近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所孟國文研究小組與中國科學技術大學教授宋禮及美國達拉華大學教授魏秉慶合作，設計出一種具有三維結構叉指納米電極的電介質電容器，相關研究結果以Dielectric capacitors with three-dimensional nanoscale interdigital electrodes for energy storage為標題發表在Science Advances (Sci. Adv. 2015, 1, e1500605)上。
電介質電容器是儲存電荷的“容器”，能夠為各種電器設備提供能量。與電池相比，電介質電容器功率密度高，能在瞬間提供巨大的電能。然而，電介質電容器的電荷僅存儲在電極表面，所以一般的電介質電容器儲存電荷能力較差（能量密度低），這也是制約電介質電容器實際應用的瓶頸。增大電極材料比表面積，能夠提高電介質電容器儲存電荷的能力。為此，人們普遍采用納米多孔材料作為電極材料，以提高其儲存電荷的能力。但用一般的納米結構做電極，很難大幅度提高電介質電容器的儲存電荷能力。
最近，固體所科研人員與宋禮及魏秉慶合作，巧妙地設計了一種具有三維結構叉指納米電極的電介質電容器。他們的設計思路如圖1所示，圖1A為普通的平板電容器，將兩對納米柱陣列從電容器的兩個平板相對插入，如圖1B所示。在該過程中，假設兩個電極板和位于其中間的介電層都能無限地供應材料且不破碎，則隨著兩對納米柱陣列的插入，最終可形成三維結構交叉指形電極（圖1C），然后去掉納米柱陣列，則形成了具有叉指電極的電介質電容器（圖1D）。在相同的宏觀（表觀）電極面積上，實際比表面積將大大增加，從而將大幅度提高電荷存儲能力。
為了制備具有三維結構叉指納米電極的電介質電容器（如圖2模型），研究人員以高純鋁片為原材料，先采用常規陽極氧化，緊接著用大電流快速陽極氧化，最后再從多孔氧化鋁膜的背面控制腐蝕，獲得了一種具有兩面開口的叉指形孔結構的氧化鋁膜(如圖2結構)，這種氧化鋁膜中含有兩組相互平行、開口方向相反的孔，且兩組孔相互隔絕互不相通。然后在這種叉指型孔氧化鋁膜的兩組孔中生長碳納米管陣列，獲得了這種新型結構的電介質電容器（如圖2）。在這種電容器中，具有高介電常數的多孔氧化鋁膜充當介電層，兩組叉指形分布的碳納米管是兩個對電極。
這種新型結構的電介質電容器，兩對電極均具有極大的比表面積，能有效存儲大量電荷；電介層是通過陽極氧化鋁自發形成的均勻厚度的孔壁及圓弧形的障礙層，確保了電容器具有很高的擊穿電壓，這些有利因素疊加起來，大幅度提高了電介質電容器的電荷存儲能力，試驗發現該電容器能量密度可達到2 Wh/kg，這是目前所有報道中的最高值。這種新型結構電介質電容器，有望作為電源或混合動力源，用于高功率或需要較高能量密度的相關領域。
相關研究結果在Science Advances 發表后，被美國科學促進會（AAAS）旗下全球科學新聞服務機構EurekAlert!、美國《每日科學》（Science daily）和世界科技研究新聞資訊網Phys. Org等十多家國際科技網絡作為研究亮點報道。
該工作得到科技部“973計劃”、中科院/國家外國專家局“創新團隊國際合作伙伴計劃”、國家自然科學基金及安徽省自然科學基金等項目的支持。
圖1. 從平板電容器向交叉指型電介質電容器轉變示意圖。
圖2. 具有三維結構碳納米管陣列叉指電極的電介質電容器設計模型、結構及表征。