科學(xué)家設(shè)計出具有三維結(jié)構(gòu)叉指納米電極的電介質(zhì)電容器

作者： 2015年11月04日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 瀏覽量：
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近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所孟國文研究小組與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授宋禮及美國達(dá)拉華大學(xué)教授魏秉慶合作，設(shè)計出一種具有三維結(jié)構(gòu)叉指納米電極的電介質(zhì)電容器，相關(guān)研究結(jié)果以
　　近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所孟國文研究小組與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授宋禮及美國達(dá)拉華大學(xué)教授魏秉慶合作，設(shè)計出一種具有三維結(jié)構(gòu)叉指納米電極的電介質(zhì)電容器，相關(guān)研究結(jié)果以Dielectric capacitors with three-dimensional nanoscale interdigital electrodes for energy storage為標(biāo)題發(fā)表在Science Advances (Sci. Adv. 2015, 1, e1500605)上。
　　電介質(zhì)電容器是儲存電荷的“容器”，能夠?yàn)楦鞣N電器設(shè)備提供能量。與電池相比，電介質(zhì)電容器功率密度高，能在瞬間提供巨大的電能。然而，電介質(zhì)電容器的電荷僅存儲在電極表面，所以一般的電介質(zhì)電容器儲存電荷能力較差（能量密度低），這也是制約電介質(zhì)電容器實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。增大電極材料比表面積，能夠提高電介質(zhì)電容器儲存電荷的能力。為此，人們普遍采用納米多孔材料作為電極材料，以提高其儲存電荷的能力。但用一般的納米結(jié)構(gòu)做電極，很難大幅度提高電介質(zhì)電容器的儲存電荷能力。
　　最近，固體所科研人員與宋禮及魏秉慶合作，巧妙地設(shè)計了一種具有三維結(jié)構(gòu)叉指納米電極的電介質(zhì)電容器。他們的設(shè)計思路如圖1所示，圖1A為普通的平板電容器，將兩對納米柱陣列從電容器的兩個平板相對插入，如圖1B所示。在該過程中，假設(shè)兩個電極板和位于其中間的介電層都能無限地供應(yīng)材料且不破碎，則隨著兩對納米柱陣列的插入，最終可形成三維結(jié)構(gòu)交叉指形電極（圖1C），然后去掉納米柱陣列，則形成了具有叉指電極的電介質(zhì)電容器（圖1D）。在相同的宏觀（表觀）電極面積上，實(shí)際比表面積將大大增加，從而將大幅度提高電荷存儲能力。
　　為了制備具有三維結(jié)構(gòu)叉指納米電極的電介質(zhì)電容器（如圖2模型），研究人員以高純鋁片為原材料，先采用常規(guī)陽極氧化，緊接著用大電流快速陽極氧化，最后再從多孔氧化鋁膜的背面控制腐蝕，獲得了一種具有兩面開口的叉指形孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁膜(如圖2結(jié)構(gòu))，這種氧化鋁膜中含有兩組相互平行、開口方向相反的孔，且兩組孔相互隔絕互不相通。然后在這種叉指型孔氧化鋁膜的兩組孔中生長碳納米管陣列，獲得了這種新型結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)電容器（如圖2）。在這種電容器中，具有高介電常數(shù)的多孔氧化鋁膜充當(dāng)介電層，兩組叉指形分布的碳納米管是兩個對電極。
　　這種新型結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)電容器，兩對電極均具有極大的比表面積，能有效存儲大量電荷；電介層是通過陽極氧化鋁自發(fā)形成的均勻厚度的孔壁及圓弧形的障礙層，確保了電容器具有很高的擊穿電壓，這些有利因素疊加起來，大幅度提高了電介質(zhì)電容器的電荷存儲能力，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該電容器能量密度可達(dá)到2 Wh/kg，這是目前所有報道中的最高值。這種新型結(jié)構(gòu)電介質(zhì)電容器，有望作為電源或混合動力源，用于高功率或需要較高能量密度的相關(guān)領(lǐng)域。
　　相關(guān)研究結(jié)果在Science Advances 發(fā)表后，被美國科學(xué)促進(jìn)會（AAAS）旗下全球科學(xué)新聞服務(wù)機(jī)構(gòu)EurekAlert!、美國《每日科學(xué)》（Science daily）和世界科技研究新聞資訊網(wǎng)Phys. Org等十多家國際科技網(wǎng)絡(luò)作為研究亮點(diǎn)報道。
　　該工作得到科技部“973計劃”、中科院/國家外國專家局“創(chuàng)新團(tuán)隊國際合作伙伴計劃”、國家自然科學(xué)基金及安徽省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。 

圖1. 從平板電容器向交叉指型電介質(zhì)電容器轉(zhuǎn)變示意圖。

圖2. 具有三維結(jié)構(gòu)碳納米管陣列叉指電極的電介質(zhì)電容器設(shè)計模型、結(jié)構(gòu)及表征。

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