静电电容器在现代电子产品中发挥着重要作用。它们能够实现超快速充放电，为智能手机、笔记本电脑和车用电子设备等提供储能和电力。然而，这种电容器中使用的铁电材料因其材料特性会出现明显的能量损失，因此难以提供高储能能力。
（图片来源：麦凯维工程学院）
据外媒报道，圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St. Louis）麦凯维工程学院（McKelvey School of Engineering）机械工程和材料科学助理教授Sang-Hoon Bae解决了在将铁电材料应用于储能方面的长期挑战。Bae及合作人员提出使用2D材料来控制铁电电容器驰豫时间的方法。驰豫时间是一种描述电荷耗散或衰减所需时间的内部材料特性。
研究人员开发出新型2D/3D/2D异质结构，可以充分减少能量损失，同时保留铁电3D材料的优势材料特性。这种方法巧妙地将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（3D core）插入两个外部2D层之间，从而形成厚度仅为约30纳米的叠层结构（stack），大约是平均病毒颗粒大小的十分之一。Bae表示：“基于在实验室中已完成的涉及2D材料的创新，研究人员创造了一种新的结构。最初我们并没有专注于能量存储，但在探索材料特性的过程中发现了一种新的物理现象，我们意识到这可以应用于储能。这非常有趣，可能也更有用。”
该2D/3D/2D异质结构经过精心设计，位于导电性和非导电性之间的最佳位置，其中半导体材料具有最佳的电性能来存储能量。研究人员报告，借助这种设计，它可以实现比商用铁电电容器高19倍的能量密度。另外，效率超过90%，这也是前所未有的。Bae表示：“研究人员发现，材料结构中非常小的间隙可以调整或诱导介电弛豫时间。这种新物理现象是我们之前从未见过的。这使我们能够以一种不会极化和失去电荷能力的方式操纵介电材料。”
随着全球努力向下一代电子元件过渡，这种新型异质结构材料为实现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。这些进展对于需要强大电源管理解决方案的行业尤其重要，例如电动汽车和基础设施开发。Bae表示：“从根本上说，此次开发的结构是一种新颖的电子材料，虽尚未达到100%的最佳状态，但已超过其他实验室的表现。下一步，研究人员将优化这种材料结构，以满足对电容器中超快速充放电和极高能量密度的需求。我们必须做到这一点，避免因反复充电而损失存储容量，才能看到这种材料广泛应用于大型电子产品，如电动汽车和其他正在发展的绿色技术。”
