電容器，迎來顛覆性技術

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隨著電子產品對能量密度的要求越來越高，有一種元件的尺寸縮小一直面臨挑戰(zhàn)：電容器。制造更小的電容器通常需要減薄介電層或電極表面積，但這往往會導致功率下降。一種新型聚合物材料有望改變這一現(xiàn)狀。

2月18日發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究中，由賓夕法尼亞州立大學領導的研究團隊報告了一種由聚合物混合物制成的電容器，該電容器可在高達250°C的溫度下工作，同時儲能能力約為傳統(tǒng)聚合物電容器的四倍。目前先進的聚合物電容器通常只能在100°C左右的溫度下工作，這意味著工程師在高功率電子設備中通常需要依賴笨重的冷卻系統(tǒng)。該研究團隊已為這種聚合物電容器申請了專利，并計劃將其推向市場。

電容器能夠快速釋放能量并穩(wěn)定電路電壓，因此在從電動汽車、航空航天電子產品到電網基礎設施和人工智能數(shù)據中心等各種應用中都至關重要。然而，盡管隨著半導體制造技術的進步，晶體管的尺寸不斷縮小，但電容器和電感器等無源元件的尺寸縮小速度卻遠不及晶體管。

“在某些電力電子系統(tǒng)中，電容器的體積可以占到 30% 到 40% 。”賓夕法尼亞州立大學電氣工程研究員、該研究的作者張啟明解釋說，制造更小的電容器很重要。

一種比其各組分更強大的塑料混合物

研究團隊將兩種市售工程塑料結合起來：聚醚酰亞胺（PEI），最初由通用電氣公司開發(fā)并廣泛應用于工業(yè)設備；以及聚苯并吡咯烷酮（PBPDA），以其優(yōu)異的耐熱性和電絕緣性而聞名。在受控條件下進行加工時，這兩種聚合物會自組裝成納米級結構，并在電容器內部形成薄的介電膜。這些結構有助于抑制漏電，同時使材料在電場中能夠強烈極化，從而實現(xiàn)更大的儲能能力。

所得材料表現(xiàn)出異常高的介電常數(shù)——介電常數(shù)是衡量材料儲存電能能力的指標。大多數(shù)聚合物介電材料的介電常數(shù)約為4，但這項新研究中的混合聚合物介電材料的介電常數(shù)高達13.5。

張教授表示：“縱觀以往文獻，還沒有人能在這種類型的聚合物體系中達到如此高的介電常數(shù)。將兩種常用的聚合物結合在一起，就能獲得這樣的性能，這讓很多人感到驚訝。”

因為這種材料即使在高溫下也能保持性能——例如那些來自極端環(huán)境高溫或密集組件中熱點的電容器——用這種聚合物制成的電容器有可能在更小的封裝中存儲相同量的能量。

張教授說：“使用這種材料，制造同樣的設備只需要大約四分之一的材料。因為聚合物本身價格低廉，所以成本不會增加。同時，組件還可以做得更小更輕。”

聚合物混合物如何改善電容器的性能

休斯頓大學聚合物研究主任阿拉姆吉爾·卡里姆（Alamgir Karim ）表示，研究人員的發(fā)現(xiàn)“是一項重大進展”。卡里姆并未參與賓夕法尼亞州立大學的這項研究。“通常情況下，混合聚合物時，介電常數(shù)不會增加。”

Karim表示，這種效應很可能源于聚合物部分分離時形成的納米級界面。“當混合物的比例約為50:50時，聚合物無法完全混合，而是形成非常大的界面面積，”他說道。“這些界面可能就是異常電學行為的來源。”

如果這種材料能夠大規(guī)模生產，將有助于解決高功率電子產品的一個關鍵瓶頸。耐高溫電容器可以降低冷卻需求，使工程師能夠在更小的系統(tǒng)中集成更多功率——這對航空航天平臺、電動汽車、電網和其他高溫環(huán)境來說都是一大優(yōu)勢。

但勞倫斯伯克利國家實驗室的博士后研究員謝宗亮表示，將這一概念從實驗室方法轉化為商業(yè)化生產可能面臨挑戰(zhàn)。賓夕法尼亞州立大學的研究團隊目前正在生產小型介電薄膜，但工業(yè)電容器制造通常需要連續(xù)的卷材，其長度可達數(shù)公里。

謝先生表示：“工業(yè)界通常更傾向于擠出成型工藝，因為它更容易控制，成本也更低。但要在保持相同結構和性能的前提下，大規(guī)模生產長薄膜可能會使問題變得復雜。這其中蘊藏著潛力，但也極具挑戰(zhàn)性。”

不過，研究人員表示，這項發(fā)現(xiàn)表明，利用現(xiàn)有材料仍有可能突破新的性能極限。“開發(fā)這種材料只是第一步，”張說，“但它向人們表明，這一障礙是可以打破的。”

（來源：編譯自IEEE）

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