【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所孟國文和韓方明研究員團(tuán)隊(duì)與美國特拉華大學(xué)魏秉慶教授合作，在團(tuán)隊(duì)前期基于結(jié)構(gòu)一體化三維互連碳管網(wǎng)格膜的高性能濾波電容器 (該成果入選 Chip 2022年度中國芯片科學(xué)十大進(jìn)展 )的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制備了類似于“俄羅斯套娃”結(jié)構(gòu)的多殼層同軸碳管的三維互連陣列，進(jìn)而將其作為對稱型雙電層電容器的電極，構(gòu)建了新型濾波超級電容器。由于類套娃結(jié)構(gòu)的多殼層同軸碳管陣列在提高電極面積和比電容的同時(shí)，不影響電解液離子的傳輸速度和響應(yīng)頻率，因此基于套娃結(jié)構(gòu)碳管的濾波超級電容器具有更小的體積，有望為集成電路和芯片等提供小型化供電方案，相關(guān)成果發(fā)表在 Cell Press旗下能源類學(xué)術(shù)刊物 Joule 上。
 

　　濾波電容器在交/直流電轉(zhuǎn)換中起到平滑整流信號中紋波的作用，對高端電力電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。鋁電解電容器(簡稱AECs)占據(jù)了這一領(lǐng)域的大部分市場，但其容量小、體積大，通常是電路中最大的元件之一，嚴(yán)重制約了電子器件的小型化發(fā)展。雙電層超級電容器(簡稱EDLCs)的比電容比商用鋁電解電容器AECs高幾個(gè)數(shù)量級，如果能將其用于濾波，有望滿足電子設(shè)備小型化發(fā)展的需求。然而，傳統(tǒng)的雙電層超級電容器EDLCs由于其多孔碳基電極中的彎曲、復(fù)雜孔結(jié)構(gòu)，雖然具有高的容量，但其響應(yīng)頻率一般低于1Hz，不能對市電濾波以供電子設(shè)備使用。
 

　　為了提高雙電層超級電容器的頻率響應(yīng)性能，人們探究了用具有垂直取向大孔結(jié)構(gòu)的多種碳基納米材料作為電極構(gòu)建濾波雙電層電容器，但發(fā)現(xiàn)器件在市電頻率下的面積和體積比電容都較低，對市電濾波后的紋波仍然很大，不能給電子器件提供平滑穩(wěn)定的電源。因此，研發(fā)既具有高取向性、快速響應(yīng)頻率，又具有大比表面積、高容量的電極，對小型化濾波超級電容器至關(guān)重要。
 

　　固體所博士生陳干等以團(tuán)隊(duì)前期創(chuàng)制的三維互連多孔陽極氧化鋁(簡稱3D-AAO)為模板，在模板孔的限域誘導(dǎo)下交替進(jìn)行化學(xué)氣相沉積碳層和原子層沉積AlOx犧牲層，選擇性腐蝕氧化鋁模板和犧牲層AlOx后，構(gòu)筑了同軸結(jié)構(gòu)的兩層和三層碳管互連組成的三維框架(簡稱3D-MLCT)。各種分析手段研究表明，在這種同軸多殼層三維互連碳管網(wǎng)格膜中，所有的碳管都類似于“俄羅斯套娃”結(jié)構(gòu)，其內(nèi)層碳管均勻地填充在同軸外層碳管的內(nèi)部；這種三維互連套娃碳管網(wǎng)格膜不僅具有更大的表面積存儲電荷，而且其中的垂直碳管之間具有高度取向的大孔結(jié)構(gòu)，有利于電解液離子快速傳輸。
 

　　科研人員以這種三維互連套娃碳管網(wǎng)格膜為電極，構(gòu)筑了對稱型雙電層電容器。研究發(fā)現(xiàn)三層套娃碳管電極構(gòu)建的器件，在頻率120 Hz下表現(xiàn)出-80.1°的阻抗相位角和0.25毫秒(ms)的較短電阻-電容(RC)時(shí)間常數(shù)，表明該電極類似于有序光滑的離子快速輸運(yùn)通道，促進(jìn)了離子的快速分布。器件的面積比電容達(dá)到3.08 mF cm-2，比商用AECs的(約0.08 mF cm-2)高2個(gè)數(shù)量級，并且也高于迄今報(bào)道的三明治構(gòu)型的水系濾波超級電容器。此外，還發(fā)現(xiàn)器件的損耗因子低、儲能效率高。
 

　　為了驗(yàn)證器件的交流濾波功能，科研人員對標(biāo)10伏商用鋁電解電容器，將十組相同的新型器件串聯(lián)，以擴(kuò)展器件濾波的工作電壓。研究發(fā)現(xiàn)串聯(lián)后的器件組仍然具有優(yōu)異的頻率響應(yīng)性能，進(jìn)而搭建了濾波電路，以驗(yàn)證串聯(lián)器件組對交流線路的濾波性能；60 Hz交流市電信號經(jīng)過整流和器件組濾波后，能輸出穩(wěn)定平滑的恒定直流信號為直流電器供電；器件能將各種不同類型的輸入信號(如方波、三角波和任意波形等)濾波為平滑的輸出電信號。此外，為了直觀地展示器件的濾波功能，科研人員進(jìn)行了演示實(shí)驗(yàn)，用器件組對納米發(fā)電機(jī)發(fā)出的脈沖電壓濾波后點(diǎn)亮發(fā)光二極管。發(fā)現(xiàn)未接通濾波電容器前，發(fā)光二極管一直在不斷閃爍；而接通濾波電容器后，發(fā)光二極管發(fā)出穩(wěn)定的光，說明器件組具有很好的平滑脈沖電壓的功能。
 

　　綜上所述，基于套娃碳管三維互連網(wǎng)格膜電極的超級電容器，具有高的比電容、低的等效串聯(lián)電阻和快速的頻率響應(yīng)性能，為研發(fā)兼具高容量和快速頻率響應(yīng)性能的下一代小型化濾波電容器開辟了新途徑。
 

　　該工作得到國家基金委和合肥物質(zhì)院院長基金等資助。
 

圖 1. 類“俄羅斯套娃”結(jié)構(gòu)的同軸多殼層碳管三維互連框架的制備流程。
 

圖 2. 類套娃碳管三維互連框架的形貌和結(jié)構(gòu)表征。
 

圖 3. 基于套娃碳管三維框架電極的超級電容器及其交流濾波示意圖。
 

圖 4. 基于套娃碳管互連三維框架的雙電層電容器的電化學(xué)性能。
 

　　圖 5. (A-B) 單個(gè)器件及器件組 (10 個(gè)器件串聯(lián) ) 性能對比； (C) 濾波電路示意圖； (D) 器件組與商用鋁電解電容器對交流信號濾波效果對比； (E-G) 器件組對方波、三角波和任意波的濾波效果； (H-I) 器件組對摩擦納米發(fā)電機(jī)發(fā)出電信號的濾波效果。