固體所研發出基於套娃碳管陣列的濾波超級電容器

中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所孟國文和韓方明研究員團隊與美國特拉華大學魏秉慶教授合作 ，在團隊前期基於結構一體化三維互連碳管網格膜的高性能濾波電容器(Science ,377, 1004-1007 (2022) ，入選Chip 2022年度中國芯片科學十大進展)的基礎上 ，近期又設計製備了類似於“俄羅斯套娃”結構的多殼層同軸碳管的三維互連陣列 ，進而將其作為對稱型雙電層電容器的電極 ，構建了新型濾波超級電容器 。由於類套娃結構的多殼層同軸碳管陣列在提高電極麵積和比電容的同時 ，不影響電解液離子的傳輸速度和響應頻率 ，因此基於套娃結構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 ，相關成果發表在Cell Press旗下能源類學術刊物Joule (Joule, 2024, DOI ：10.1016/j.joule.2024.01.026) 。      濾波電容器在交/直流電轉換中起到平滑整流信號中紋波的作用 ，對高端電力電子設備的穩定運行至關重要 。鋁電解電容器（簡稱AECs）占據了這一領域的大部分市場 ，但其容量小 、體積大 ，通常是電路中最大的元件之一 ，嚴重製約了電子器件的小型化發展 。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高幾個數量級 ，如果能將其用於濾波 ，有望滿足電子設備小型化發展的需求 。然而，傳統的雙電層超級電容器EDLCs由於其多孔碳基電極中的彎曲、複雜孔結構 ，雖然具有高的容量 ，但其響應頻率一般低於1Hz ，不能對市電濾波以供電子設備使用 。

為了提高雙電層超級電容器的頻率響應性能 ，人們探究了用具有垂直取向大孔結構的多種碳基納米材料作為電極構建濾波雙電層電容器 ，但發現器件在市電頻率下的麵積和體積比電容都較低 ，對市電濾波後的紋波仍然很大 ，不能給電子器件提供平滑穩定的電源 。因此 ，研發既具有高取向性 、快速響應頻率 ，又具有大比表麵積 、高容量的電極 ，對小型化濾波超級電容器至關重要 。

固體所博士生陳幹等以團隊前期創製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下交替進行化學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後 ，構築了同軸結構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格膜中 ，所有的碳管都類似於“俄羅斯套娃”結構 ，其內層碳管均勻地填充在同軸外層碳管的內部 ；這種三維互連套娃碳管網格膜不僅具有更大的表麵積存儲電荷 ，而且其中的垂直碳管之間具有高度取向的大孔結構 ，有利於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格膜為電極 ，構築了對稱型雙電層電容器 。研究發現三層套娃碳管電極構建的器件 ，在頻率120 Hz下表現出-80.1°的阻抗相位角和0.25毫秒(ms)的較短電阻-電容(RC)時間常數 ，表明該電極類似於有序光滑的離子快速輸運通道 ，促進了離子的快速分布 。器件的麵積比電容達到3.08 mF cm-2 ，比商用AECs的（約0.08 mF cm-2）高2個數量級 ，並且也高於迄今報道的三明治構型的水係濾波超級電容器。此外 ，還發現器件的損耗因子低 、儲能效率高 。

為了驗證器件的交流濾波功能 ，科研人員對標10伏商用鋁電解電容器 ，將十組相同的新型器件串聯 ，以擴展器件濾波的工作電壓 。研究發現串聯後的器件組仍然具有優異的頻率響應性能 ，進而搭建了濾波電路 ，以驗證串聯器件組對交流線路的濾波性能 ；60 Hz交流市電信號經過整流和器件組濾波後 ，能輸出穩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 ，科研人員進行了演示實驗 ，用器件組對納米發電機發出的脈衝電壓濾波後點亮發光二極管 。發現未接通濾波電容器前 ，發光二極管一直在不斷閃爍 ；而接通濾波電容器後 ，發光二極管發出穩定的光 ，說明器件組具有很好的平滑脈衝電壓的功能 。

綜上所述 ，基於套娃碳管三維互連網格膜電極的超級電容器 ，具有高的比電容 、低的等效串聯電阻和快速的頻率響應性能 ，為研發兼具高容量和快速頻率響應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院院長基金等資助 。

論文鏈接 ：https://authors.elsevier.com/sd/article/S2542-4351(24)00053-9

圖1. 類“俄羅斯套娃”結構的同軸多殼層碳管三維互連框架的製備流程 。

圖2. 類套娃碳管三維互連框架的形貌和結構表征 。

圖3. 基於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. 基於套娃碳管互連三維框架的雙電層電容器的電化學性能 。

圖5. (A-B) 單個器件及器件組(10個器件串聯)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電機發出電信號的濾波效果 。