中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所孟國文、韓方明團(tuán)隊(duì)，與特拉華大學(xué)魏秉慶教授以及清華大學(xué)李曉雁教授合作，在團(tuán)隊(duì)前期以三維互連碳管網(wǎng)格膜為電極構(gòu)建高性能濾波雙電層電容器（Science 2022, 377, 1004-1007；Nano Research 2023, 16, 12849-12854；Joule 2024, 8, 1080-1091）的基礎(chǔ)上，提出了精確調(diào)控三維互連多孔陽極氧化鋁模板的孔結(jié)構(gòu)、構(gòu)筑高排列密度的三維互連碳管納米陣列電極的新策略，通過提高垂直碳管分布密度有效提高了電極的活性比表面積，同時(shí)保持垂直碳管陣列的高取向性，由此構(gòu)建的新型雙電層電容器相比傳統(tǒng)鋁電解電容器具有體積更小的優(yōu)勢，展現(xiàn)出用作高性能小型化濾波器件的巨大潛力，相關(guān)成果發(fā)表在Nano-Micro Letters (Nano-Micro Lett. 2024, 16, 235)。

隨著小型化、便攜式和可穿戴電子設(shè)備的快速發(fā)展，對微型電子元件的需求日益增加。濾波電容器是電子設(shè)備的核心關(guān)鍵部件，可將電壓波動(dòng)信號轉(zhuǎn)換為恒定的直流電，保證電子器件穩(wěn)定運(yùn)行。通常這些功能是由鋁電解電容器（AECs）完成，但其大的體積、低的電容量限制了電子設(shè)備的小型化。雙電層電容器（EDLCs）具有遠(yuǎn)高于AECs的能量密度，成為替代AECs用作小型化濾波電容器的潛在候選。然而，EDLCs傳統(tǒng)碳基電極內(nèi)緩慢的離子輸運(yùn)，使得實(shí)現(xiàn)同時(shí)具有高能量密度和快速頻率響應(yīng)能力的EDLCs，仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

團(tuán)隊(duì)利用具有三維互連孔結(jié)構(gòu)的陽極氧化鋁（3D-AAO）模板，設(shè)計(jì)制備了三維互連碳管（3D-CT）陣列網(wǎng)格膜，其中相互連接的縱向碳管與橫向碳管提供了穩(wěn)定的高取向結(jié)構(gòu)和快速的離子輸運(yùn)通道，表現(xiàn)出優(yōu)異的濾波性能。如果能進(jìn)一步提高3D-CT納米陣列電極的比表面積，將會進(jìn)一步提高器件的面積比電容，從而使器件的體積更小，這對各類高端電子產(chǎn)品的小型化、輕量化與便攜化極其重要。因此，構(gòu)筑具有更高比表面積的3D-CT納米陣列電極，以平衡濾波EDLCs的能量密度和頻率響應(yīng)性能，是濾波電容器更加小型化面臨的難題與挑戰(zhàn)。

三維互連多孔陽極氧化鋁模板（3D-AAO）通常是在磷酸電解液中、195 V的高電壓下通過陽極氧化含微量雜質(zhì)的鋁片而獲得。這種模板的垂直孔的孔徑（DP，~250 nm）和孔間距（Dint，~450 nm）較大，因此由此模板獲得的3D-CT電極的碳管密度較低，比表面積較小。通常情況下，直孔AAO模板的孔徑和間距與陽極氧化電壓間存在線性關(guān)系。若能降低陽極氧化電壓，則有可能獲得具有較小垂直孔徑和間距的3D-AAO模板，從而獲得高密度的3D-CT電極，大幅提高其比表面積。然而，利用現(xiàn)有技術(shù)難以直接在低電壓下制得垂直孔徑和間距較小的3D-AAO模板。

研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了精確控制3D-AAO模板孔結(jié)構(gòu)的方法，通過調(diào)控陽極氧化條件（包括電壓、電解液組成和濃度以及溫度等），成功實(shí)現(xiàn)了3D-AAO的垂直孔的孔徑在70 – 250 nm、垂直孔之間的間距在100 – 450 nm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。利用3D-AAO模板輔助化學(xué)氣相沉積法，制備了高排列密度的三維互連碳管（簡稱3D-CACT）納米陣列電極。BET測試結(jié)果表明，減小垂直管徑和間距，能夠有效地提高電極的比表面積。

科研人員進(jìn)一步以3D-CACT為電極，組裝雙電層電容器。測試發(fā)現(xiàn)器件在120 Hz下具有-80.2°的相位角、小于0.07 Ω cm2的等效串聯(lián)電阻以及0.25毫秒的較短電阻-電容（RC）時(shí)間常數(shù)，表現(xiàn)出快速頻率響應(yīng)性能。該器件在120 Hz下的面積比電容達(dá)到3.23 mF cm-2，遠(yuǎn)高于商用鋁電解電容器（約0.08 mF cm-2），并且高于迄今報(bào)道的三明治構(gòu)型的水系濾波超級電容器的面比電容。上述結(jié)果表明，3D-CACT納米陣列電極能夠同時(shí)提供高速離子傳輸通道和豐富電荷吸附位點(diǎn)，具有優(yōu)異的濾波性能。

濾波電容器在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要滿足高額定電壓的要求。因此，科研人員對標(biāo)6.3 V和10 V的商用鋁電解電容器，分別將六組和十組相同的基于3D-CACT電極的器件進(jìn)行串聯(lián)，以擴(kuò)展電容器的工作電壓。測試發(fā)現(xiàn)，器件串聯(lián)后仍保持較好的頻率響應(yīng)性能，并具有較短的弛豫時(shí)間和較低的損耗。該結(jié)果表明所制備的電容器具有高穩(wěn)定性和均勻性，在串聯(lián)時(shí)能夠保持穩(wěn)定的性能，具有實(shí)際應(yīng)用潛力。隨后，科研人員以十組串聯(lián)器件為濾波器，進(jìn)行交流濾波應(yīng)用演示，以驗(yàn)證器件的濾波性能。研究發(fā)現(xiàn)，器件能夠?qū)⒄倚偷氖须姾推渌鞣N不同類型的輸入交流信號（如方波、三角波和噪聲波等）濾波為平滑的直流信號，濾波效果可與商業(yè)AEC相媲美。此外，科研人員自制了旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機(jī)來模擬環(huán)境中的不連續(xù)脈沖交流輸出，驗(yàn)證了濾波電容器組對該信號同樣具有出色的脈沖平滑能力。

綜上所述，基于高密度三維互連碳管納米陣列電極的雙電層電容器具有優(yōu)異的濾波性能，有望為高性能濾波電容器的研究提供新思路，推動(dòng)小型化電力系統(tǒng)和電子器件的發(fā)展。此外，該研究提出的結(jié)構(gòu)可調(diào)模板輔助法在納米材料的尺寸定制化制備和開發(fā)可集成微器件方面具有較大應(yīng)用潛力。      上述工作得到國家自然科學(xué)基金委和合肥物質(zhì)院院長基金等資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-024-01458-6

圖1. 高排列密度三維碳管納米陣列電極的設(shè)計(jì)策略和制備流程。

圖2. 垂直孔/管密度可調(diào)的3D-AAOs和3D-CTs的形貌和結(jié)構(gòu)特征。

圖3. 基于垂直碳管密度可調(diào)的三維碳管電極的雙電層電容器的電化學(xué)性能。

圖4. 交流線路濾波性能演示。