电光石火之间——威力巨大的电介质储能
闪电是夏季常见的自然现象，是云层间静电势能的瞬间释放。一次闪电释放的电功率可达吉瓦量级，远超人类建设的大型电站。基于电介质储能的脉冲功率技术，就是在技术上实现人工可控的瞬间放电。
◇◆◇
当
代科学技术的进步离不开电的使用。相比传统的煤、石油和天然气等化石能源，电能具有清洁、便于长距离传输和使用方便等诸多优点。新能源，例如风能、太阳能、潮汐能等，也要先转化成电能才能使用。大大小小的工业部门和千家万户的日常生活，都离不开电。因此电能被称为现代工业技术的血液，也是人类发展的亲密战友。
在某些场合，人们希望把能量存储起来，在需要使用的瞬间再集中释放出来，产生高功率的能量脉冲，即实现能量的时间压缩，可用于受控核聚变、高功率微波武器、电磁弹射系统、民用的电动汽车等功率电子技术。适用于这些场合的竞争性技术包括电介质储能、电化学储能、飞轮机械储能等，它们各有所长、各擅胜场；而从功率、容量、体积、重量等方面综合考虑，电介质储能是最具发展潜力的一种技术，受到科学家和工程师的广泛关注。国家973计划也在2015年将电介质储能技术的若干基础问题列为重点资助方向。
▍兼容高功率与高储能密度
电介质储能指通过电介质极化的方式存储静电能，比如我们常见的陶瓷电容器、有机薄膜电容器等。这一点和电池不一样，电池是把电能转化成化学能存储，它具有更高的储能密度，但是功率密度较低，无法胜任快速放电。还有一类储能器件是超级电容器，它利用双电层的界面极化储存能量，储能密度和功率密度介于电池和传统电容器之间，但仍无法满足上文提及的某些高功率系统的要求；此外，其工作电压较低，难以用于需要高电压的场合。相比而言，电介质电容器不仅具有更高的功率密度，而且具有工作温度范围广、充电放电速度快和使用寿命长等优点，因此广泛应用于高功率电子系统，但其储能密度较低。
电磁弹射器是现代航母上战机起降的重要装置，相比蒸汽推进具有反应时间短、结构紧凑、重量轻等优点。一架电磁弹射器所需要的瞬时电功率可达数十兆瓦，采用新型储能电容器构成的能量系统能够快速放电以提供所需的电流和功率，且提高储能电容器的储能密度可大大降低装置的体积。又如各种大型科学装置，如美国国家点火装置（NIF）、中国的神光Ⅲ激光聚变装置等，都使用了大量的电容器作为初级储能元件。大规模的电能储存于电容器中，然后瞬间释放产生强电流和高功率，以实现相应的物理效应。以NIF为例，其储能规模高达400兆焦耳。这些能量储存于数千台工作电压为24 千伏的电容器中。这些电容器不仅是初级能源系统中成本最高的元件，而且由于其储能密度较低（低于1焦耳/立方厘米），还占据了大部分的体积。若能在保障可靠性与功率密度的前提下提高电容器的储能密度，将大大减小上述大科学装置的体积。
在民用领域中，如电动汽车的逆变器，电容器将电池的直流电转换为交流电以驱动电机。其中直流支撑电容（DC-Link Capacitor）起到能量缓冲的作用，以维持直流母线电压的稳定，往往占据了逆变器的相当一部分体积。在电力系统中，电容器也具有重要地位，如用于新能源发电及并网。
在上述应用中，电容器作为最主要的储能元件，其性能对系统整体的体积、可靠性、造价等均有重要的影响。因此，国内外很多研究机构都在发展具有更大比容量的电容器，以兼顾高功率与高储能密度。例如，美国通用原子能公司（GA）最新研制的有机聚合物电容器，储能密度可达3焦耳/立方厘米，容量可达255千焦，在国际上同类产品中居于领先地位；日本东京电气化学工业株式会社（TDK）发展了反铁电陶瓷多层电容器，可用于替代功率电子中的电解电容器。
▍电介质能量存储与释放的核心
发展高储能密度和高功率密度电容器的关键在于电介质材料。而电介质储能的关键在于介质材料的极化行为。介质的极化强度愈高，击穿电场愈强，则单位体积储存的能量就愈大。然而遗憾的是，高极化强度和高击穿场强往往不能兼得。比如，作为最常用的电容器介质，聚丙烯薄膜具有极高的击穿场强，然而其介电常数较小，因此储能密度较低。而钛酸锶钡等铁电体材料具有数千甚至上万的介电常数，但击穿场强较低，依然较难获得较高的储能密度。
因此，要获得高储能密度的电介质，关键在于发展兼具高极化强度和击穿场强的介电材料。目前，在国家973计划项目支持下，学者正努力通过各种技术手段实现上述目标。如将有机聚合物和陶瓷材料复合，以保留聚合物高击穿电场和陶瓷材料高介电常数的优点，同时弥补各自的缺点。对陶瓷等无机材料，可通过先进的制备工艺，如热压烧结等方式，显著提高其击穿场强。此外，利用某些材料特殊的极化机理可获得高储能密度，如反铁电体材料在电场达到一定值后极化强度会突增，使得其在一定的极化强度和工作场强下可获得更高的储能密度。
除了高储能密度外，介质材料还需具备其他一些特质以满足电容器使用环境的要求。如介质材料需具有低损耗和弱极化滞后的特性，以实现能量的充分释放；介质材料还需具有较高的温度和较好的频率稳定性，以满足电容器实际运行条件的要求。因此，在发展介质材料的过程中，充分考虑电容器实际应用的需求，通过各种技术手段研制出具有高储能密度，并且其他性能无显著“短板”的材料，才能实现其实用化。
▍发展前景
研制高储能密度的电介质电容器具有重要的国防、社会效益和市场价值，可广泛应用于军民用技术及替代进口产品，建立自主产业链。但我国电容器行业的技术水平与日本村田制作所、TDK、ABB等国际知名厂商仍有较大的差距。因此，研制高性能的电介质材料对提高我国电容器行业水平和关键元器件国产化水平具有重要的意义。在国家科技计划的支持和引导下，国内目前已经有不少高校与研究机构携手企业，共同研发中国独立设计的高储能密度介质及电容器。电介质储能技术方兴未艾，它将和电化学储能、机械飞轮储能等技术并驾齐驱，并以成本、体积、可靠性见长，在更多的应用方向崭露头角。
致谢：感谢国家973计划课题“高储能非线性电介质陶瓷的强场极化与储能特性”（课题编号：2015CB654602)的支持。
魏晓勇、冯玉军、徐卓：西安交通大学教授。
徐然：西安交通大学博士研究生。
>>>本文为原创，转载请回复。<<<
往期推荐