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随着电子产品对能量密度的要求越来越高，有一种元件的尺寸缩小一直面临挑战：电容器。制造更小的电容器通常需要减薄介电层或电极表面积，但这往往会导致功率下降。一种新型聚合物材料有望改变这一现状。
2月18日发表在《自然》杂志上的一项研究中，由宾夕法尼亚州立大学领导的研究团队报告了一种由聚合物混合物制成的电容器，该电容器可在高达250°C的温度下工作，同时储能能力约为传统聚合物电容器的四倍。目前先进的聚合物电容器通常只能在100°C左右的温度下工作，这意味着工程师在高功率电子设备中通常需要依赖笨重的冷却系统。该研究团队已为这种聚合物电容器申请了专利，并计划将其推向市场。
电容器能够快速释放能量并稳定电路电压，因此在从电动汽车、航空航天电子产品到电网基础设施和人工智能数据中心等各种应用中都至关重要。然而，尽管随着半导体制造技术的进步，晶体管的尺寸不断缩小，但电容器和电感器等无源元件的尺寸缩小速度却远不及晶体管。
“在某些电力电子系统中，电容器的体积可以占到 30% 到 40% 。”宾夕法尼亚州立大学电气工程研究员、该研究的作者张启明解释说，制造更小的电容器很重要。
一种比其各组分更强大的塑料混合物
研究团队将两种市售工程塑料结合起来：聚醚酰亚胺（PEI），最初由通用电气公司开发并广泛应用于工业设备；以及聚苯并吡咯烷酮（PBPDA），以其优异的耐热性和电绝缘性而闻名。在受控条件下进行加工时，这两种聚合物会自组装成纳米级结构，并在电容器内部形成薄的介电膜。这些结构有助于抑制漏电，同时使材料在电场中能够强烈极化，从而实现更大的储能能力。
所得材料表现出异常高的介电常数——介电常数是衡量材料储存电能能力的指标。大多数聚合物介电材料的介电常数约为4，但这项新研究中的混合聚合物介电材料的介电常数高达13.5。
张教授表示：“纵观以往文献，还没有人能在这种类型的聚合物体系中达到如此高的介电常数。将两种常用的聚合物结合在一起，就能获得这样的性能，这让很多人感到惊讶。”
因为这种材料即使在高温下也能保持性能——例如那些来自极端环境高温或密集组件中热点的电容器——用这种聚合物制成的电容器有可能在更小的封装中存储相同量的能量。
张教授说：“使用这种材料，制造同样的设备只需要大约四分之一的材料。因为聚合物本身价格低廉，所以成本不会增加。同时，组件还可以做得更小更轻。”
聚合物混合物如何改善电容器的性能
休斯顿大学聚合物研究主任阿拉姆吉尔·卡里姆（Alamgir Karim ）表示，研究人员的发现“是一项重大进展”。卡里姆并未参与宾夕法尼亚州立大学的这项研究。“通常情况下，混合聚合物时，介电常数不会增加。”
Karim表示，这种效应很可能源于聚合物部分分离时形成的纳米级界面。“当混合物的比例约为50:50时，聚合物无法完全混合，而是形成非常大的界面面积，”他说道。“这些界面可能就是异常电学行为的来源。”
如果这种材料能够大规模生产，将有助于解决高功率电子产品的一个关键瓶颈。耐高温电容器可以降低冷却需求，使工程师能够在更小的系统中集成更多功率——这对航空航天平台、电动汽车、电网和其他高温环境来说都是一大优势。
但劳伦斯伯克利国家实验室的博士后研究员谢宗亮表示，将这一概念从实验室方法转化为商业化生产可能面临挑战。宾夕法尼亚州立大学的研究团队目前正在生产小型介电薄膜，但工业电容器制造通常需要连续的卷材，其长度可达数公里。
谢先生表示：“工业界通常更倾向于挤出成型工艺，因为它更容易控制，成本也更低。但要在保持相同结构和性能的前提下，大规模生产长薄膜可能会使问题变得复杂。这其中蕴藏着潜力，但也极具挑战性。”
不过，研究人员表示，这项发现表明，利用现有材料仍有可能突破新的性能极限。“开发这种材料只是第一步，”张说，“但它向人们表明，这一障碍是可以打破的。”
（来源：编译自IEEE）
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