“套娃”碳管助力電子器件小型化 | 科技前線_風聞

中科院之聲

近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所“一維材料組裝體及其高性能器件”研究團隊，聯合國外科研團隊設計構築了一種類似於“俄羅斯套娃”的多殼層同軸三維碳管陣列電極，刷新了濾波超級電容器面積比電容的紀錄，成果發表於《焦耳》。

我們的城市供電系統為交流電，而電視機、電腦和智能手機等充電時需要直流電源供電。要保證這些電子設備正常平穩運行，就需要濾波電容器來濾除整流後電壓信號中的紋波，才能得到平滑恆定的直流供電電源。

濾波電容器就像一個大的蓄水池，通過迅速吸收和排出水流，將原本波濤洶湧的海面迅速變得風平浪靜。因此，濾波電容器可以過濾掉電信號中不穩定（波動）的部分，讓電子設備得到穩定而持久的電力供應，這就是“濾波電容器”的作用。濾波電容器的品質、體積大小等至關重要。

▲交/直流電轉換過程 圖片來源網絡

讓“大塊頭”變小

目前，最常見的商用濾波電容器是鋁電解電容器。它具有頻率響應非常快、製造工藝和技術成熟等特點，應用廣泛，基本能夠滿足一般的濾波需求。

但鋁電解電容器的重要指標“比電容”太低，導致其體積龐大，在“寸土寸金”的電路板中是不折不扣的“大塊頭”，難以適應當前電子設備小型化的發展趨勢。

▲集成電路中的鋁電解電容器 圖片來源網絡

在此前的研究工作中，中國科學院合肥物質科學研究院發明了一種三維互連碳管組成的網格膜電極，研製出了能夠實現快速頻率響應的“濾波超級電容器”。該成果為小型化濾波電容器的研究開闢了一條新賽道，讓“大塊頭”有了變小的希望。

“套娃式”結構設計

基於此前的工作基礎，研究團隊設計構築了一種多殼層同軸三維碳管陣列電極，刷新了濾波超級電容器“面積比電容”的紀錄。

▲科學家構築類似於“套娃結構”碳管電極用於小型化濾波電容器

科研團隊從“俄羅斯套娃”獲得靈感，設計創造了一種類似於“套娃”碳管的縱橫互連三維陣列電極。

與之前的單層結構碳管相比，這種獨特的“套娃”結構同軸碳管，增大了離子可接觸的面積，能夠提供更多的電解液離子“吸附位置”，使得電容器可以存儲更多的電能。

▲單層結構三維碳管表徵圖（左） 三層“套娃”結構三維碳管表徵圖（右）

同時，“套娃”碳管中相鄰碳層之間筆直的“離子高速公路”，可以使離子在電極內部快速穿梭，迅速到達“吸附位置”，實現快速儲能。反之，也可快速放電，從而實現快速充-放電響應，滿足濾波電容器對頻率快速響應的要求。

大量實驗研究表明，當各種複雜的交流信號通過這種由“套娃”結構碳管陣列電極製成的對稱型雙電層超級電容器時，它可以瞬間把起伏的電壓信號變得平滑穩定，有效地消除了電壓波動，能為各類電子設備提供高質量的穩定直流電源。

小體積 大能量

這種由獨特的“套娃”結構碳管三維互連陣列電極構建的電容器，不僅能輕鬆應對低頻信號的波動，還具有令人滿意的“比電容”。

經過反覆測試發現，這種新結構的電容器，不僅“個頭”體積比傳統的商用鋁電解電容器小，而且容量更大，其重要指標“比電容”較傳統電容器（每平方釐米約0.08毫法）高出兩個數量級，達到每平方釐米3.08毫法，也高於其他“三明治構型”的濾波“超級電容器”，這有助於電子器件向小型化、輕量化發展。

該研究工作為研發兼具高容量和快速頻率響應的下一代小型化高性能濾波電容器開闢了新途徑。

參考文獻

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(24)00053-9

來源：中國科學院合肥物質科學研究院