科學島團隊創制Y分枝碳管三維互連網格膜電極，使濾波電容器更加小型化

　　【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院合肥物質院固體物理所孟國文、韓方明團隊與美國特拉華大學魏秉慶教授合作，在Science China Technological Sciences發表論文，首次提出基于“Y”分枝多級孔結構的三維互連碳管網格膜電極，將濾波超級電容器的面積比電容進一步提升至3.6 mF cm-2(120 Hz)，為小型濾波電容器的電極設計提供了新方案。
 

　　濾波電容器是電子設備中交-直流轉換的核心原件，其性能直接影響電路穩定性和設備運行狀況。傳統的鋁電解濾波電容器因其體積龐大，已經難以滿足電子設備微型化的發展需求。雙電層超級電容器的比電容高，有望成為理想的小型濾波電容器，但因其電極內的彎曲小孔結構導致離子傳輸速度慢、器件響應頻率低，因此一直不能作為濾波電容器使用。優化碳基電極內部的孔道結構，提升離子傳輸速度和響應頻率，是實現超級電容器具有濾波功能的關鍵。理想的電極應同時具有快速離子傳輸通道和豐富的電荷吸附表面。
 

　　該團隊長期致力于優化電極結構研究，先后構建了三維互連碳管網格膜電極、“管中管”結構的碳管三維互連網格電極、表面粗糙碳管三維互連網格膜電極、具有俄羅斯套娃結構多殼層碳管的三維互連網格電極以及由細直徑碳管緊密排列的三維互連網格膜電極等(見圖1a)，進而成功研制出雙電層濾波超級電容器，被美國科學促進會以“小型化高性能濾波電容器”為題報道；因能為集成電路與芯片提供小型供電方案而入選Chip 2022中國芯片科學十大進展。
 

　　在上述工作基礎上，團隊成員陳干博士創制了由“Y”分枝碳管組成的多級孔道結構三維互連網格膜電極。通過合理調控含少量雜質鋁片在陽極氧化過程中的氧化電壓，獲得了垂直孔按照“Y”形貌分枝的三維互連多孔陽極氧化鋁模板，進而用模板孔限域誘導方法構建了Y分枝碳管三維互連網格膜電極(圖1b)。這種網格電極的內部具有粗-細分級孔三維互連結構(圖1c)，其中的主干粗直徑大孔能對電解液離子高速導流，而小直徑分枝細孔兼具導流和高效吸附雙重功能，顯著降低了離子擴散能壘，在主干粗直徑大孔和小直徑分枝細孔的協同作用下，同時實現了快速頻率響應與高比表面積電荷存儲的雙重突破。
 

　　通過精準調控 “主干”和“分枝”孔的長度及比例(圖1，2)，新型電極在120 Hz下相位角為-80°時的面積比電容高達3.6 mF cm-2，遠高于國際上已報道的所有三明治構型濾波超級電容器(圖3)。與商用鋁電解濾波電容器相比，這種新型濾波超級電容器具有明顯的體積優勢，對高精尖電子設備與器件的小型化具有極其重要的意義。系列實驗研究表明，以該新型電極構筑的器件作為濾波電容器，可以將方波、三角波以及噪聲信號等高效平滑為穩定的直流輸出，并成功應用于摩擦納米發電機的能量管理(圖4)。
 

　　該研究破解了雙電層超級電容器長期存在的“高容量-快響應”倒置關系，為濾波電容器更加小型化提供了新的電極結構與技術方案。上述工作得到國家自然科學基金重大研究計劃、面上項目和合肥物質院院長基金等資助。
 

　　圖1. Y分枝三維互連多孔陽極氧化鋁模板(3D-Y-AAO)和Y分枝三維互連碳管(3D-YCT)的結構和制備過程示意圖。

 

圖2. 3D-Y-AAO和3D-YCT的形貌和結構表征。
 

圖3. 基于具有不同粗細碳管厚度比例的3D-CT電極器件的電化學性能。
 

圖4. 交流濾波性能演示。