濾波電容器可以降低交流脈動波紋系數，并提升高效平滑直流輸出，對電氣和電子設備質量和可靠性方面至關重要。當前，通常由鋁電解電容器（AECs）主導，體積電容低，難以滿足數字電路和便攜式電子產品的需求。高面積/體積電容的雙電層電容器（EDLCs）擁有很大的潛力，但緩慢的頻率響應（<1 Hz）阻礙其發展。濾波電路的工作主要是，將交流電轉換為直流電，需要高頻響應以平滑剩余的交流電紋波。因此，在理想情況下：1）電極材料必須具有優越的導電性和快速的離子響應，以實現快速頻率性能。2）EDLCs將具有高體積（CV）和面積（CA）比電容。CA是一個更準確的評價指標，因為電極厚度會受到限制，以確保離子快速分布到內表面，來獲得高頻響應。對于給定的電容，低CA將需要增加EDLC中的活性和非活性材料，從而導致低CV。目前，EDLC主要使用納米結構的碳基電極。為了獲得高頻響應，這種EDLC只能使用低負載的活性物質，從而產生較低的CA。當使用高負載的活性材料，如石墨烯或碳納米管(CNT)陣列，往往會聚集成多層形式或束，導致離子分布阻力增加，因此響應緩慢。有鑒于此，中科院合肥物質科學研究院孟國文研究員和美國特拉華大學魏秉慶教授等人合作，成功研發了一種新型三維碳管網格膜，將其作為雙電荷層電容器(EDLC)電極，大幅提升了電容器的頻率響應性能以及在相應頻率下的面積比電容和體積比電容，有望作為電子器件中的高性能交流濾波電容器，為電子產品的小型化提供了新的技術路線與核心關鍵材料。設計了真正互連且結構集成的垂直和橫向碳管（3D-CTG）作為電極，制備高性能交流濾波EDLCs。其研究主要分以下三個過程：2）性能研究，3D-CTG電容器的組裝結構和電化學阻抗譜分析3）應用推廣，單個 EDLC 和串聯 EDLC 的性能特征基于3D-CTG的EDLC在所有頻率上都能提供比AEC更高的電容，當頻率從10-1增加到103 Hz時，只觀察到電容略有下降。3D-CTG的優越性薄膜在120 Hz的水平上提高了25%的電容，并且可以串聯連接而不影響其電化學性能。這些發現為開發用于小型化濾波器和電源設備的電雙層電容器提供了良好的技術基礎。電極的制備可以分為四個過程，如圖1A。1）三維互聯多孔陽極氧化鋁（AAO）模板制備，利用Cu雜質對Al箔進行陽極氧化，形成高度有序的垂直排列的納米通道，在通道壁中嵌入含Cu的納米顆粒，然后對通道壁納米顆粒進行選擇性濕化學蝕刻。2）三維互聯、結構完整的碳管框架（3D-CT），借助CVD方法，通過熱解乙炔并去除模板，構建3D-CT。3）結構修飾，采用更小直徑的碳納米管填充的3D-CT框架（3D-CNT@CT），增加比表面積，并進一步增強CA。4）表面粗糙化3D-CT框架（3D-RCT），酸洗去除模板與表面碳。其中合成3D-CTG薄膜的物理特性表現為，直徑為54 mm，厚度均勻為 10 μm的碳管網絡（圖 1B）均勻分布的垂直排列的，由較小的橫向CT互連形成 3D 網格圖1C和D）。其垂直和橫向CT在結構上是通過化學方式而不是物理附件整合在一起的（圖1E），表現出更可靠的結構穩定性。利用兩個相同厚度的表面粗糙化的3D-RCT組裝3D-CTG電容器，并以電極厚度（微米）命名，表示為3D-CT-10，3D-CNT@CT-10、3D-RCT-10或3DRCT-12，無紡布用作隔膜，1M H2SO4為電解質（圖2A）。從EDLC（圖2B）獲得的阻抗的Nyquist圖顯示了幾乎垂直于實軸的虛響應（Z〃），表明接近完美的電容特性和無多孔電極行為。此外，沒有特征與以高頻半圓為特征的一系列無源層相關。使用EDLC和商用AEC（圖2C）的Bode圖（相位角的頻率依賴性）來評估其頻率響應。當頻率從10?1至103 Hz，基于3D-CTG的EDLC在所有頻率下都能提供比AEC高得多的電容（圖3A和B）。基于3D-RCT-12的EDLC的CA在120 Hz時可達到2.81 mF cm?2，比迄今報道的其他濾波EDLC的面積比電容更高，相位角小于?80°（圖3C）。120 Hz下的CV可達到1.36 F cm?3用于3D-RCT-10電極。這些優異的性能顯示了結構穩定性的增強、導電性的認可和離子響應的改善，說明了真正互連和結構集成的3D CTG的優越性。為了滿足交流濾波的電壓要求，以6.3V AEC為基準，串聯組裝了六個基于1.4 cm直徑3D-CT電極的EDLC。單個EDLC和六個EDLC系列的復平面圖（圖4A）在高頻下呈現接近90°的斜率，這也是明顯電容行為的特征。通常，由串聯電容器引起的等效串聯電阻（ESR）的增加在理論上會導致頻率響應性能的下降。然而，博德圖中顯示相位角頻率依賴性的單個器件和六個串聯的EDLC的曲線在104 Hz以下幾乎完全重疊（圖4B），120 Hz時的相位角達到?82°，表明ESR增加六倍不會減慢頻率響應。這主要是因為ESR的上升伴隨著電容電抗（Xc）的相應增加，這將導致高壓交流濾波EDLC。總之，作者成功地合成了具有3D真正互連、結構集成的CT網格的獨立式薄膜，并用于制備EDLCs，證明其可以有效解決現有碳基EDLCs頻率響應慢的關鍵瓶頸問題，以及濾波電容商用AEC面臨的低CA和CV。這些結果為使用碳基電極實現高電容濾波電容器的小型化鋪平了道路，對于當前和新興的便攜式電子產品至關重要。據中科院合肥物質科研院固體物理研究所官方介紹，“研究團隊從2015年開始該項研究，經過長期攻關，成功研發了由“管中管”結構的碳管相互連接組成的三維碳管網格膜。這種“一體化”的三維碳管網格膜，不僅取向性高、結構穩定、導電性好，而且是一種開放式多孔結構，因此有望滿足小型化高性能雙電荷層濾波電容器對電極材料的要求。”孟國文，現任中科院固體物理研究所首席科學家、安徽省物理學會理事、中國材料研究學會理事，擔任Science China Materials等刊物編委。2005年獲國家杰出青年基金資助。曾任中科院材料物理重點實驗室主任、固體物理研究所所長。長期從事功能一維納米結構及其宏觀陣列的設計制備、結構調控、性能優化以及在環境與能源領域的應用研究。目前正在主持國家基金委重大研究計劃、基金委重點項目、中科院前沿科學重點項目，以及安徽省科技重大專項等。曾主持中科院創新團隊國際合作伙伴計劃項目，2007～2011年和2013～2017年曾任“納米研究”重大科學研究計劃項目首席科學家，獲十一五國家科技計劃執行突出貢獻獎。在PNAS、Science Adv、Adv Mater、 Prog Mater Sci等發表SCI論文220余篇，SCI他引一萬余次。FangMing Han et. Al. Structurally integrated 3D carbon tube grid-based high-performance filter capacitor. Science, 2022, 377: 1004-1007DOI: 10.1126/science.abh4380.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4380
