魏秉庆&孟国文最新Science：高性能滤波电容器！

【导读】

滤波电容器（Filter capacitors）在存储器件和计算机的质量和可靠性方面发挥着至关重要的作用。电路滤波一直由铝电解电容器（aluminum electrolytic capacitors, AECs）主导，但由于低体积电容，其始终是最大的电子元件。因此，开发新型小型滤波电容器对于满足数字电路和便携式电子产品的需求至关重要。双电层电容器（electric double-layer capacitors, EDLCs）的高面积/体积电容使其成为理想的候选者，但受到缓慢的频率响应（<1 Hz）的阻碍。EDLCs可用于滤波电路，将交流电（ac）转换为直流电，但需要具有高频响应以平滑剩余的交流电纹波。此外，预测EDLCs将具有高体积（CV）和面积（CA）比电容。目前，当EDLCs使用高负载的活性材料时，会聚集成多层形式或束，增加离子分布的阻力，导致响应缓慢。因此，高性能碳基过滤器EDLCs电极必须具有出色的结构稳定性，以在操作条件下保持其高体积和面积电容以及快速离子迁移。

【成果掠影】

在2022年8月25日，美国特拉华大学魏秉庆教授和中科院合肥物质科学研究院孟国文研究院（共同通讯作者）等人报道了一种具有高面积电容和快速频率响应的互连和结构集成的碳管网格基双电层电容器。在文中，作者使用三维（3D）碳管（CT）网格（three-dimensional carbon tube grid, 3D-CTG）作为电极制备出高性能线滤波EDLCs。该网格具有真正互连且结构集成的垂直和横向CT（3D-CT），可以提供高结构稳定性、优异的导电性和有效的开孔结构，其借助于3D互连纳米多孔阳极氧化铝（3D-AAO）模板通过化学气相沉积（CVD）方法合成。

具有连接相邻垂直通道的横向孔的3D-AAO模板是通过利用Cu杂质对Al箔进行阳极氧化，形成高度有序的垂直排列的纳米通道，在通道壁中嵌入含Cu的纳米颗粒，然后对通道壁纳米颗粒进行选择性湿化学蚀刻。通过热解乙炔并去除模板，在3D-AAO纳米多孔模板内生长CT后构建3D-CT。为增加比表面积并进一步增强CA，可修饰3D-CT，例如通过Ni催化剂在垂直和横向CT（3D-CNT@CT）内填充直径小得多的CNT-辅助CVD方法，或用KMnO₄进行表面处理。在所有频率上，3D-CTG基EDLCs都能提供比AECs更高的电容，当频率从10^-1增加到10³Hz时，电容略有下降。其中，基于3D-RCT-12的EDLC的CA在120 Hz时达到2.81 mF cm^-2，比已报道的其他相位角小于-80°的滤波EDLC的CA更高。对于3D-RCT-10电极，120 Hz的CV可达到1.36 F cm^-3。研究成果以题为“Structurally integrated 3D carbon tube grid–based high-performance filter capacitor”发布在国际著名期刊Science上。

【数据概览】

图一、3D-CNT@CT网格的合成及性能©2022 American Association for the Advancement of Science

图二、3D-CTG电容器的组装结构和电化学阻抗谱©2022 American Association for the Advancement of Science

图三、3D-CTG基EDLCs的频率相关电容©2022 American Association for the Advancement of Science

图四、比较单个EDLC和串联EDLCs的性能©2022 American Association for the Advancement of Science

【成果启示】

总之，作者成功地合成了具有3D真正互连、结构集成的CT网格的独立式薄膜。3D-CT、3D-CNT@CT和3D-RCT的独立式薄膜被用于制备EDLCs，并证明了有效地解决现有碳基EDLCs作为交流电时频率响应慢的关键瓶颈问题。滤波电容以及商用AEC面临的低CA和CV。这些结果为使用碳基电极实现高电容滤波电容器的小型化铺平了道路，对于当前和新兴的便携式电子产品至关重要。

文献链接：Structurally integrated 3D carbon tube grid-based high-performance filter capacitor.Science,2022, DOI: 10.1126/science.abh4380.

本文由CQR编译。

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