近期，清華大學(xué)化學(xué)系曲良體教授團(tuán)隊(duì)在Nature期刊上發(fā)表了題為“Ultralow-resistance electrochemical capacitor for integrable line filtering”的研究成果。

該成果報(bào)道了一種超低阻平面型微型插指電化學(xué)電容器，順利獲得飛秒激光構(gòu)建超窄溝道，利用內(nèi)建強(qiáng)電場(chǎng)極大地促進(jìn)了離子動(dòng)力學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)了在頻率為120Hz相角為-80°時(shí)，5.2 mF cm-2的超高面容量；并且研制出高一致性、高集成度的芯片式器件，在集成電路中驗(yàn)證了其高性能濾波能力。

論文第一作者為清華大學(xué)化學(xué)系博士研究生胡亞杰和福州大學(xué)吳明懋副教授，合作者包括中國(guó)科研實(shí)驗(yàn)室力學(xué)所劉峰副研究員和北京理工大學(xué)姜瀾教授等。

電容器是三大被動(dòng)元器件之一，在電子電路中起到至關(guān)重要的作用。隨著信息化時(shí)代的開(kāi)展，單單一部手機(jī)內(nèi)使用的電容就有成百上千個(gè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年的全球電容消費(fèi)市場(chǎng)份額達(dá)200億美元，中國(guó)是世界上最大的基礎(chǔ)電子元件市場(chǎng)，一年消耗的電容數(shù)以萬(wàn)億計(jì)，然而高端電容器不斷受日美壟斷。其中，濾波電容是電路中不可或缺的重要器件，起到濾波、穩(wěn)壓、紋波濾除的作用，從而保證中央處理器、記憶存儲(chǔ)器等精密電子器件的平穩(wěn)運(yùn)行，決定了先進(jìn)電子器件/設(shè)備性能。

現(xiàn)在的商用濾波電容器以電解電容器為主，但是其龐大的體積占據(jù)了電路板中極大的空間，限制了電路微型化乃至設(shè)備小型化的進(jìn)程。提高容量、縮小體積、提升性能是各大高端電容廠商爭(zhēng)相追逐的目標(biāo)。

電化學(xué)電容器的比容量較電解電容器高3個(gè)數(shù)量級(jí)，這為開(kāi)展微型化、集成化的濾波電容給予了可能；但受限于緩慢的離子遷移動(dòng)力學(xué)，無(wú)法做到濾波需求的高頻率響應(yīng)能力。因此，電化學(xué)電容器往往需要以犧牲比容量的方式，平衡高頻率的需求，到現(xiàn)在為止還難以實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。

該工作中，曲良體教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種電場(chǎng)增強(qiáng)離子遷移的新策略，順利獲得提升局部電場(chǎng)強(qiáng)度促進(jìn)內(nèi)部離子遷移速率以降低串聯(lián)內(nèi)阻，彌補(bǔ)電化學(xué)電容器高頻特性的不足?；诖怪比∠蚴┡cPEDOT：PSS衍生的復(fù)合活性電極，以及5微米的窄溝道結(jié)構(gòu)，將面積比電容較之前工作提升一倍，達(dá)到5.2 mF cm-2；在與商用電解質(zhì)電容器頻率性能相當(dāng)?shù)耐瑫r(shí)，比容量較之提升2個(gè)數(shù)量級(jí)。并且順利獲得飛秒激光的加工方法，實(shí)現(xiàn)了高密度、高一致性的集成，解決了電容器額定電壓/電容的定制化問(wèn)題。在實(shí)場(chǎng)驗(yàn)證中，該電容器表現(xiàn)出優(yōu)異的濾波性能和電路兼容性，甚至針對(duì)于柔性電子電路也表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定濾波能力。

圖1：超低阻平面型微型插指電化學(xué)電容器的設(shè)計(jì)與制造

圖2：超低阻平面型微型插指電化學(xué)電容器的電化學(xué)性能

圖3：超低阻平面型微型插指電化學(xué)電容器串聯(lián)內(nèi)阻降低的內(nèi)在機(jī)理

圖4：超低阻平面型微型插指電化學(xué)電容器的規(guī)?；膳c濾波性能

該工作為開(kāi)展高性能電化學(xué)濾波電容給予了新的認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)思路，順利獲得電場(chǎng)增強(qiáng)離子遷移動(dòng)力學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)內(nèi)阻的急劇降低；同時(shí)該工作實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)濾波電容器的可規(guī)?；?、高一致性、芯片式集成，標(biāo)志著電化學(xué)濾波電容器邁向?qū)嶋H應(yīng)用的重要一步。

研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

相關(guān)論文信息：

Hu, Y., Wu, M., Chi, F. et al. Ultralow-resistance electrochemical capacitor for integrable line filtering. Nature (2023). 

http://doi.org/10.1038/s41586-023-06712-2

http://www.nature.com/articles/s41586-023-06712-2

文章來(lái)源：小柯化學(xué)、今日新材料

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