开发纳米片技术以增强储能介电电容器

名古屋大学可持续材料与系统研究所 (IMaSS) 的 Minoru Osada 教授领导的研究小组与 NIMS 合作，开发出了一种具有迄今为止最高储能性能的纳米片器件。他们的研究结果发表在《纳米快报》上。

储能技术的创新对于可再生能源的有效利用和电动汽车的大规模生产至关重要。当前的储能技术，例如锂离子电池，存在充电时间长和问题，包括电解质降解、寿命，甚至不必要的点火。

一种有前途的替代方案是介电储能电容器。电容器的基本结构是由两个被固体介电膜隔开的金属电极制成的三明治状薄膜。电介质是通过称为极化的物理电荷位移机制存储能量的材料。当向电容器施加电场时，正电荷被吸引向负极。负电荷被吸引向正极。然后，存储电能取决于施加外部电场时介电膜的极化。

Osada 表示：“介质电容器具有许多优点，例如充电时间短(仅需几秒)、寿命长、功率密度高。” 然而，当前电介质的能量密度远远不能满足日益增长的电能需求。提高能量密度将有助于介电电容器与其他储能设备竞争。

由于介质电容器中存储的能量与极化量有关，因此实现高能量密度的关键是向高介电常数材料施加尽可能高的电场。然而，现有材料受到其能够处理的电场量的限制。

为了超越传统的介电研究，该小组使用了由钙、钠、铌和氧制成的具有钙钛矿晶体结构的纳米片层。“钙钛矿结构被称为铁电体的最佳结构，因为它具有优异的介电性能，例如高极化，”Osada 解释道。“我们发现，通过利用这种特性，可以将高电场施加到高极化的介电材料上，并无损失地转化为静电能，从而实现有史以来最高的能量密度。”

研究小组的研究结果证实，纳米片介电电容器在保持相同高输出密度的同时，能量密度提高了1-2个数量级。令人兴奋的是，基于纳米片的介电电容器实现了高能量密度，在多个使用周期中保持稳定性，甚至在高达 300°C 的高温下也保持稳定。

“这一成果为介电电容器的开发提供了新的设计指南，有望应用于利用纳米片高能量密度、高功率密度、充电时间短等特点的全固态储能器件。几秒钟、长寿命和高温稳定性，”Osada 说。“介电电容器能够在极短的时间内释放存储的能量并产生强烈的脉冲电压或电流。这些功能在许多脉冲放电和电力电子应用中非常有用。除了混合动力电动汽车之外，它们还可用于高功率加速器和高功率微波设备。”