8月26日消息，中国科学院（CAS）合肥物理所（HFIPS）固体物理研究所孟国文教授带领的研究团队与美国特拉华大学魏冰清教授合作成功开发了结构集成的高取向碳管（CT）网格作为双电层电容器（EDLC）的电极，以显着提高频率响应性能以及相应频率下的面积和体积电容。有望在电子电路中用作高性能小型交流（AC）线路滤波电容器，为电子产品的小型化和便携化提供必要的材料和技术。

结果于2022 年 8 月 26 日发表在《科学》杂志上。

图 1. 合成 3D-CT 网格示意图：3D-CT、3D-CNT@CT 和 3D-RCT。图片来源：韩方明

将交流电转换为直流电(DC) 对于为电子设备供电至关重要。在这个过程中，滤波电容起到了平滑整流直流信号中电压纹波的关键作用，保证了电子电气设备的质量和可靠性。铝电解电容器（AEC）广泛用于该领域。然而，由于体积电容低，它们始终是最大的电子元件，严重制约了电子产品小型化和便携化的发展。

EDLCs，通常以碳材料作为电极，由于其较高的比电容，被认为是交流线路滤波替代 AECs 的潜在候选者，符合器件小型化的趋势，但受其低工作频率的限制（〜1赫兹）。虽然使用高度取向的碳纳米材料作为电极可以提高工作频率，但比电容非常有限。同时，相邻碳纳米管或石墨烯片之间的物理接触不仅会增加电阻，进一步减慢频率响应，而且难以增加碳纳米材料的质量负载，从而获得较大的电容。迫切需要开发新结构的材料以增加快速频率响应，同时保持高比电容。

图 2. 基于 3D-CT 网格的 EDLC 的组装结构和电化学性能。(A) EDLC 组装结构示意图。(B) 基于 3D-CT 的 EDLC 的复平面图。(C) 3D-CT-10、3D-CNT@CT-10、3D-RCT-10、3D-RCT-12 和商业 AEC（松下，日本，6.3 V/330 µF）的相位角与频率的关系。(D) 3D-CT-10、3D-CNT@C-10、3D-RCT-10(12) 和其他报道的用于交流滤波器电路的 EDLC 在 120 Hz 时的面积电容比较，相位角接近或小于-80o。图片来源：韩方明

自 2015 年以来，研究团队一直在研究这一课题。经过不懈努力，成功研制出一种新型的三维（3D）结构集成、高度定向的CT阵列，CT阵列通过化学键横向互连。具有真正互连和结构集成的垂直和横向 CT 的 3D CT 网格（表示为 3D-CT）可以提供高定向、高结构稳定性、优越的导电性和有效的开孔结构，有望满足小型高性能交流线路滤波EDLC的电极材料。

为了获得这种独特的结构，研究人员首先对含有少量Cu杂质的铝片进行了阳极氧化处理，得到了孔壁上含有Cu杂质纳米粒子的高度有序的垂直多孔阳极氧化铝（AAO）模板。随后，通过用磷酸选择性地蚀刻孔壁上的含铜纳米颗粒，获得了 3D 互连多孔 AAO 模板。

使用 3D-AAO 模板通过化学气相沉积 (CVD) 方法合成 3D-CT 网格。为了增加比表面积，并进一步提高比面积和体积电容，可以对 3D-CT 进行修改，例如通过 Ni 催化剂在垂直和横向 CT 内填充直径小得多的碳纳米管 (CNT)辅助CVD法，或用KMnO 4进行表面处理。

研究人员直接使用 3D-CT 网格作为电极，构建了一系列对称的 EDLC。发现这种电容器具有良好的频率响应性能和非常高的比面积电容。

图 3. 单个 EDLC 和串联 EDLC 的性能特征。(A) 奈奎斯特图。(B) 相角与频率。(C) 与 AEC 相比，串联的六个 EDLC 的过滤结果。(D) 3D-CT 网格电极 EDLC 与商业 AEC（红色三角形、松下、尼吉康和日本日本）的体积比较。图片来源：韩方明

更重要的是，为了达到高工作电压，将六个基于 3D-CT 网格的 EDLC 串联起来，这也表现出优异的频率相关性能，以及像单个 EDLC 一样有希望的滤波性能。这主要是由于等效串联电阻的轻微上升受到容抗相应增加的影响，最终产生其快速频率响应。这证明通过串联多个EDLC可以实现高压交流线路滤波电容。

此外，在低压操作（低于 25 伏）中，基于 3D-CT 网格的 EDLC 与同等额定 AEC 相比具有显着的体积优势。

研究结果为开发用于交流线路滤波器和功率器件小型化的EDLC提供了良好的技术基础和关键材料，有助于替代体积庞大的AEC，实现便携式电子设备、移动电源、电器和分布式能源的小型化。物联网上的采集和供电，极大地推动了高性能数字电路和新兴电子技术的发展。