其进行研究，也很难确定在试图提高性能时哪些参数是最重要的。由于缺乏明确的共识，这一领域的研究陷入了困境。许多科学家认为，碳电极中微孔（或纳米孔）的大小是提高能量容量的关键。然而，剑桥大学的研究小组分析了一系列市售的纳米多孔碳电极，发现孔径大小与储能能力之间没有联系。Xinyu Liu 与石墨烯模型（左）和无序碳电极（右）。资料来源：Nathan Pitt福斯和他的同事们采用了一种新方法，利用核磁共振（NMR）光谱一种电池的"核磁共振成像"来研究电极材料。他们发现，长期以来被认为是阻碍因素的材料的杂乱性实际上是其成功的关键。"通过核磁共振光谱，我们发现储能能力与材料的杂乱程度相关越杂乱的材料越能储存更多的能量，"第一作者、由福斯和克莱尔-格雷（Dame Clare Grey）教授共同指导的博士生刘新宇（音译）说。"无序性是一种很难测量的东西只有通过新的核磁共振和模拟技术才能实现，这就是为什么无序性是这一领域一直被忽视的特性。""使用核磁共振光谱分析电极材料时，会产生不同峰谷的光谱。峰的位置表明碳的有序或无序程度。"福斯说："这并不是我们的计划，而是一个巨大的惊喜。当我们将峰值的位置与能量容量相对照时，一个惊人的相关性显现出来最无序的材料的能量容量几乎是最有序材料的两倍。"那么，为什么混乱是好事呢？这就是研究小组下一步要研究的问题。更无序的碳在其纳米孔中存储离子的效率更高，研究小组希望利用这些结果设计出更好的超级电容器。材料的混乱程度是在合成时决定的。福斯说："我们想研究制造这些材料的新方法，看看在改进能量储存方面，混乱能让你走多远。这可能是这个领域的一个转折点，这个领域已经困顿了一段时间。克莱尔和我在十多年前就开始研究这个课题，现在看到我们以前的很多基础工作有了明确的应用，这让我们感到非常兴奋。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究人员利用超级电容器部件制造新型钠离子电池

研究人员利用超级电容器部件制造新型钠离子电池 钠离子电池并不新鲜，但近几年才开始受到重视。与锂电池相比，钠离子电池可以使用的材料更为丰富（多达 1000 种），而且价格低廉。它们也比锂离子电池安全得多，可以放电到 0V - 消除了因短路而导致热失控的可能性。然而，漫长的充电时间和不尽如人意的存储容量使钠离子电池一直处于边缘地位，但这一切很快就会改变。KAIST 团队用超级电容器使用的材料取代了普通电池的阴极材料，从而制造出了一种高能量、高功率、可快速充电的混合钠电池。此外，还对阳极进行了调整以提高容量，并采用了一种合成优化电极材料的方法。根据 Kang 的说法，他们的解决方案的能量密度超过了市面上的锂离子电池，同时还具有电容器的输出密度特性。作为下一代存储设备，它可以在几秒到几分钟内完成充电，因此非常适合用于各种电子产品。对于制造电动汽车的汽车制造商来说，它也可能改变游戏规则，使他们能够降低成本，同时提供只需几分钟就能完全充电的汽车。幸运的话，这项技术最终会从实验室走向现实世界。研究小组的研究成果发表在《科学直通车》（Science Direct）杂志上。 ... PC版： 手机版：

科学家将水、水泥、炭黑等混合物变成一种超级电容器

科学家将水、水泥、炭黑等混合物变成一种超级电容器 01房子变电池建造这种“超级电容器”，并不需要什么高精尖的科技材料，甚至非常简单，用的都是生活中最常见的原材料，而且都非常便宜水、水泥和炭黑。我们不常听到的炭黑，也不是什么难以合成的材料。这是一种用于制造汽车轮胎的高导电材料，是不完全燃烧过程中产生的木炭杂质，可以用来制造墨水、颜料、橡胶...将它们混合、凝固后，就可以获得一个储能高，而且几乎不损耗的导电纳米级复合材料。其实原理也很简单，麻省理工学院的科学家发现，当水泥与水混合且静置一段时间后，水泥与水反应时，会产生一些空隙。这时候炭黑派上了用场，将其混入混凝土混合物中后，由于其疏水性，排斥水分，碳会聚集在这些空隙中，自然形成一种类似于树枝状的网络，最后在凝固硬化的水泥中会形成一种线状的结构。这些线状结构像树枝一样，会产生许多大的分支，大的分支又会产生更小的分支，更小的分支则会越来越小地分裂下去。最终致使在看起来极为有限的空间中形成巨大的表面积。要知道，电容器的储能量是和电极的体积相关的，如果把1毫米变成1米，就能提供更多的电力。在极为有限的空间中，形成巨大的表面积这一特性，为接下来的储能上限的研究添加了极大的想象空间。而加入的炭黑则担任了导电线的角色，水泥与水发生反应后这些线状结构就像是连接两个极板的桥梁，使得整个混合物具有了导电性。项目参与者之一的马希奇（Admir Masic）表示，随着混合物的固化，水泥中的水化反应系统地消耗了水分，而这种水化反应主要影响碳纳米颗粒，因为它们具有疏水性。炭黑则会形成一条导电线。最重要的是，只需使用在地球上任何地方都能获得的这些廉价材料，就能轻易复制这一过程。然后，他们将这种材料浸入常规电解质材料中，例如氯化钾，利用薄薄的空间或绝缘层隔开，氯化钾的带电粒子会沉淀在碳丝结构上。其结果是，就会形成一个非常强大的超级电容器，可以存储电能并达到10000次以上的稳定充放电循环。不过严格来说，超级电容器并不等同于电池，而是介于电池和电容之间的一种储能装置。简单来说，电池是将化学能转化为电能的装置，它通过在化学反应中将化学能转化为电子的形式来储存电能。其寿命有限，在能量转化的过程中会有损耗。电容器的工作原理，则是在两个电导板之间积聚电荷，通过电场来储存电能。而电容器储能和放电的过程不涉及化学反应，因此循环寿命很长，其充放电速度要比电池快得多。但因为电容器的能量密度较低，放电速度过快等局限性，限制了电容器的应用场景。而超级电容器，就是介于两者之间的一种特殊电容器，利用电极和电解质之间形成的静电双层来储存电荷，可以存储和释放比普通电容器更多的电能，并且可以比电池更快地充放电。之所以研究这样的超级电容器，省理工学院土木工程教授、这项研究的作者之一的弗朗茨（Franz-Josef Ulm）表示，因为太阳能和风能并不总是可用，迅速建造更多价格合理的储能设备是摆脱化石燃料的必要条件。而且超级电容器不会随着时间而降低储能能力，也不需要使用锂离子电池中那些昂贵、有争议的材料，如钴和锂。由于炭黑很便宜，其成本跟混凝土的成本差不多。极低的成本下，有着相当广阔的落地空间。比如应用在房屋建设中，通过电缆连接屋顶上的太阳能板，使用这种材料制成的地基可以用来储存与房屋一天内使用量相当的太阳能。房子就会变身成为一个巨大的充电宝，随用随储。这个团队的研究还发现，添加的炭黑越多，超级电容器存储的能量就越多，不过混凝土结构强度也会下降，所以可以针对所需混凝土结构的强度不同，来添加炭黑的比例造出不同的混凝土“电池”。不仅如此，在风力发电场中，它可以用于风力涡轮机的底座，这种混凝土还可以用来制造道路，可以在电动汽车经过该路面时为其提供非接触式充电。这就比较有意思了，在经过一系列研究石墨烯、炉子炼超导等大费周章的手段以后，这一次人们需要的，也许仅仅只是一台搅拌机。02仍在起步阶段其实这项技术并非刚刚问世，在2023年，麻省理工的这个团队就在《PNAS Nexus》杂志上发表了“混凝土电池”的文章，并且还做出了小型样品。该团队当时认为，一个家庭的平均每日用电量约为10千瓦时。根据计算，一块尺寸为45立方米（或码）的纳米炭黑掺杂混凝土，也就是一个约3.5米宽的立方体 ，储存一日所需能量绰绰有余。由它造成的房子还能一直存储太阳能发电或者风力发电带来的能量，而且它的特性决定充放电速度比我们现在常用的电池要快得多。只要有需要，无论什么物品，都可以自由使用它储备的电源。理论成立的情况下，他们也开始实操。在测试确定水泥、炭黑和水的最佳比例之后，该团队造出了一些和纽扣电池差不多大小的超级容电器。每个超级电容器可以充电到1伏特，连接其中三个就可以看到这些小东西点亮3伏发光二极管（LED）的能力。证明可行性之后，他们计划从建造一个大约12伏汽车电池大小的版本开始，慢慢增加到45立方米，而且他们还设想，用这种混凝土材料来铺路。借助感应技术，路过的电动汽车就可以边移动边充电。不过截至目前，这项技术仍处于起步阶段。他们目前验证的结论是，炭水泥超级电容器只能存储为10瓦的LED供电30小时的能量。此外，早在2021 年，瑞典查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）的一个团队称，已经研究出了可充电混凝土的雏形，与之前的容量相比，储存的电量增加了900%以上。他们的研究人员首先在以水泥为基础的混合物中加入少量的短碳纤维，然后在混合物中嵌入一个金属涂层的碳纤维网，铁为阳极、镍为阴极。和用土豆制作电池类似，这个装置被证明能够进行放电然后再充电。尽管采用新的设计其储能比之前的容量多出10倍。但实验中，该电池平均能量密度为每平方米7瓦时（或每升0.8瓦时），与商业电池相比能量密度很低。根据这项研究的联合作者Emma Zhang的发言，这个装置200平方米的储能仅可以供应一个典型美国家庭每日用电量的8%。显然，麻省理工的研究已经不再需要在混凝土中铺设网状电极，并且性能也比瑞典团队的装置更高。虽然说“混凝土电池”的研究仍处于实验室阶段，但是超级电容器的应用范围已经很广。在我们的日常生活中，像手机、相机、路灯、电动玩具等设备都可以见到超级电容器的身影。举个例子，由于其充放电速度快、重复使用次数多，超级电容器在轨道交通领域被广泛使用。2020年，上海市新增了89辆超级电容公交车，覆盖了中心城区的五条主要线路。这些公交车可以利用乘客上下车的间隙，1分钟的时间就能充满电，并且续航里程达到10-15千米。同样，它也被应用于分布式发电和配电网系统、军事设备、有轨电车等领域。可以预见，当我们攻克超级电容器存电量不足、工作电压较低等挑战后，“混凝土电池”才会落地有望。很多人的“家”，也能变成小型发电站了。 ... PC版： 手机版：

研究人员成功将废弃鸡脂肪转化为清洁能源

研究人员成功将废弃鸡脂肪转化为清洁能源 研究人员开发出一种将鸡脂肪转化为超级电容器碳基电极的新方法，为传统材料提供了一种环保型替代品。这一创新不仅解决了与现有存储设备相关的成本和环境问题，还提高了能源存储技术的性能和效率。全球正朝着更可持续的绿色能源方向发展，这增加了电力储备和对储能设备的需求。遗憾的是，用于这些设备的某些材料既昂贵又存在环境问题。利用通常被扔掉的东西生产替代储能设备有助于解决这些难题。现在，研究人员在《ACS 应用材料与界面》（ACS Applied Materials & Interfaces ）杂志上报告了一种将鸡脂肪转化为碳基电极的方法，这种电极可用于超级电容器，储存能量并为 LED 供电。这种提取的鸡脂肪为超级电容器创造了一种碳基材料。资料来源：Mohan Reddy Pallavolu根据国际能源机构的数据，2023 年，全球可再生能源发电能力将比上一年前所未有地增长近 50%。但是，这些多余的能源必须储存起来，以便日后从其生产中获益。例如，由于屋顶太阳能电池板供应过剩，加利福尼亚州的晴天最近引发了负能源价格。由于石墨烯等碳材料具有高效的电荷传输和天然丰富的资源，最近设计高性能存储设备的努力利用了这些材料，但其制造成本高昂，而且会产生污染和温室气体。为了寻找替代碳源材料，Mohan Reddy Pallavolu、Jae Hak Jung、Sang Woo Joo 及其同事希望开发一种简单、经济有效的方法，将废弃鸡脂肪转化为导电纳米结构，用于超级电容器储能装置。研究人员首先使用燃气火焰喷枪灼烧鸡肉中的脂肪，然后使用火焰灯芯法燃烧融化的油，就像使用油灯一样。然后，他们将油烟收集到悬浮在火焰上方的烧瓶底部。电子显微镜显示，烟尘中含有碳基纳米结构，它们是由同心石墨环组成的均匀球形晶格，就像洋葱的层状结构。研究人员测试了一种通过将碳纳米粒子浸泡在硫脲溶液中来增强其电气特性的方法。在这些非对称超级电容器中，当使用源自鸡肉的碳材料作为电极时，LED 可以点亮。资料来源：Mohan Reddy Pallavolu将鸡脂肪来源的碳纳米粒子组装到非对称超级电容器的负极中，可显示出良好的电容性和耐用性，以及高能量和功率密度。正如所预测的那样，当电极由硫脲处理过的碳纳米颗粒制成时，这些特性得到了进一步改善。研究人员随后演示了新型超级电容器的实时应用充电并连接两个超级电容器，点亮红色、绿色和蓝色 LED 灯。这些成果凸显了利用鸡脂肪等食物垃圾作为碳源，寻找更环保的绿色能源的潜在优势。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：