在寻求更高效、更可持续的能源解决方案的过程中，多所大学的研究团队在电容器技术方面取得了一个重要的里程碑。来自休斯敦大学、杰克逊州立大学和霍华德大学的研究人员开发出一种新型柔性高能量密度电容器，这是一种储存能量的装置。

尽管原型设备只有1英寸x1英寸，但这项创新的放大版本可能会彻底改变各个行业的储能系统，包括医疗、航空、汽车(EV)、消费电子和国防。

研究人员在《ACSNano》杂志上发表的题为“基于分层二维纳米填料的聚合物介电薄膜中的超高电容能量密度”的论文中分享了研究细节。

介电电容器是电子设备和储能系统的关键组件，以其快速释放大量能量的能力而闻名，这使得它们对于高功率应用至关重要。

“高能量和高功率电容器对于可靠的电源至关重要，特别是当我们转向使用更多的可再生能源时。然而，当前的介电电容器存储的能量不如其他类型的储能设备(例如电池)那么多与电池相比，电容器的更高功率密度使其对多种应用更具吸引力。”陶氏化学主席兼密歇根大学化学工程韦尔奇基金会教授兼团队导师AlamgirKarim说道。

电容器可以存储的能量取决于其介电常数(ε)和介电击穿强度(EBD)。“为了增加电容器的能量存储，我们需要改进两者，”他补充道。

在这项研究中，研究人员使用具有定向二维纳米填料的层状聚合物设计了一种新型电容器。他们使用机械剥离的二维材料薄片作为纳米填料。研究人员通过将这些材料排列在特定的层中，形成三明治状结构来提高电容器性能，从而最大限度地提高能量存储。由此产生的三明治超薄，比人的头发还细。与随机混合纳米填料的电容器相比，这种新设计显示出更高的性能、更高的能量密度和效率。

“我们的工作展示了通过使用定向二维纳米填料阻断聚合物材料中的电击穿路径来开发高能量和高功率密度电容器，”获得博士学位的ManinderjeetSingh说。去年，她获得了夏威夷大学化学工程博士学位，与杰克逊州立大学的PriyankaDas一起成为该论文的第一作者。“我们实现了约75J/cm³的超高能量密度，这是迄今为止聚合物介电电容器报道的最高能量密度。”

研究小组利用云母和六方氮化硼(hBN)等材料来证明控制二维纳米片方向在阻止电击穿路径方面的有效性。令人惊讶的是，即使使用最小体积分数(1%)的纳米填料，也观察到介电常数的显着增强。

卡里姆说：“在机械剥离和转移技术的帮助下，我们成功地实现了预期的方向。”他补充说，杰克逊州立大学的研究人员对该过程的这一部分至关重要。来自杰克逊州立大学的卡里姆·普拉丹(KarimPradhan)和尼哈尔·普拉丹(NiharPradhan)都是该论文的通讯作者。

鉴于研究人员首次展示了分层多层纳米复合材料在聚合物储能装置设计中的应用，Karim和霍华德大学纳米复合材料专家DharmarajRaghavan教授预计这些混合电容器将得到更广泛的应用未来的应用，并计划继续努力通过开发此类纳米复合材料中的连续有机-无机界面来扩展能量存储能力。

这些高能量密度电容器的潜在应用有很多。研究人员预计这些电容器最终将用于起搏器和除颤器等医疗设备，以及电子、电动汽车、电力系统等领域的应用。

“这项研究为二维聚合物纳米复合材料中的介电击穿和电荷极化现象提供了宝贵的见解，”现任哥伦比亚大学博士后研究科学家的辛格说。“我们相信，我们的研究结果将激发进一步的研究，以开发更高能量密度的电容器，为更清洁、更可持续的未来做出贡献。”

除了这一突破之外，该团队还一直在研究其他聚合物系统，包括聚合物拓扑操纵、聚合物接枝纳米粒子和层状嵌段共聚物，以寻求开发高能量密度电容器以实现清洁的未来。