利用一种混合二氧化硅溶胶-凝胶材料和自组装普通脂肪酸层，研究人员开发出一种新型电容器介质材料，其电能存储容量足以与某些高能量密度和高功率密度的电池媲美。

如果该材料可以从实验室扩大到工业生产中，制备出的设备可以超越传统电解电容器，从而应用于电磁推进技术、电动汽车和去纤颤器等领域。因为可以快速提供大量的电流，这些领域中的电容器通常作为电池使用。

这种新材料由含有极性基团与硅原子的硅溶胶-凝胶薄膜和纳米自组装单层脂肪酸组成，单层脂肪酸提供绝缘特性。溶胶-凝胶材料中的双层结构电子块提供低漏电流、高击穿强度和高的能量提取效率。

佐治亚理工学院的化学和生物化学教授Joseph Perry指出：“有机溶胶-凝胶和膦酸等脂肪酸是众所周知的化学试剂，但是，这是首次将这两种材料结合成高密度的能量存储设备。”

该项研究由海军研究办公室和美国空军科学研究办公室支持，研究成果发表在《先进能源材料》上。

人们对高效、高性能的电力储能材料的要求越来越高，也越来越迫切地希望制备出满足电力需求的移动设备。介电材料能提供快速的充放电反应、高储能和功率调节性能，可以在国防、医疗和商业领域广泛应用。但具有挑战性的问题是如何能最大限度地提高介电材料的介电常数、击穿强度、能量密度和能量提取效率。

佐治亚理工学院有机光子学和电子学中心的Perry和他的同一直致力于满足这些需求的其他电容器材料的研究，但一直没有取得满意的进展。而这种混合型溶胶-凝胶材料由于在电场中具有极高的定向极化，作为能量储存介质具有很大的应用前景，因此该团队决定将这种材料作为新电容器的应用材料。

研究表明，使用一种镀铝聚酯薄膜涂敷在混合型溶胶-凝胶薄膜电容器材料上，电容器可以在保持高的能量密度的同时，滚动/反滚动若干次，这表明该材料具有柔性。但是，该材料仍然存在高电流泄漏现象。为了解决这一问题，他们将纳米自组装单层脂肪酸沉积在混合型溶胶-凝胶上，形成不到一个纳米厚的单层材料作为绝缘层。

如图所示为新型的混合溶胶-凝胶材料样本，该样本置于透明的塑料衬底中即将进行测试。（图片来源:佐治亚理工学院的John Toon）

Perry说：“该硅溶胶-凝胶法制备的材料是一种混合材料，由于它含有极性有机物，并附着在二氧化硅框架上，使得溶胶-凝胶法制备出的材料具有高的介电常数。在这种双层介质材料中，脂肪酸材料插入溶胶-凝胶层和注入铝层屏蔽电荷的溶胶-凝胶材料之间，是名副其实的双层混合材料，最大程度地重新定位极化并减少电荷的注入，改善了能量的提取。”

研究人员指出，这种材料的最大可利用能量密度高达40焦耳每立方厘米。当磁场强度达到830 V /微米，该材料的能量提取效率达到72%，功率密度达到520 W每立方厘米。其性能优于传统的电解电容器和锂离子薄膜电池，但是它与电子设备和车辆中常用的锂离子电池不匹配。

Perry说：“这是我首次看到电容器的能量密度优于电池的材料，这种材料所具有的高能量密度和高功率密度确实是世界上罕见的电容器。”

Perry实验室的研究人员一直利用溶胶-凝胶法在实验室制备小型的电容器材料，并进行性能测试。这种小型的电容器样品约一平方英寸大小。

Perry说：“当我们将电容器应用在电场中，其极化响应以线状方实呈现，即极化对在电场中以稳定的方式排列时，就可以形成理想的电容器介质材料。”

下一步，研究团队准备将该新型材料制备成大型的工业设备。一旦成功，Perry希望通过创业公司或SBIR项目将此材料商业化。

作者们在论文中写道：“我们研究的这种简单彻底的解决方案为介电材料系统的商业化和产业化提供了潜在的制作平台。该工作强调控制电极-电介质界面的最大化，这也是介电材料储能性能提高的重要措施。

——引自《新材料在线》