隨著電子設(shè)備對(duì)能量密度的要求不斷提高，電容器成為難以小型化的關(guān)鍵組件。縮小電容器尺寸通常需要減薄介電層或減小電極表面積，這往往會(huì)導(dǎo)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(xiàng)研究中，由賓夕法尼亞州立大學(xué)主導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱，他們研發(fā)出一種由聚合物共混物制成的電容器，該電容器可在高達(dá) 250℃的溫度下工作，儲(chǔ)能能力約為傳統(tǒng)聚合物電容器的四倍。目前的先進(jìn)聚合物電容器通常僅能在約 100℃下工作，這意味著工程師在高功率電子設(shè)備中往往需要依賴龐大的冷卻系統(tǒng)。該研究團(tuán)隊(duì)已為這種聚合物電容器申請(qǐng)專利，并計(jì)劃將其推向市場(chǎng)。

電容器能釋放快速能量脈沖并穩(wěn)定電路電壓，是電動(dòng)汽車、航空航天電子、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和人工智能數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用的核心組件。然而，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)步，晶體管不斷小型化，而電容器、電感器等無源元件的縮放速度卻未能同步。

賓夕法尼亞州立大學(xué)電氣工程研究員、該研究作者張啟明表示：“在一些電力電子系統(tǒng)中，電容器的體積占比可達(dá) 30% 至 40%?！?這也解釋了為何縮小電容器尺寸至關(guān)重要。

性能超越單一材料的塑料共混物

研究人員將兩種商用工程塑料結(jié)合：聚醚酰亞胺（PEI），最初由通用電氣研發(fā)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備；以及 PBPDA，以優(yōu)異的耐熱性和電絕緣性著稱。在受控條件下共同加工時(shí)，這兩種聚合物會(huì)自組裝形成納米級(jí)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成電容器內(nèi)部的薄介電薄膜。這些結(jié)構(gòu)有助于抑制漏電，同時(shí)使材料在電場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)極化，從而提升儲(chǔ)能能力。

這種材料展現(xiàn)出異常高的介電常數(shù) —— 衡量材料儲(chǔ)能能力的指標(biāo)。大多數(shù)聚合物電介質(zhì)的介電常數(shù)約為 4，而新型共混聚合物電介質(zhì)的介電常數(shù)達(dá)到了 13.5。

張啟明說：“縱觀現(xiàn)有文獻(xiàn)，在這類聚合物體系中，尚未有人達(dá)到這一介電常數(shù)水平。將兩種常用聚合物結(jié)合，竟能實(shí)現(xiàn)如此性能，這讓很多人感到意外?！?/p>

由于該材料即使在高溫環(huán)境（如極端環(huán)境熱量或密集組件中的熱點(diǎn)）下仍能正常工作，由這種聚合物制成的電容器有望在更小的封裝中實(shí)現(xiàn)相同的儲(chǔ)能能力。

張啟明表示：“使用這種材料，制造相同性能的器件僅需約四分之一的材料。由于聚合物本身價(jià)格低廉，成本不會(huì)增加。同時(shí)，組件體積更小、重量更輕?！?/p>

聚合物共混物如何提升電容器性能

休斯頓大學(xué)聚合物研究主任阿拉姆吉爾?卡里姆（未參與賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究）表示，研究人員的發(fā)現(xiàn)是 “一項(xiàng)重大進(jìn)展”。“通常情況下，混合聚合物并不會(huì)使介電常數(shù)提升?！?/p>

卡里姆認(rèn)為，這種效應(yīng)可能源于聚合物部分分離時(shí)形成的納米級(jí)界面。“在 50:50 的混合比例下，聚合物并未完全融合，反而形成了巨大的界面面積。這些界面可能是產(chǎn)生異常電學(xué)行為的原因。”

勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室博士后研究員謝宗亮表示，如果該材料能夠大規(guī)模生產(chǎn)，將有助于解決高功率電子設(shè)備中的關(guān)鍵瓶頸。耐高溫電容器可降低冷卻需求，讓工程師在更小的系統(tǒng)中集成更多功率 —— 這對(duì)航空航天平臺(tái)、電動(dòng)汽車、電網(wǎng)和其他高溫環(huán)境而言是一大優(yōu)勢(shì)。

但將實(shí)驗(yàn)室技術(shù)轉(zhuǎn)化為商業(yè)化生產(chǎn)可能面臨挑戰(zhàn)。賓夕法尼亞州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)目前僅能生產(chǎn)小型介電薄膜，而工業(yè)電容器制造通常需要連續(xù)的薄膜卷材，長度可達(dá)數(shù)公里。

“工業(yè)界普遍青睞基于擠出的加工工藝，因?yàn)槠淇刂聘唵?、成本更低?！?謝說，“在保持相同結(jié)構(gòu)和性能的前提下，規(guī)模化生產(chǎn)長距離薄膜可能使問題復(fù)雜化。該技術(shù)具有潛力，但也面臨挑戰(zhàn)。”

盡管如此，研究人員表示，這一發(fā)現(xiàn)表明，使用常見材料仍可能突破新的性能極限。張啟明說：“研發(fā)材料只是第一步，但它向人們證明，這一技術(shù)壁壘是可以被打破的?！?/p>