电容器领域的重大突破将带来功率密度提高170倍的微电子技术

电容器领域的重大突破将带来功率密度提高170倍的微电子技术劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家们创造出了"微型电容器"，解决了这一缺陷。这些电容器由氧化铪和氧化锆的工程薄膜制成，采用了芯片制造中常用的材料和制造技术。它们的与众不同之处在于，由于使用了负电容材料，它们能够存储比普通电容器多得多的能量。电容器是电路的基本元件之一。电容器将能量储存在由绝缘材料（非金属物质）隔开的两块金属板之间形成的电场中。与通过电化学反应储存能量的电池相比，电容器可以快速供电，使用寿命更长。然而，这些优势的代价是能源密度大大降低。也许这就是为什么我们只见过鼠标等低功率设备采用这种技术，而笔记本电脑却没有的原因。此外，如果将它们缩小到微电容大小用于片上能量存储，问题只会更加严重。研究人员通过设计HfO2-ZrO2薄膜来实现负电容效应，从而克服了这一难题。通过对成分进行恰到好处的调整，他们能够让这种材料在即使很小的电场作用下也能轻松极化。为了提高薄膜的储能能力，研究小组每隔几层HfO2-ZrO2就放置一层原子级氧化铝薄层，从而使薄膜厚度达到100纳米，同时保持了所需的性能。这些薄膜被集成到三维微型电容器结构中，实现了破纪录的性能：与当今最好的静电电容器相比，能量密度提高了9倍，功率密度提高了170倍。这是一个巨大的数字。伯克利实验室资深科学家、加州大学伯克利分校教授兼项目负责人赛义夫-萨拉赫丁（SayeefSalahuddin）说："我们获得的能量和功率密度远远高于我们的预期。我们多年来一直在开发负电容材料，但这些结果非常令人惊讶。"该技术有助于满足物联网、边缘计算系统和人工智能处理器等微型设备对小型化能源存储日益增长的需求。"有了这项技术，我们终于可以开始实现在极小尺寸的芯片上无缝集成能量存储和电力传输，"论文主要作者之一苏拉杰-切马（SurajCheema）说。"它可以开辟微电子能源技术的新领域。"这是一项重大突破，但研究人员并没有就此满足。现在，他们正在努力扩大这项技术的规模，并将其集成到全尺寸微芯片中，同时进一步提高薄膜的负电容。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435751.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435751.htm

工程师们制造出充电速度比锂离子电池快一亿倍的Cheema电容器

工程师们制造出充电速度比锂离子电池快一亿倍的Cheema电容器电容器由介电材料制成并在电场中存储能量。与利用化学反应来储存能量的电池相比，它们非常耐用，可以提供高功率水平和快速充电。但电容器的能量密度（在给定面积内可以存储的能量）通常远低于电池。这使得将它们缩小到芯片尺寸变得特别具有挑战性。一个工程师团队通过采用复合材料中出现的一些奇怪的电子特性来解决这个限制。他们制作了氧化铪和氧化锆的复合薄膜，该薄膜表现出自发电极化。一些区域是铁电性的，所有偶极子都指向相同的方向，而另一些区域是反铁电性的，偶极子指向多个方向，因此这些区域无法存储电荷。当对这些材料施加电场时，反铁电区域会转变，变成铁电体，并且薄膜可以存储大量电荷——比严格的铁电材料多得多。麻省理工学院的材料科学家SurajCheema表示，这种所谓的负电容效应意味着“你可以获得更多的电荷存储”。Cheema是加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授SayeefSalahuddin博士后期间开发新型微电容器设备的团队的一员。但仅靠负电容不足以制造具有高能量密度的微电容器——这些层只有2纳米厚。该团队必须弄清楚如何使这些薄膜更厚，同时保持其负电容背后的独特晶体结构。他们能够通过分层一些非晶态氧化铝来构建100纳米厚的电容器。该中断层从每个覆盖层中“隐藏”介电材料的结构，确保整个材料保持正确的晶体结构。为了在不增加面积的情况下进一步提高这些设备的能量密度，研究人员使用了当今DRAM单元电容器中常见的设计。这些3D结构是在硅芯片表面挖出的U形沟槽。该设计在给定的占地面积内包含了更多的电荷存储材料。沟槽电容器可以通过原子层沉积（ALD）来制造。该技术与半导体制造兼容，但很难扩大规模，为电动汽车等产品制造更大的电容器。Cheema表示，微型电容器每平方厘米可存储80毫焦耳的能量，仅比锂离子电池小一个数量级。但是，虽然微型电池在高端只能充电1,000次，但这些微型电容器可以充电数十亿次。Cheema说，它们的充电速度快了一亿倍。“这是一种智能工程方法，导致能量密度取得重大进步，”未参与这项工作的德雷克塞尔大学材料科学家尤里·戈戈西(YuryGogotsi)说道。他后来在电子邮件中补充道，“考虑到每部手机中约有1,000个多层陶瓷片式电容器，一辆汽车中约有3,000至8,000个，这项技术的影响可能非常重大。”就目前的形式而言，该技术可用于增加DRAM中的电荷存储。这些设备还可用于使电源更接近计算机芯片上的处理器，从而节省目前在运输过程中损失的能源。如果电容器可以按比例放大，它们可以在机器人和手机等大型设备中得到应用。Cheema目前正在利用麻省理工学院林肯实验室的设施，将这些单独的微电容器连接起来，制造更大的能量存储设备。能量密度可以用平方厘米来测量，但到目前为止他们只制造了50微米x1微米的设备。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430961.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430961.htm

超微型超级电容器：改变游戏规则的储能奇迹

超微型超级电容器：改变游戏规则的储能奇迹印度科学研究院（IISc）仪器与应用物理系（IAP）的研究人员设计出了一种新型超微超级电容器，这是一种能够存储大量电荷的微型装置。它比现有的超级电容器更小、更紧凑，可用于从路灯到消费电子产品、电动汽车和医疗设备等多种设备。目前，这些设备大多由电池供电。然而，随着时间的推移，这些电池会失去储存电荷的能力，因此保质期有限。而电容器凭借其设计，可以存储更长时间的电荷。例如，一个工作电压为5伏的电容器在十年后仍能以相同的电压工作。但与电池不同的是，超级电容器不能持续放电，例如为手机供电。另一方面，超级电容器集电池和电容器的优点于一身，既能储存又能释放大量能量，因此在下一代电子设备中备受青睐。在最近发表在《ACSEnergyLetters》上的这项研究中，研究人员使用场效应晶体管（FET）作为电荷收集器，而不是现有电容器中使用的金属电极，制造出了他们的超级电容器。"使用场效应晶体管作为超级电容器的电极是调整电容器电荷的新方法，"该研究的通讯作者、IAP教授AbhaMisra说。设备示意图。资料来源：VinodPanwar和PankajSinghChauhan电容器设计的创新目前的电容器通常使用基于金属氧化物的电极，但它们受到电子迁移率低的限制。因此，米斯拉和她的团队决定制造混合型场效应晶体管，由二硫化钼（MoS2）和石墨烯的几原子厚层交替组成，以提高电子迁移率，然后与金触点相连。两个FET电极之间使用固体凝胶电解质，以构建固态超级电容器。整个结构建立在二氧化硅/硅基底上。米斯拉说："设计是关键部分，因为你要整合两个系统。这两个系统是两个场效应晶体管电极和凝胶电解质（一种离子介质），它们具有不同的电荷容量。该研究的主要作者之一、IAP的博士生维诺德-潘瓦尔（VinodPanwar）补充说，制造这种装置以获得晶体管的所有理想特性具有挑战性。由于这些超级电容器非常小，没有显微镜是无法看到的，而且制造过程需要高精度和手眼协调。"VinodPanwar在无尘室中制作设备。资料来源：PragyaSharma性能和未来计划超级电容器制作完成后，研究人员通过施加各种电压测量了该装置的电化学电容或电荷保持能力。他们发现，在某些条件下容量增加了3000%。相比之下，仅含有MoS2而不含石墨烯的电容器在相同条件下容量仅提高了18%。今后，研究人员计划探索用其他材料替代MoS2能否进一步提高超级电容器的存储能力。他们补充说，他们的超级电容器功能齐全，可通过片上集成应用于电动汽车电池等储能设备或任何小型化系统中。他们还计划为超级电容器申请专利。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1392215.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1392215.htm

研究人员利用超级电容器部件制造新型钠离子电池

研究人员利用超级电容器部件制造新型钠离子电池钠离子电池并不新鲜，但近几年才开始受到重视。与锂电池相比，钠离子电池可以使用的材料更为丰富（多达1000种），而且价格低廉。它们也比锂离子电池安全得多，可以放电到0V-消除了因短路而导致热失控的可能性。然而，漫长的充电时间和不尽如人意的存储容量使钠离子电池一直处于边缘地位，但这一切很快就会改变。KAIST团队用超级电容器使用的材料取代了普通电池的阴极材料，从而制造出了一种高能量、高功率、可快速充电的混合钠电池。此外，还对阳极进行了调整以提高容量，并采用了一种合成优化电极材料的方法。根据Kang的说法，他们的解决方案的能量密度超过了市面上的锂离子电池，同时还具有电容器的输出密度特性。作为下一代存储设备，它可以在几秒到几分钟内完成充电，因此非常适合用于各种电子产品。对于制造电动汽车的汽车制造商来说，它也可能改变游戏规则，使他们能够降低成本，同时提供只需几分钟就能完全充电的汽车。幸运的话，这项技术最终会从实验室走向现实世界。研究小组的研究成果发表在《科学直通车》（ScienceDirect）杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428525.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428525.htm

铜峰电子：拟投资 1.67 亿进行电容器用薄膜生产一线技术改造

铜峰电子：拟投资1.67亿进行电容器用薄膜生产一线技术改造铜峰电子公告，公司计划对电容器用薄膜生产一线进行技术改造，总投资额为1.67亿元，其中固定资产投资1.51亿元，流动资金1500万元。项目将升级改造原有厂房设施，引进新生产线，预计年产聚丙烯薄膜2800吨及1484吨再生粒子。改造旨在提升生产效率、降低成本、增强产品竞争力，符合公司发展规划，对未来发展具有积极影响。项目可能面临宏观经济波动、市场竞争等风险，公司将采取市场分析、提升产品质量等措施应对。

储能领域的新突破：麻省理工学院工程师用古老材料制造出超级电容器

储能领域的新突破：麻省理工学院工程师用古老材料制造出超级电容器麻省理工学院的工程师们用古老而丰富的材料制造出了一种"超级电容器"，可以储存大量能量。这种装置仅由水泥、水和炭黑（类似于木炭粉末）制成，可作为储存间歇性可再生能源（如太阳能或风能）的廉价系统的基础。图片来源：Franz-JosefUlm、AdmirMasic和Yang-ShaoHorn提供研究人员发现，这两种材料可以与水结合，制成超级电容器（电池的替代品），从而提供电能存储。开发该系统的麻省理工学院研究人员举例说，他们的超级电容器最终可以安装在房屋的混凝土地基中，这样就可以储存一整天的电能，同时几乎不增加（或减少）地基的成本，还能提供所需的结构强度。研究人员还设想了一种混凝土路面，可以在电动汽车经过该路面时为其提供非接触式充电。麻省理工学院教授弗朗茨-约瑟夫-乌尔姆（Franz-JosefUlm）、阿米尔-马西奇（AdmirMasic）和杨-邵-霍恩（Yang-ShaoHorn）以及麻省理工学院和威斯研究所的其他四位教授在最近发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上的一篇论文中介绍了这项简单而创新的技术。从原理上讲，电容器是一种非常简单的装置，它由浸在电解液中的两块导电板组成，中间用薄膜隔开。当在电容器上施加电压时，电解液中的正电离子会聚集在带负电的板上，而带正电的板则会聚集带负电的离子。由于板间的薄膜阻挡了带电离子的迁移，电荷的分离在板间产生了电场，电容器就带电了。两块极板可以长时间保持这对电荷，并在需要时迅速释放电荷。超级电容器是一种能够存储超大电荷的电容器。电容器可存储的电量取决于其导电板的总表面积。该研究小组开发的新型超级电容器的关键在于一种生产水泥基材料的方法，由于水泥基材料的体积内存在密集、相互连接的导电材料网络，因此这种材料具有极高的内表面积。研究人员将导电性极强的炭黑与水泥粉和水一起引入混凝土混合物中，并让其固化，从而实现了这一目标。水与水泥反应后，自然会在结构上形成一个由开口组成的分支网络，而碳则会迁移到这些空间中，在硬化的水泥中形成类似导线的结构。这些结构具有类似分形的结构，较大的分枝长出较小的分枝，这些分枝又长出更小的分枝，如此循环，最终在相对较小的体积内形成了极大的表面积。然后，将这种材料浸泡在标准电解质材料（如氯化钾，一种盐）中，从而在碳结构上积聚带电粒子。研究人员发现，由这种材料制成的两个电极之间隔着一层薄薄的空间或绝缘层，可以形成一个非常强大的超级电容器。由于这种新型"超级电容器"混凝土可以保持强度，因此用这种材料做地基的房屋可以储存太阳能电池板或风车一天所产生的能量，并在需要时随时使用。图片来源：Franz-JosefUlm、AdmirMasic和Yang-ShaoHorn提供电容器的两块极板就像电压相当的充电电池的两极：与电池一样，当连接到电源时，能量会储存在极板中，然后当连接到负载时，电流会流回，从而提供电能。"这种材料令人着迷，"马西奇说，"因为你拥有世界上最常用的人造材料--水泥，它与炭黑结合在一起，而炭黑是一种众所周知的历史材料--《死海古卷》就是用它写成的。你拥有这些至少有两千年历史的材料，当你以特定的方式将它们结合在一起时，就会产生一种导电纳米复合材料，这时事情就变得非常有趣了。"他说："随着混合物的凝固和固化，水会通过水泥水化反应被系统地消耗掉，而这种水化反应会从根本上影响纳米碳粒子，因为它们是疏水的（拒水）。随着混合物的演变，炭黑会自组装成一根相连的导电线。这种工艺很容易复制，使用的材料价格低廉，在世界上任何地方都可以买到。实现渗碳网络所需的碳量非常少，仅占混合物体积的3%。"用这种材料制成的超级电容器在帮助世界向可再生能源过渡方面潜力巨大。无排放能源的主要来源--风能、太阳能和潮汐能--都是在不固定的时间输出的，往往与用电高峰期不一致，因此储存电能的方法至关重要。"现在非常需要大型能源存储设备，现有的电池过于昂贵，而且主要依赖锂等材料，而锂的供应有限，因此急需更便宜的替代品。"乌尔姆说："这正是我们的技术极具前景的地方，因为水泥无处不在。"研究小组计算出，一块45立方米（或码）大小的掺有纳米碳黑的混凝土（相当于一个直径约3.5米的立方体）足以存储约10千瓦时的能量，这相当于一个家庭平均每天的用电量。由于混凝土可以保持强度，因此用这种材料做地基的房屋可以储存太阳能电池板或风车一天的发电量，并在需要时随时使用。而且，超级电容器的充放电速度比电池快得多。经过一系列测试，确定了水泥、炭黑和水的最有效配比后，研究小组制作了小型超级电容器，与一些纽扣电池差不多大小，直径约1厘米，厚约1毫米，每个都能充至1伏特，相当于1伏特的电池。然后，他们连接了三个这样的电池，演示了它们点亮3伏发光二极管（LED）的能力。在证明了这一原理后，他们现在计划制造一系列更大的版本，从与典型的12伏汽车电池大小相当的版本开始，然后逐步扩大到45立方米的版本，以展示其存储一屋电力的能力。他们发现，这种材料的储存能力与其结构强度之间存在着折衷。通过添加更多的炭黑，产生的超级电容器可以存储更多的能量，但混凝土的强度会稍弱一些，这对于混凝土不发挥结构作用或不需要混凝土的全部强度潜力的应用可能是有用的。他们发现，对于地基或风力涡轮机底座结构件等应用，"最佳点"是混合物中约10%的碳黑。碳水泥超级电容器的另一个潜在应用是建造混凝土路面，这种路面可以储存路边太阳能电池板产生的能量，然后利用无线充电手机使用的同类技术将能量输送给沿路行驶的电动汽车。德国和荷兰的公司已经在开发一种相关的汽车充电系统，但使用的是标准电池。研究人员说，这种技术的最初用途可能是远离电网的孤立住宅、建筑或避难所，可以由连接在水泥超级电容器上的太阳能电池板供电。该系统具有很强的可扩展性，因为储能容量是电极体积的直接函数。乌尔姆说："可以从1毫米厚的电极扩展到1米厚的电极，通过这样做，基本上可以将储能能力从点亮LED几秒钟扩展到为整栋房子供电。"根据特定应用所需的特性，可以通过调整混合物来调整系统。对于汽车充电道路来说，需要非常快的充放电速度，而对于家庭供电来说有一整天的时间来充电，因此可以使用充电速度较慢的材料。因此，这确实是一种多功能材料。除了能以超级电容器的形式储存能量外，同一种混凝土混合物还可用作加热系统，只需向含碳混凝土通电即可。乌尔姆认为这是"展望混凝土作为能源转型一部分的未来的一种新方式"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387965.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387965.htm