校園生活：邁向超高能量密度電容器
如今家長們都非常關(guān)心科學教育問題，不管是國內(nèi)的科學教育還是國外的科學教育都成為了眾多家長關(guān)心的問題，那么既然現(xiàn)在大家都非常關(guān)心科學教育問題，那么小編今天就為大家推薦一些與科學教育相關(guān)的文章來分享給大家吧，有興趣的話可以認真閱讀下列的內(nèi)容哦。
快速存儲和釋放電能的電容器是現(xiàn)代電子和電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。但是，與其他存儲系統(tǒng)(如電池或燃料電池)相比，最常用的能量密度較低，而這些存儲系統(tǒng)又無法在不遭受損壞的情況下快速放電和充電。
現(xiàn)在，正如《科學》雜志上報道的那樣，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩全其美的方法。由能源部(DOE)勞倫斯伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)的研究人員領(lǐng)導的團隊通過在簡單的后處理步驟中將隔離的缺陷引入到某種類型的市售薄膜中，證明了可以加工通用材料成為性能最高的儲能材料。
這項研究得到了“材料計劃”的支持，“材料計劃”是一個開放訪問的在線數(shù)據(jù)庫，實際上為全球科學家提供了最大的材料特性**。如今，材料項目將計算和實驗工作結(jié)合在一起，以加快新功能材料的設(shè)計等目標。這包括了解以改進已知材料的方式操縱已知材料的方法。
對于降低成本和減小設(shè)備小型化的日益增長的需求推動了對高能量密度電容器的開發(fā)。電子設(shè)備中通常使用電容器來為電池充電時保持供電。伯克利實驗室開發(fā)的新材料最終可以將電容器的效率，可靠性和堅固性與大型電池的儲能能力結(jié)合在一起。應(yīng)用包括個人電子設(shè)備，可穿戴技術(shù)和汽車音頻系統(tǒng)。科普故事
該材料基于所謂的“松弛鐵電體”，它是一種陶瓷材料，對外部電場會產(chǎn)生快速的機械或電子響應(yīng)，通常在超聲波，壓力傳感器和電壓發(fā)生器等應(yīng)用中用作電容器。 。
所施加的場驅(qū)動材料中電子取向的變化。同時，磁場驅(qū)使材料中存儲的能量發(fā)生變化，使其成為使用小型電容器之外的良好候選材料。要解決的問題是如何優(yōu)化鐵電體，使其可以充電至高壓并快速放電(數(shù)十億次或更多次)，而又不會造成損壞，因此不適合在計算機和車輛等應(yīng)用中長期使用。
萊恩·馬丁實驗室的研究人員是伯克利實驗室材料科學部(MSD)的研究員，也是加州大學伯克利分校的材料科學與工程學教授，他通過引入局部缺陷使其能夠承受更大的電壓來實現(xiàn)了這一目標。 。
馬丁解釋說：“您可能已經(jīng)在煤氣烤爐上體驗了弛張鐵電體。點燃格柵的按鈕操作著一個彈簧錘，該錘敲擊壓電晶體，這是一種弛張器，并產(chǎn)生可點燃燃氣的電壓?！??！拔覀円呀?jīng)證明，它們也可以被制成一些用于儲能應(yīng)用的最佳材料?！?/p>
在兩個電極之間放置鐵電材料并增加電場會導致電荷積聚。在放電過程中，可用的能量取決于材料電子響應(yīng)電場而定向或極化的強度。然而，大多數(shù)這樣的材料通常在材料失效之前不能承受大的電場。因此，根本的挑戰(zhàn)是找到一種在不犧牲極化的情況下增加最大可能電場的方法。
研究人員轉(zhuǎn)向他們先前開發(fā)的一種“關(guān)閉”材料電導率的方法。通過用被稱為離子的高能帶電粒子轟擊薄膜，它們能夠引入孤立的缺陷。缺陷會俘獲材料的電子，阻止其運動，并使薄膜的電導率降低幾個數(shù)量級。
“在應(yīng)該是絕緣體的鐵電體中，電荷通過它們泄漏是一個主要問題。通過用高能離子束轟擊鐵電體，我們知道我們可以使它們成為更好的絕緣體，”博士研究員Jiun Kim說。在馬丁的小組中，論文的主要作者?！叭缓笪覀儐?，我們是否可以使用相同的方法使弛豫鐵電在災(zāi)難性失效之前能承受更大的電壓和電場?”
答案是“是”。Kim首先制造了一種典型的弛豫鐵電薄膜，稱為鈮鎂鉛-鈦酸鉛。然后，他在伯克利實驗室加速器技術(shù)和應(yīng)用物理(ATAP)部門運營的離子束分析設(shè)施中，將具有高能氦離子的薄膜作為目標。氦離子將目標離子從其位點敲除，形成點缺陷。測量表明，離子轟擊薄膜的儲能密度是先前報告值的兩倍以上，效率提高了50%。
馬丁說：“我們最初期望的效果主要是通過減少隔離點缺陷引起的泄漏。但是，我們意識到，由于某些缺陷而引起的極化電場關(guān)系的變化同樣重要。” “這種轉(zhuǎn)變意味著需要越來越大的施加電壓來產(chǎn)生最大的極化變化?！?結(jié)果表明，離子轟擊可以幫助克服高度極化和易碎之間的權(quán)衡。
相同的離子束方法還可以改善其他介電材料以改善能量存儲，并為研究人員提供一種工具來修復已經(jīng)合成的材料中的問題。金說：“很高興看到人們在他們的合成或生產(chǎn)過程不完美之后，就使用這些離子束方法來'修復'設(shè)備中的材料?！?/p>
