科學家意外發現新型電容器，電池能量密度可提高19倍，為電動車帶來希望

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科技產業資訊室 - 友子發表於 2024年5月14日

圖、科學家意外發現新型電容器，電池能量密度可提高19倍，為電動車帶來希望

聖路易斯華盛頓大學研究人員在無意間發現一種新型「異質結構」電容器，其能量密度比現有型號高出19倍，這是一項可以顯著延長電動車電池壽命的突破。這項進展最近發表在《科學》雜誌上，有可能為電動車、消費性電子技術和大規模能源儲存解決方案設立新標準。

由聖路易斯華盛頓大學助理教授Sang-Hoon Bae領導的團隊偶然發現了一種新的材料結構，該結構可以顯著減慢電容器中能量耗散的速度，而不會影響其快速充電能力。

與電池不同，電容器將電力儲存在電場中，從而可以快速充電和放電。此功能使它們非常適合需要快速供電的應用。其解釋「介電質的弛豫時間(Dielectric relaxation time)可以通過材料結構中非常小的間隙來調節或誘導。這種新的物理現象是以前從未見過的。它使我們能夠以一種不會極化和失去電荷能力的方式操縱介電材料。」

例如：智慧型手機通常使用電池供電，但當需要短暫供電時（例如相機閃光燈），則從電容器獲取能量。每部智慧型手機通常都有數百個電容器。

有些電容器使用鐵電材料來儲存能量。這些材料是自然極化的，可以透過施加電壓來反轉。當極化反轉時，即使電壓被移除，它也會像「記憶」一樣保留在電容器中。施加電源會反轉這些材料的極化，即使在電源移除後它們也能保持這種極化。然而，與電池相比，它們通常在較長時間內保持能量較差。

新結構處於導電性和非導電性之間的物理和化學平衡，使其能夠更有效地保留能量。研究人員偶然發現，核心中的微小間隙會增加弛豫時間（描述電容器失去電荷的時間）。

在每個異質結構中，2D和3D材料都在原子層面上分層，每層之間具有化學鍵和非化學鍵。整體結構的最大厚度僅30奈米，比人類頭髮絲（約90微米）薄約3,000倍，使得該技術的能量密度比現有電容器高出19倍。

如果大規模複製，該結構可以推動我們儲存和獲取能源方式的轉變，因為它將允許按需快速獲取能源，而不會犧牲長期儲存的穩定性。憑藉更高的能量密度，下一代電容器可以使快速充電電容器更多地用於需要長期儲存的設備。

對於能量密度和快速充電至關重要的電動車來說，這可能意味著電池壽命和性能的顯著提高。此外，該技術可以促進電容器在電網或私人工業應用中的使用，在這些應用中，快速、按需供電至關重要。

這項突破還有望增強能源儲存和取得方式的靈活性，有可能徹底改變電網規模的能源儲存以及智慧型手機和筆記型電腦等消費性設備。(972字；圖1）

參考資料：
EV batteries could last much longer thanks to new capacitors with 19-times higher energy density that scientists created by mistake. Live Science, 2024/05/08.
Inside the accidental tech that could bring us longer-lasing EV batteries. Driven Car Guide, 2024/05/12.

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