科學(xué)島團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制Y分枝碳管三維互連網(wǎng)格膜電極，使濾波電容器更加小型化

近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體物理所孟國文、韓方明團(tuán)隊(duì)與美國特拉華大學(xué)魏秉慶教授合作，在Science China Technological Sciences發(fā)表論文，首次提出基于“Y”分枝多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的三維互連碳管網(wǎng)格膜電極，將濾波超級(jí)電容器的面積比電容進(jìn)一步提升至3.6 mF cm-2（120 Hz），為小型濾波電容器的電極設(shè)計(jì)提供了新方案。

濾波電容器是電子設(shè)備中交-直流轉(zhuǎn)換的核心原件，其性能直接影響電路穩(wěn)定性和設(shè)備運(yùn)行狀況。傳統(tǒng)的鋁電解濾波電容器因其體積龐大，已經(jīng)難以滿足電子設(shè)備微型化的發(fā)展需求。雙電層超級(jí)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(nèi)的彎曲小孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致離子傳輸速度慢、器件響應(yīng)頻率低，因此一直不能作為濾波電容器使用。優(yōu)化碳基電極內(nèi)部的孔道結(jié)構(gòu)，提升離子傳輸速度和響應(yīng)頻率，是實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器具有濾波功能的關(guān)鍵。理想的電極應(yīng)同時(shí)具有快速離子傳輸通道和豐富的電荷吸附表面。

該團(tuán)隊(duì)長期致力于優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)研究，先后構(gòu)建了三維互連碳管網(wǎng)格膜電極、“管中管”結(jié)構(gòu)的碳管三維互連網(wǎng)格電極、表面粗糙碳管三維互連網(wǎng)格膜電極、具有俄羅斯套娃結(jié)構(gòu)多殼層碳管的三維互連網(wǎng)格電極以及由細(xì)直徑碳管緊密排列的三維互連網(wǎng)格膜電極等(見圖1a)，進(jìn)而成功研制出雙電層濾波超級(jí)電容器，被美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)以“小型化高性能濾波電容器”為題報(bào)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(xué)十大進(jìn)展。

在上述工作基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)成員陳干博士創(chuàng)制了由“Y”分枝碳管組成的多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)三維互連網(wǎng)格膜電極。通過合理調(diào)控含少量雜質(zhì)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(jìn)而用模板孔限域誘導(dǎo)方法構(gòu)建了Y分枝碳管三維互連網(wǎng)格膜電極(圖1b)。這種網(wǎng)格電極的內(nèi)部具有粗-細(xì)分級(jí)孔三維互連結(jié)構(gòu)(圖1c)，其中的主干粗直徑大孔能對(duì)電解液離子高速導(dǎo)流，而小直徑分枝細(xì)孔兼具導(dǎo)流和高效吸附雙重功能，顯著降低了離子擴(kuò)散能壘，在主干粗直徑大孔和小直徑分枝細(xì)孔的協(xié)同作用下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了快速頻率響應(yīng)與高比表面積電荷存儲(chǔ)的雙重突破。

通過精準(zhǔn)調(diào)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(shí)的面積比電容高達(dá)3.6 mF cm-2，遠(yuǎn)高于國際上已報(bào)道的所有三明治構(gòu)型濾波超級(jí)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(jí)電容器具有明顯的體積優(yōu)勢，對(duì)高精尖電子設(shè)備與器件的小型化具有極其重要的意義。系列實(shí)驗(yàn)研究表明，以該新型電極構(gòu)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(hào)等高效平滑為穩(wěn)定的直流輸出，并成功應(yīng)用于摩擦納米發(fā)電機(jī)的能量管理（圖4）。

該研究破解了雙電層超級(jí)電容器長期存在的“高容量-快響應(yīng)”倒置關(guān)系，為濾波電容器更加小型化提供了新的電極結(jié)構(gòu)與技術(shù)方案。上述工作得到國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃、面上項(xiàng)目和合肥物質(zhì)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(jié)構(gòu)和制備過程示意圖。

圖2. 3D-Y-AAO和3D-YCT的形貌和結(jié)構(gòu)表征。

圖3. 基于具有不同粗細(xì)碳管厚度比例的3D-CT電極器件的電化學(xué)性能。

圖4. 交流濾波性能演示。