線路濾波對于CPU和存儲設備等集成電路的精密供電至關重要。電化學電容器由于其高比電容有望取代集成電路和便攜式電子產品線路濾波中的傳統電解電容器。
然而，電化學電容器的開發仍存在以下問題：
1、電化學電容器在線路濾波電路中的實際應用尚未實現
由于難以同時實現快速響應、高比電容、小型化和電路兼容集成，電化學電容器在線路濾波電路中的實際應用仍然是一個巨大的挑戰。
2、高串聯電阻是限制快速響應的關鍵因素
為了滿足快速響應，由于電化學電容器固有的高串聯電阻，必須嚴重損害比電容。在120Hz的整流電源頻率下，一般電化學電容器的典型阻容時間常數（τRC）在1s左右，遠遠達不到高效線路濾波的基本要求。
3、小型化和低集成密度的不足限制了電化學電容器在集成電路中的實現
為了平衡頻率特性和電容，即使對電極材料進行精密的納米處理，串聯電阻的降低也有100?mΩ?cm2左右的極限。同時，小型化和低集成密度的不足進一步限制了線路濾波電化學電容器在集成電路中的實現。
有鑒于此，清華大學曲良體等人提出了一種可以同時提升頻率特性和電容的電場增強策略。通過使用飛秒激光劃線縮小通道寬度，小型化窄通道面內電化學電容器顯示出電極材料和電解質內離子電阻的大幅降低，從而在120Hz時實現了39mΩcm2的超低串聯電阻。電容器在120Hz下，獲得了高達5.2mF?cm-2的超高面積電容，其相位角為- 80°，是之前報道的最高面積電容的兩倍，且在超過1,000,000次循環后幾乎沒有觀察到退化。將該電化學電容器可擴展地集成到微電路中，顯示出80 cell cm?2的高集成密度，并可按需定制電容和電壓。鑒于優異的濾波性能和電路兼容性，這項工作代表了線路濾波電化學電容器在集成電路和柔性電子器件中實際應用的重要進展。
技術方案：
1、測試了NCEC的電化學性能
作者評估了NCEC的電化學性能，表明其具有超低串聯電阻、超快離子動力學、超高面電容以及循環穩定性。
2、解析了串聯電阻降低機制
作者通過實驗和模擬解析了串聯電阻降低機制，結果表明，隨著通道寬度的縮小，通道內的外部E大大增加，促進電解質中的電遷移導致Rb急劇減少，同事減少了滯后并降低了 Rm。
3、探究了NCEC的可擴展集成
作者利用飛秒激光劃線制造了特定圖案的NCEC單元，并簡歷了集成NCEC微電路，證明了可擴展集成以及針對特定性能按需集成的可行性。
4、證實了線路濾波電路的性能
作者在印刷電路板（PCB）級開關電路中進行了現場測試，表明NCEC具有優異濾波性能且可以集成到典型的柔性電路中。
技術優勢：
1、通過電場增強策略將串聯電阻降低了一個數量級
作者提出了一種電場增強策略，以促進電極材料和電解質內的離子遷移，從而使串聯電阻急劇降低一個數量級。與在頻率特性和電容之間進行權衡的傳統策略不同，自感強電場可以同時改善頻率特性和電容。
2、將電化學電容器面電容提高了2倍
通過使用飛秒激光劃線縮小溝道寬度，在窄溝道面內線濾波電化學電容器（NCEC）中建立了強電場，實現了高達5.2 mF cm?2的超高面積電容。
3、開發了一種簡便但精確的自下而上的加工方法
作者通過自下而上的加工方法，通過電沉積在集流體上制造均勻分布的垂直還原氧化石墨烯陣列，將膜厚度的變化控制在5%以內，建立了一個精致的個體NCEC，其小型化尺寸小于筆尖。
技術細節
NCEC的電化學性能
作者使用電化學阻抗譜評估了NCEC的頻率特性，結果表明離子遷移快速且不受阻礙。NCEC在120 Hz時表現出39 mΩ cm2的超低串聯電阻。超低的串聯電阻與超快的離子動力學行為是一致的，通過測試不同掃速下的陰極電流，表明具有不受阻礙的離子遷移的典型超快電容行為。此外，NCEC的面積電容遠遠優于鋁ELC，達到了5.2?mF?cm?2的超高水平，并且在所有范圍內都優于其他面內和夾層型線路濾波電化學電容器，幾乎是之前記錄的兩倍。作者還進行了超過一百萬次的連續恒流充放電（GCD）測試。在120Hz時電容和相位角沒有出現明顯的性能下降，驗證了NCEC長期運行的優異可靠性。
串聯電阻降低機制
作者利用溝道寬度作為典型的控制變量，通過實驗研究了電場對串聯電阻的影響。結果表明，當溝道寬度從40μm縮小到5μm 時，120Hz時的Rb和Rm表現出同樣的下降趨勢。因此，隨著相位角在120 Hz時從-79°減小到-82°，快速響應變得更好，并且面積電容從2.5 mF cm?2增加到4.5 mF cm?2。進一步通過模擬揭示了潛在電阻降低機制。模擬結果表明，隨著通道寬度的縮小，通道內的外部E大大增加，增強的外部E作為驅動力促進電解質中的電遷移導致Rb急劇減少。動力學蒙特卡羅模擬表明Rm隨著溝道寬度的縮小而減小，增強的E顯著促進了離子遷移，從而減少了滯后并降低了 Rm。
NCEC的可擴展集成
利用飛秒激光劃線，可以在幾秒鐘內制造出特定圖案的NCEC單元。在連接格柵并添加電解質后，建立了密度高達80?cells?cm?2的集成NCEC微電路（INM），其具有小型化甚至靈活性。得益于器件的一致性，NCEC單元之間的電容差異被限制在10%以內，這保證了120Hz下的分壓和相角偏差分別低于5%和10%。超過200,000個循環的GCD測試驗證了INM的長期可靠性。此外，作者研究了針對特定性能按需集成的可行性，結果表明了INM的更高性能可以通過集成優化來實現。
線路濾波電路的性能
作為集成電路線路濾波的原型，作者在印刷電路板（PCB）級開關電路中進行了現場測試。結果表明NCEC在尺寸上比具有相同電容的ELC具有顯著優勢；在集成方面，2×10 INM具有與鋁ELC相同的額定電壓和電容，但尺寸要小得多；NCEC 的線路濾波能力優于同體積的ELC。在2kΩ負載電阻下，單個NCEC可以過濾120Hz下1V至0.5V的電壓信號，紋波電壓 (Vripple)低至 36mV。同時，還可以通過僅26mV的Vripple實現1,000Hz信號濾波。此外，作者還表明NCEC可以集成到典型的柔性電路中，3×3 INM在彎曲甚至扭曲時表現出優異且一致的濾波性能，非常適合下一代便攜式柔性電子產品。
圖 線路濾波電路中NCEC和性能的可擴展集成
總之，作者提出了一種電場增強策略來促進電極材料和電解質中的離子遷移。通過使用飛秒激光劃線縮小通道寬度，提出了NCEC在120 Hz時具有低至 39mΩ cm2的超低串聯電阻。這項工作在線路濾波電化學電容器的實際應用中邁出了重要的一步，并為小型化微電路和下一代柔性電子器件的發展提供了機會。
參考文獻：
Hu, Y., Wu, M., Chi, F. et al. Ultralow-resistance electrochemical capacitor for integrable line filtering. Nature (2023).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06712-2
