图片描述：上图为沉降在塑料衬底上待测试的新型混合溶胶-凝胶材料样品。图片来源：John Toon, Georgia Tech

　　随着人们对移动设备电源的续航能力要求不断增加，开发高效率、高性能蓄电材料的需求已变得越来越迫切。由于具备充放电响应时间短、蓄能大、功率调节等特点，介电材料已在国防、医疗和商业等领域得到广泛应用。然而目前仍很难找到一种能够最大限度地提高介电常数、击穿强度、能量密度和能量提取效率的单一介电材料。

　　佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology） Center for Organic Photonics and Electronics（COPE）的Joseph Perry教授和他的同事们一直致力于寻找满足这些需求的其他电容器材料，但是进展并不理想。由于混合溶胶-凝胶材料在外加电场作用下的高定向极化，该材料有望用于高效的介电蓄能，因此研究小组决定对这些材料进行研究，使其用于新的电容器应用中。

　　通过利用混合二氧化硅溶胶-凝胶材料和辛基磷酸的自组装层，研究人员成功开发出一种电容器介质材料，该材料兼具优异的能量密度和功率密度，其蓄电能力足以与一些电池媲美。研究显示，涂有混合溶胶-凝胶电容器材料的铝化聚酯膜，可以反复轧制，还能保持很高的能量密度，由此可见其较高的韧性。但该材料存在较高的漏电流现象。为解决该问题，研究人员在混合溶胶-凝胶表面沉降了纳米级的单层自组装正辛基磷酸。虽然该单层材料厚度不足1纳米，却能起到绝缘的作用。

　　该新材料中，溶胶-凝胶薄膜含有与硅原子连接的极性基团，正辛基膦酸则起绝缘作用。这种双层结构能阻止电子注入到溶胶-凝胶材料中，从而具有漏电流小、击穿强度高和能效高的特点。Perry教授说：虽然人们对带有有机基团的溶胶-凝胶材料和膦酸等脂肪酸都非常熟悉，但据我们所知，将两种材料组合在一起构成高能量密度的电能储存装置，该材料在世界上尚属首创。

　　研究人员证实，该结构在电场强度830伏/微米和功率密度520瓦/立方厘米的状态下，可提取的最大能量密度达40焦耳/立方厘米，能量提取效率高达72%。虽然该结构与电子设备和电动汽车中常用的锂电池无法相比，但其性能超越了传统的电解电容器和薄膜锂电池。Perry表示，这是电容器在能量密度上首次超过电池，兼具高能量密度和功率密度的电容器十分罕见。

　　Perry所在实验室的研究人员一直致力于把体积较小的溶胶-凝胶电容器制成阵列（在大约一英寸见方的小基板上进行实验），收集相关数据来了解该材料的性能。Perry解释道：为了了解极性基团随外加电场的稳定排布情况，我们对样品施加电场，发现其偏振响应成线性关系。这正是我们希望在电容器介质材料中看到的结果。

　　研究人员的下一步计划是扩大材料尺寸，观察其是否仍具备很好的性能。如果性能良好，Perry希望通过创建一个公司或 SBIR 项目将该材料商用化。研究人员表示，他们的介电材料系统具备简单完整的解决方案，这为在灵活的平台上制作大尺寸装置提供了可能性。同时这项工作强调，控制电极-电介质的分界面，对促进蓄能介电材料的性能最大化具有重要作用。

　　如果该材料的尺寸可以做得更大，那么由它制成的设备就可以超越传统的电解电容器，在电磁推进技术、电动汽车和电震发生器等领域得到应用。由于电容器可以提供瞬间大电流，所以其常作为电池的补充设备而应用于以上领域中。（科学之家，译审/编辑：F Ma）关注科学之家微信公众号：kexuehome 收取新鲜科学资讯