能源与环境是当面临的大问题和挑战。如何有效的储存能量、减少能量损耗和减轻环境负担是近年来研究人员关注的热点问题。大多数的可再生能源必须先转换成电能，虽然电能可以通过电缆长距离输送到需要的地方，但是由于需求不同，仍然需要发展有效的电能储存技术。

    常用的电能储存器件有电池、超电容器和电介质电容器等。电池虽然具有高的储能密度（10-300W·h/kg)，但是功率密度低（<500W/kg），而且电池对环境的危害也比较大。超电容器具有中等的储能密度（<30W·h/kg)和功率密度（10~10⁶W/kg），但是结构复杂、操作电压低、漏电流大和循环周期短。相比较而言，电介质电容器不仅具有高的功率密度（约10⁸W/kg），而且具有使用温度范围宽、快速充放电和使用周期长等优点，但是储能密度低（<30W·h/kg）。

    对脉冲功率设备而言，电池由于功率密度低，不适合在脉冲功率设备中使用。超电容器虽然具有中等的储能密度和功率密度，但是对于需要超高功率的电子系统仍然很难满足。同时，超电容器结构复杂、操作电压低（<3V）、漏电流高（mA），循环次数短（10⁵），限制了其在脉冲功率设备中的应用。

 目商业电介质电容器的储能密度为10^-2-10^-1W·h/kg。如果电介质电容器的储能密度能够提高到超电容或者电池的水平，其应用势必能得到进步扩展，特别是对电气电子器件的小型化、轻量化和集成化有重要促进作用。因此，如何进步提高电介质电容器的储能密度是电介质电容器研究的主要问题，这也是我国2015年国家重点基础研究发展计划和重大科学研究计划的重要支持方向。

1 电介质储能的物理基础

1.1储能密度

储能密度（J）是电介质单位体积储能的能量，J可按照公式（I）定义：

 式（4）中，

因此，对线性电介质而言，储能密度与相对介电常数成正比，与击穿场强的平方成正比。因此，材料要有尽可能高的击穿场强（E_b）和相对介电常数（ε_r），才能获得较高的储能密度。在没有特别说明的情况下，般将相对介电常数简称为介电常数。

从介电常数考虑，铁电体、反铁电体和弛豫铁电体通常具有较高的介电常数。但由于介电常数与电场的非线性，储能密度与介电常数不是简单的线性关系。这些材料中由于化P非常大，电位移近似于化，即D≈P，因此式（1）可表示为式（6）。

将与储存的能量接近并存在式（11)的关系式。

是介电损耗，是角频率，C是电容值。

    目尚没有商业的放电电流测试设备。近有报道采用高速电磁回路RLC替代负载电阻来测试放电电流的方法，如图3所示啊。

 对铁电、弛豫铁电和反铁电等高介电材料而言，常用的储能密度测试方法是通过Saw-yer-Tower电路来测试P-E关系啊，如图4所示。对铁电材料而言，由于典型的电滞回线，充电（电场增加）和放电（电场降低）路径不完全相同，回滞曲线的面积代表能量损耗。因此电容器储存的能量并不能完全释放出来，需要用额外的效率参数来表征其效率，如式（13）所示

    电滞回线P-E法可以简单直观的表征储能密度和释放能量密度，而测试放电电流法可以给出放电的快慢、峰值电流、放电电流波形曲线等信息。

原创作者：北京华测试验仪器有限公司