勞倫斯伯克利國家實驗室/圖
電容器是現(xiàn)代電子和電力系統(tǒng)的重要組成部分，能夠快速存儲和釋放電能。不過，與電池或燃料電池等其他儲能系統(tǒng)相比，最常用的電容器通常能量密度較低，反過來不能在持續(xù)工作的情況下快速充放電。
現(xiàn)在，據(jù)外媒報道，美國能源部（DOE）勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個小組通過在后處理步驟中，在商用薄膜中引入隔離缺陷，可以將一種常用材料加工成表現(xiàn)良好的儲能材料。
人們對降低成本和小型器件的需求不斷增長，也推動了高能量密度電容器的發(fā)展。電容器通常用于電子設(shè)備中，在電池充電時持續(xù)供應(yīng)電源。伯克利實驗室研發(fā)的新材料最終可以將電容器的效率、可靠性和魯棒性與大型電池的儲能能力結(jié)合起來，應(yīng)用于個人電子設(shè)備、可穿戴技術(shù)和汽車音頻系統(tǒng)等。
研究人員研發(fā)的此種材料是一種陶瓷材料，基于“馳豫鐵電體”（relaxor ferroelectric）制成，能夠?qū)ν獠康碾妶隹焖佼a(chǎn)生機械或電子反應(yīng)，通常用于超聲波、壓力傳感器和電壓發(fā)生器等應(yīng)用中的電容器。
所施加的電場會促進材料中電子方向發(fā)生改變，同時，電場還驅(qū)動了存儲在材料中的能量的變化，使其不止可用于小型電容器中。要解決的問題是如何優(yōu)化鐵電體，讓其能夠以高電壓快速充放電（數(shù)十億次或更多次），且不會持續(xù)造成損害，從而可長期用于電腦和汽車等應(yīng)用。
研究人員表示：“人們可能在煤氣爐上看過馳豫鐵電體，點亮爐子的按鈕會啟動一個彈簧錘，讓其敲擊壓電晶體（張弛振蕩器），并產(chǎn)生電壓點燃煤氣。我們已經(jīng)證明，此種材料也可成為一些性能很好的儲能材料。”
在兩個電極之間放置鐵電材料，增加電場就能夠增加電荷。在放電過程中，可用能量的大小取決于該材料的電子在電場作用下被定向或極化的強度。不過，大多數(shù)此種材料在失效之前通常無法承受很大的電場。因此，最根本的挑戰(zhàn)是找到一種方法，在不犧牲極化的情況下，盡可能地將電場的強度增加至最大。
于是，研究人員轉(zhuǎn)而采用之前研發(fā)的“關(guān)閉”材料導(dǎo)電性的方法。通過用高能帶電粒子——離子轟擊薄膜，可以引入隔離缺陷，此類缺陷可以捕獲材料的電子，阻止電子運動，并將薄膜的導(dǎo)電性降低多個數(shù)量級。
研究人員首先打造了由稱為鈮鎂鈦酸鉛的馳豫鐵電體原型制成的薄膜，然后在伯克利實驗室加速器技術(shù)和應(yīng)用物理部門（ATAP）的離子束分析設(shè)備中，用高能氦離子對薄膜進行定向。氦離子撞擊目標(biāo)離子，產(chǎn)生點缺陷。測量結(jié)果顯示，離子轟擊薄膜的能量儲存密度是之前報道的兩倍多，效率也提高了50%。
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