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：

由超级电容供电的i-Rocks无线鼠标：充电3分钟可用一周 可航空托运

由超级电容供电的i-Rocks无线鼠标：充电3分钟可用一周 可航空托运 电容器的额定充电周期为 100000 次，而当代无线游戏鼠标使用的锂离子电池仅为 1000 次左右。最关键的是，电容器比电池更轻，而且不受锂离子电池的旅行和运输限制，不需要把这款鼠标放在随身携带的行李中，在机场办票时也可以选择托运。i-Rocks表示他们还在开发基于超级电容的无线键盘。 ... PC版： 手机版：

新的充电算法可将锂离子电池的寿命延长一倍

新的充电算法可将锂离子电池的寿命延长一倍 柏林亥姆霍兹中心（HZB）和柏林洪堡大学的一个欧洲研究小组开发出一种替代充电方案，使锂离子电池的寿命比现在更长。研究结果表明，通过改变充电器向电解质材料输送电流的方式，电池在经过数百次放电-充电循环后仍能保持较高的能量容量。锂离子电池是一种结构紧凑、坚固耐用的能源容器，已成为人们的宠儿。电动汽车和电子设备都依赖于它们，但随着电解质穿过分隔阳极和阴极的薄膜，它们的容量会逐渐降低。目前最好的商业级锂离子电池使用的电极由一种名为 NMC532 的化合物和石墨制成，使用寿命长达 8 年。传统的充电方式是使用恒定电流（CC）的外部电能。研究分析了使用 CC 充电时电池样品的情况，发现阳极的固体电解质界面（SEI）"明显变厚"。此外，他们还在 NMC532 和石墨电极结构中发现了更多裂纹。较厚的 SEI 和电极上较多的裂缝意味着锂离子电池容量的显著损失。因此，研究人员开发了一种基于脉冲电流（PC）的充电协议。使用新的 PC 协议对电池充电后，研究小组发现 SEI 接口变薄了很多，电极材料发生的结构变化也更少。研究小组利用欧洲两个领先的粒子加速同步加速器设施"BESSY II"和"PETRA III"进行了脉冲电流充电实验。他们发现，PC 充电可促进石墨中锂离子的"均匀分布"，从而减少石墨颗粒中的机械应力和裂纹。该方案还能抑制 NMC532 阴极的结构退化。研究表明，方波电流的高频脉冲效果最好。测试表明，PC 充电可使商用锂离子电池的使用寿命延长一倍，容量保持率达到 80%。这项研究的共同作者、柏林工业大学教授 Julia Kowal 博士说："脉冲充电可以在电极材料和界面的稳定性方面带来许多优势，并大大延长电池的使用寿命。" ... PC版： 手机版：

中国研制钠离子电池扛住-40℃考验

中国研制钠离子电池扛住-40℃考验 央视财经微博7月24日消息，钠，以带电离子的形式广泛分布于海洋与陆地，通常与氯组合成盐出现在日常生活中，用它做电池前所未有。工程师欧阳楚英运用仿真程序，结合过往积累的大量实验数据，对元素周期表中的元素进行筛选、组合、模拟测试，大数据的加持，让电池的研发按下快进键。短短10个月内，欧阳楚英和他的助手们就通过数据手段筛选确认了钠离子电池的材料体系。 在-40℃的密封箱里，钠离子经电解质的传导，涌向负极完成充电，再返回正极，实现放电。不惧严寒的钠离子，自如地摇摆于正负极之间，怡然自得。数据显示，钠离子电池在不间断充放电2000次后，还能够健康地运行。不仅如此，数据还显示钠在低温时的流动性优异。欧阳楚英介绍，“它性能比较好的这种情况下，我们有可能就把它用到南极去，或者用到珠穆朗玛峰、喜马拉雅山上去。” 来源： via 匿名 标签: #钠离子电池 频道: @GodlyNews1 投稿: @GodlyNewsBot

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（Sayeef Salahuddin）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：Nirmaan Shanker/Suraj Cheema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。Sayeef Salahuddin（左）和 Nirmaan Shanker 在实验室。图片来源：Marilyn Sargent/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（Suraj Cheema）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 80 mJ-cm-2 和 300 kW-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： 手机版：

水电池有望5年内取代锂离子电池 不会燃爆、可回收再利用

水电池有望5年内取代锂离子电池 不会燃爆、可回收再利用 研究团队目前已经开发出用于钟表的硬币大小的水基电池原型，以及类似于AA或AAA电池的圆柱形电池。电池通过产生从电池的正极（阴极）到负极（阳极）的电子流来储存能量。当电子向相反方向流动时，它们会消耗能量，电池中的液体是用来在两端之间来回传递电子的。在水电池中，电解液是加了一些盐的水，而不是硫酸或锂盐之类的东西。目前，这种电池的使用寿命与市场上的锂离子电池相当，能量密度约为每公斤75瓦时，约为最新款特斯拉汽车电池的30%，未来通过开发新型纳米材料作为电极还有望再次提高能量密度。此外，这种电池制作工艺简单，所用材料在自然界中含量丰富，价格低廉，毒性更低。科学家称，短期1到3年内有望替代铅酸电池，5到10年内有望取代锂离子电池。 ... PC版： 手机版：