新型材料助力静电储能创新

静电电容器在现代电子技术中起着至关重要的作用。它们能够实现超快的充电和放电，为智能手机、笔记本电脑和路由器、医疗设备、汽车电子产品和工业设备等设备提供能量存储和电力。然而，电容器中使用的铁电材料由于其材料特性而具有显著的能量损失，使得难以提供高的储能能力

Sang Hoon Bae，圣路易斯华盛顿大学McKelvey工程学院机械工程和材料科学助理教授，在部署铁电材料用于储能应用方面解决了这一长期挑战

在4月18日发表在《科学》杂志上的一项研究中，Bae和他的合作者，包括机械工程与电子工程副教授Rohan Mishra；材料科学，和王，副教授，电气与电子；WashU的系统工程和麻省理工学院TDK材料科学与工程教授Frances Ross介绍了一种控制弛豫时间的方法；描述电荷消散或衰减所需时间的内部材料特性&mdash；使用2D材料的铁电电容器

博士生Justin S.Kim和博士后研究员Sangmoon Han与Bae合作开发了新型2D/3D/2D异质结构，可以最大限度地减少能量损失，同时保持铁电3D材料的有利材料特性

他们的方法将2D和3D材料夹在原子薄层中，每层之间都有精心设计的化学和非化学键。将非常薄的3D核心插入两个外部2D层之间以产生仅约30纳米厚的堆叠。这大约是平均病毒颗粒大小的十分之一

Bae说：“我们在实验室已经进行的2D材料创新的基础上创造了一种新的结构。”。“最初，我们并不专注于储能，但在探索材料特性的过程中，我们发现了一种新的物理现象，我们意识到这种现象可以应用于储能。这既非常有趣，也可能更有用。”

2D/3D/2D异质结构经过精心制作，处于导电性和非导电性之间的最佳位置，半导体材料具有最佳的储能电性能。根据这一设计，Bae和他的合作者报告称，其能量密度高达商用铁电电容器的19倍，效率超过90%，这也是前所未有的

随着世界努力应对向下一代电子元件过渡的紧迫性，Bae的新型异质结构材料为高性能电子设备铺平了道路，包括高功率电子设备、高频无线通信系统和集成电路芯片。这些进步在需要强大的电力管理解决方案的行业尤其重要，如电动汽车和基础设施开发

“我们还没有达到100%的最佳状态，但我们的表现已经超过了其他实验室。我们的下一步将使这种材料结构变得更好，这样我们就可以满足电容器中超快充放电和极高能量密度的需求。我们必须能够做到这一点，而不会因重复充电而失去存储容量，才能看到这种材料广泛应用于电动汽车等大型电子产品和其他发展中的绿色技术。”