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（AdmirMasic）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-JosefUlm）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《PNASNexus》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（ChalmersUniversityofTechnology）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EmmaZhang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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434488.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434488.htm

伯克利实验室开发的新型微型电容器显示出创纪录的能量和功率密度

伯克利实验室开发的新型微型电容器显示出创纪录的能量和功率密度访问：NordVPN立减75%+外加3个月时长另有NordPass密码管理器微型电容器技术的突破劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）和加州大学伯克利分校的科学家们在克服这些挑战方面迈出了重要一步，最近在微型电容器中实现了创纪录的高能量和高功率密度。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见的材料和制造技术。他们的研究成果发表在《自然》（Nature）杂志上，可彻底改变下一代电子产品的片上能量存储和电力传输。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（SayeefSalahuddin）表示："我们已经证明，在由工程薄膜制成的微型电容器中存储大量能量是可能的，比普通电介质存储的能量要多得多。更重要的是，我们使用的材料可以直接在微处理器上进行加工。"这项研究是伯克利实验室为开发更高效的微电子学新材料和新技术所做的更广泛努力的一部分。在三维沟槽电容器结构中使用工程氧化铪/氧化锆薄膜制成的微型电容器--与现代微电子中使用的结构相同--实现了创纪录的高能量存储和功率密度，为片上能量存储铺平了道路。图片来源：NirmaanShanker/SurajCheema电容器基础知识与挑战电容器是电路的基本元件之一，但也可用于储存能量。与通过电化学反应储存能量的电池不同，电容器通过在两块被绝缘材料隔开的金属板之间建立的电场储存能量。在需要时，电容器可以快速放电，从而可以快速供电。此外，电容器不会因反复充放电循环而老化，因此寿命比电池长很多。不过，电容器的能量密度通常比电池低得多，这意味着它们在单位体积或重量上可存储的能量更少，而当试图将它们缩小到微型电容器大小用于片上能量存储时，这个问题只会变得更糟。SayeefSalahuddin（左）和NirmaanShanker在实验室。图片来源：MarilynSargent/伯克利实验室研究方法和结果研究人员通过精心设计HfO2-ZrO2薄膜来实现负电容效应，从而制造出革命性的微型电容器。通常情况下，将一种介电材料层叠在另一种介电材料之上会导致整体电容降低。但是，如果其中一层是负电容材料，那么整体电容实际上会增加。在早先的研究中，萨拉赫丁及其同事展示了利用负电容材料生产晶体管的方法，这种晶体管的工作电压大大低于传统的MOSFET晶体管。在这里，他们利用负电容生产出了能够存储更多电荷的电容器，因此也存储了更多能量。这些薄膜由HfO2和ZrO2混合制成，采用工业芯片制造的标准材料和技术进行原子层沉积。根据这两种成分的比例，薄膜可以是铁电性的，即晶体结构具有内置的电极化；也可以是反铁电性的，即通过施加电场可以使晶体结构进入极化状态。当成分调整得恰到好处时，给电容器充电产生的电场会使薄膜在铁电和反铁电秩序之间的临界点达到平衡，这种不稳定性会产生负电容效应，即使很小的电场也能轻易地使材料极化。萨拉赫丁课题组的博士后、论文的主要作者之一苏拉杰-切马（SurajCheema）说："在相变过程中，单元格确实希望被极化，这有助于在电场作用下产生额外的电荷。这种现象是负电容效应的一个例子，但可以把它看作是一种捕获比正常情况下更多电荷的方法。"为了提高薄膜的储能能力，研究小组需要增加薄膜厚度，同时又不使其松弛出受挫反铁电-铁电状态。他们发现，通过在每隔几层HfO2-ZrO2后穿插原子级氧化铝薄层，可以将薄膜厚度增加到100纳米，同时保持所需的特性。最后，研究人员与麻省理工学院林肯实验室的合作者合作，将薄膜集成到三维微型电容器结构中，在硅片上切割的深沟中生长精确分层的薄膜，长宽比高达100:1。这些三维沟槽电容器结构可用于当今的DRAM电容器，与平面电容器相比，其单位面积电容要高得多，从而实现了更大的微型化和设计灵活性。由此产生的器件具有破纪录的特性：与当今最好的静电电容器相比，这些微型电容器的能量密度高出9倍，功率密度高出170倍（分别为80mJ-cm-2和300kW-cm-2）。萨拉赫丁说："我们获得的能量和功率密度远远高于我们的预期。多年来，我们一直在开发负电容材料，但这些结果令人十分惊讶。"未来发展方向这些高性能微电容器有助于满足物联网传感器、边缘计算系统和人工智能处理器等微型设备对高效、微型化能源存储日益增长的需求。研究人员目前正在努力扩大技术规模，将其集成到全尺寸微芯片中，并推动基础材料科学的发展，以进一步提高这些薄膜的负电容。"有了这项技术，我们终于可以开始实现在芯片上无缝集成极小尺寸的能量存储和电力传输，"Cheema说。"它可以开辟微电子能源技术的新领域。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1431400.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1431400.htm

储能领域的新突破：麻省理工学院工程师用古老材料制造出超级电容器

储能领域的新突破：麻省理工学院工程师用古老材料制造出超级电容器麻省理工学院的工程师们用古老而丰富的材料制造出了一种"超级电容器"，可以储存大量能量。这种装置仅由水泥、水和炭黑（类似于木炭粉末）制成，可作为储存间歇性可再生能源（如太阳能或风能）的廉价系统的基础。图片来源：Franz-JosefUlm、AdmirMasic和Yang-ShaoHorn提供研究人员发现，这两种材料可以与水结合，制成超级电容器（电池的替代品），从而提供电能存储。开发该系统的麻省理工学院研究人员举例说，他们的超级电容器最终可以安装在房屋的混凝土地基中，这样就可以储存一整天的电能，同时几乎不增加（或减少）地基的成本，还能提供所需的结构强度。研究人员还设想了一种混凝土路面，可以在电动汽车经过该路面时为其提供非接触式充电。麻省理工学院教授弗朗茨-约瑟夫-乌尔姆（Franz-JosefUlm）、阿米尔-马西奇（AdmirMasic）和杨-邵-霍恩（Yang-ShaoHorn）以及麻省理工学院和威斯研究所的其他四位教授在最近发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上的一篇论文中介绍了这项简单而创新的技术。从原理上讲，电容器是一种非常简单的装置，它由浸在电解液中的两块导电板组成，中间用薄膜隔开。当在电容器上施加电压时，电解液中的正电离子会聚集在带负电的板上，而带正电的板则会聚集带负电的离子。由于板间的薄膜阻挡了带电离子的迁移，电荷的分离在板间产生了电场，电容器就带电了。两块极板可以长时间保持这对电荷，并在需要时迅速释放电荷。超级电容器是一种能够存储超大电荷的电容器。电容器可存储的电量取决于其导电板的总表面积。该研究小组开发的新型超级电容器的关键在于一种生产水泥基材料的方法，由于水泥基材料的体积内存在密集、相互连接的导电材料网络，因此这种材料具有极高的内表面积。研究人员将导电性极强的炭黑与水泥粉和水一起引入混凝土混合物中，并让其固化，从而实现了这一目标。水与水泥反应后，自然会在结构上形成一个由开口组成的分支网络，而碳则会迁移到这些空间中，在硬化的水泥中形成类似导线的结构。这些结构具有类似分形的结构，较大的分枝长出较小的分枝，这些分枝又长出更小的分枝，如此循环，最终在相对较小的体积内形成了极大的表面积。然后，将这种材料浸泡在标准电解质材料（如氯化钾，一种盐）中，从而在碳结构上积聚带电粒子。研究人员发现，由这种材料制成的两个电极之间隔着一层薄薄的空间或绝缘层，可以形成一个非常强大的超级电容器。由于这种新型"超级电容器"混凝土可以保持强度，因此用这种材料做地基的房屋可以储存太阳能电池板或风车一天所产生的能量，并在需要时随时使用。图片来源：Franz-JosefUlm、AdmirMasic和Yang-ShaoHorn提供电容器的两块极板就像电压相当的充电电池的两极：与电池一样，当连接到电源时，能量会储存在极板中，然后当连接到负载时，电流会流回，从而提供电能。"这种材料令人着迷，"马西奇说，"因为你拥有世界上最常用的人造材料--水泥，它与炭黑结合在一起，而炭黑是一种众所周知的历史材料--《死海古卷》就是用它写成的。你拥有这些至少有两千年历史的材料，当你以特定的方式将它们结合在一起时，就会产生一种导电纳米复合材料，这时事情就变得非常有趣了。"他说："随着混合物的凝固和固化，水会通过水泥水化反应被系统地消耗掉，而这种水化反应会从根本上影响纳米碳粒子，因为它们是疏水的（拒水）。随着混合物的演变，炭黑会自组装成一根相连的导电线。这种工艺很容易复制，使用的材料价格低廉，在世界上任何地方都可以买到。实现渗碳网络所需的碳量非常少，仅占混合物体积的3%。"用这种材料制成的超级电容器在帮助世界向可再生能源过渡方面潜力巨大。无排放能源的主要来源--风能、太阳能和潮汐能--都是在不固定的时间输出的，往往与用电高峰期不一致，因此储存电能的方法至关重要。"现在非常需要大型能源存储设备，现有的电池过于昂贵，而且主要依赖锂等材料，而锂的供应有限，因此急需更便宜的替代品。"乌尔姆说："这正是我们的技术极具前景的地方，因为水泥无处不在。"研究小组计算出，一块45立方米（或码）大小的掺有纳米碳黑的混凝土（相当于一个直径约3.5米的立方体）足以存储约10千瓦时的能量，这相当于一个家庭平均每天的用电量。由于混凝土可以保持强度，因此用这种材料做地基的房屋可以储存太阳能电池板或风车一天的发电量，并在需要时随时使用。而且，超级电容器的充放电速度比电池快得多。经过一系列测试，确定了水泥、炭黑和水的最有效配比后，研究小组制作了小型超级电容器，与一些纽扣电池差不多大小，直径约1厘米，厚约1毫米，每个都能充至1伏特，相当于1伏特的电池。然后，他们连接了三个这样的电池，演示了它们点亮3伏发光二极管（LED）的能力。在证明了这一原理后，他们现在计划制造一系列更大的版本，从与典型的12伏汽车电池大小相当的版本开始，然后逐步扩大到45立方米的版本，以展示其存储一屋电力的能力。他们发现，这种材料的储存能力与其结构强度之间存在着折衷。通过添加更多的炭黑，产生的超级电容器可以存储更多的能量，但混凝土的强度会稍弱一些，这对于混凝土不发挥结构作用或不需要混凝土的全部强度潜力的应用可能是有用的。他们发现，对于地基或风力涡轮机底座结构件等应用，"最佳点"是混合物中约10%的碳黑。碳水泥超级电容器的另一个潜在应用是建造混凝土路面，这种路面可以储存路边太阳能电池板产生的能量，然后利用无线充电手机使用的同类技术将能量输送给沿路行驶的电动汽车。德国和荷兰的公司已经在开发一种相关的汽车充电系统，但使用的是标准电池。研究人员说，这种技术的最初用途可能是远离电网的孤立住宅、建筑或避难所，可以由连接在水泥超级电容器上的太阳能电池板供电。该系统具有很强的可扩展性，因为储能容量是电极体积的直接函数。乌尔姆说："可以从1毫米厚的电极扩展到1米厚的电极，通过这样做，基本上可以将储能能力从点亮LED几秒钟扩展到为整栋房子供电。"根据特定应用所需的特性，可以通过调整混合物来调整系统。对于汽车充电道路来说，需要非常快的充放电速度，而对于家庭供电来说有一整天的时间来充电，因此可以使用充电速度较慢的材料。因此，这确实是一种多功能材料。除了能以超级电容器的形式储存能量外，同一种混凝土混合物还可用作加热系统，只需向含碳混凝土通电即可。乌尔姆认为这是"展望混凝土作为能源转型一部分的未来的一种新方式"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387965.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387965.htm

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（SayeefSalahuddin）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（SurajCheema）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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435751.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435751.htm

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》（ACSAppliedMaterials&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：MohanReddyPallavolu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，MohanReddyPallavolu、JaeHakJung、SangWooJoo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：MohanReddyPallavolu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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435382.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435382.htm

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SurajCheema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SayeefSalahuddin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(YuryGogotsi)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x1微米的设备。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430961.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430961.htm