中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員孟國(guó)文和韓方明團(tuán)隊(duì)，與美國(guó)特拉華大學(xué)教授魏秉慶合作，在前期基于結(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的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制備了類似“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(duì)稱型雙電層電容器的電極，構(gòu)建了新型濾波超級(jí)電容器。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(jí)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)研究成果發(fā)表在《焦耳》（Joule）上。 ??
濾波電容器在交/直流電轉(zhuǎn)換中具有平滑整流信號(hào)中紋波的作用，對(duì)高端電力電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行頗為重要。鋁電解電容器（AECs）占據(jù)了這一領(lǐng)域的大部分市場(chǎng)。AECs容量小、體積大，通常是電路中最大的元件之一，但制約了電子器件的小型化發(fā)展。雙電層超級(jí)電容器（EDLCs）的比電容比商用鋁電解電容器AECs高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。如果能夠?qū)DLCs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(jí)電容器EDLCs因多孔碳基電極中的彎曲、復(fù)雜孔結(jié)構(gòu)而具有高的容量，但響應(yīng)頻率一般低于1Hz，不能對(duì)市電濾波以供電子設(shè)備使用。?
為了提高雙電層超級(jí)電容器的頻率響應(yīng)性能，科學(xué)家探究了以具有垂直取向大孔結(jié)構(gòu)的多種碳基納米材料為電極構(gòu)建的濾波雙電層電容器，但發(fā)現(xiàn)器件在市電頻率下的面積和體積比電容均較低，對(duì)市電濾波后的紋波仍較大，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(duì)小型化濾波超級(jí)電容器至關(guān)重要。?
該團(tuán)隊(duì)以前期創(chuàng)制的三維互連多孔陽(yáng)極氧化鋁為模板，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。分析表明：在這種同軸多殼層三維互連碳管網(wǎng)格膜中，所有碳管類似于“俄羅斯套娃”結(jié)構(gòu)，且其內(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(chǔ)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)，利于電解液離子快速傳輸。?
該研究以這種三維互連套娃碳管網(wǎng)格膜為電極，構(gòu)筑了對(duì)稱型雙電層電容器。研究顯示，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毫秒的較短電阻-電容時(shí)間常數(shù)。這表明該電極類似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的高2個(gè)數(shù)量級(jí)，也高于迄今為止報(bào)道的三明治構(gòu)型的水系濾波超級(jí)電容器。此外，研究還發(fā)現(xiàn)器件的損耗因子低、儲(chǔ)能效率高。?
為了驗(yàn)證器件的交流濾波功能，該工作對(duì)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(duì)交流線路的濾波性能；60 Hz交流市電信號(hào)經(jīng)過(guò)整流和器件組濾波后，可輸出穩(wěn)定平滑的恒定直流信號(hào)為直流電器供電；器件能夠?qū)⒏鞣N不同類型的輸入信號(hào)（如方波、三角波和任意波形等）濾波為平滑的輸出電信號(hào)。進(jìn)而，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)，利用器件組對(duì)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。研究發(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(shuō)明器件組具有較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(jí)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。?
研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和合肥研究院院長(zhǎng)基金等的支持。
類似“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
