在美国圣路易斯的华盛顿大学麦凯尔维工程学院的一项开创性研究中，在铁电电容器（ferroelectric capacitors）的开发方面取得了重大进展，有可能彻底改变能源存储技术。这项研究发表在《科学》杂志上，介绍了一种使用二维（2D）和三维（3D）材料组合的新结构，以解决铁电容器的长期挑战。

铁电电容器

铁电材料一直处于科学研究的最前沿，因为它们能够保持永久性的电极化（permanent electric polarization），这种极化可以通过应用外部电场来逆转。这种特性使它们非常适合用于电容器，在从智能手机和笔记本电脑到电动汽车和医疗设备，电容器都是必不可少的组件。然而传统上，铁电电容器的实际使用受到其运行过程中的巨大能量损失的阻碍。

传统的静电电容器提供超快的充电和放电能力，这对现代大功率系统和先进电子产品至关重要。然而，它们的储能效率并不总是达到标准，主要是由于铁电材料中典型的高残留极化，这导致能量耗散。

电容器设计的创新方法

该研究团队开发的创新方法包括通过将铁电材料（钛酸钡）夹在新型二维材料二硫化钼的各层之间来构建介电异质结构（dielectric heterostructure）。这种配置允许研究人员更有效地控制放松时间——电容器内电荷消散所需的时间。该方法旨在保持铁电材料的固有结晶性和最大限度地减少能量损失之间取得平衡，因为固有结晶性对电容器功能至关重要。

这种异质结构设计的电容器的能量密度为每立方厘米191.7焦耳，效率大于90%。这些指标不仅仅是数字；它们代表了电容器技术的重大飞跃，有可能影响许多行业。

减少能量损失和热量产生

该研究的一个关键重点是解决能量损失和相关余热问题。通过巧妙的材料选择和分层来微调放松时间，研究团队设法大幅减少了充电和放电周期中损失的能量。这种能源损耗的减少对于需要高效率和可持续性的应用至关重要，例如在电动汽车和可再生能源系统中。

选择二硫化钼作为二维材料尤为显著。二硫化钼以其出色的电气性能和形成超薄层的能力而闻名，在控制电荷积累的界面方面具有战略优势，进一步影响了电容器的整体效率。

未来应用

这项研究的影响是深远的。对于依赖快速高效供电的行业——从消费电子产品到大型工业应用——使用高能量密度和最小能量损失的铁电电容器的潜力特别有希望。此外，该技术可以在电动汽车和智能电网基础设施等绿色技术的发展中发挥关键作用，其中高效、可靠和快速的储能设备充电和放电至关重要。

展望未来，该团队并没有停留在他们的桂冠上。下一步包括进一步完善这种材料结构，以实现更高的能量密度和效率，并确保电容器能够承受多个充电周期，而不会损失容量。之后的目标是将这些先进的电容器从实验室带到现实世界的应用中，在那里它们可以对能量的存储和使用方式产生重大影响。