Miniaturiseret højtydende filterkondensator baseret på strukturelt integrerede kulrørsgitre

Et forskerhold ledet af prof. Meng Guowen fra Institute Solid State Physics, Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) fra Chinese Academy of Sciences (CAS), der samarbejder med prof. Wei Bingqing fra University of Delaware, Newark, USA, med succes udviklet strukturelt integrerede, højt orienterede kulstofrør (CT)-gitre som elektroder af elektriske dobbeltlagskondensatorer (EDLC'er) for betydeligt at forbedre frekvensresponsen og de areal- og volumetriske kapacitanser ved den tilsvarende frekvens. Det forventes at blive brugt som en højtydende lille vekselstrøm (AC) liniefiltreringskondensator i elektroniske kredsløb, der leverer de væsentlige materialer og teknologi til miniaturisering og bærbarhed af elektroniske produkter.

Resultaterne blev offentliggjort i Science den 26. august 2022.

Konvertering af AC til jævnstrøm (DC) er afgørende for at drive elektronik. I processen spiller filterkondensatorer en afgørende rolle i at udjævne spændingsrippelen i det ensrettede DC-signal, hvilket sikrer kvaliteten og pålideligheden af ​​elektrisk og elektronisk udstyr. Elektrolytiske kondensatorer af aluminium (AEC'er) er meget udbredt på dette område. Alligevel er de altid den største elektroniske komponent på grund af deres lave volumetriske kapacitanser, som alvorligt begrænser udviklingen af ​​miniaturiserede og bærbare elektroniske produkter.

EDLC'er, sædvanligvis med kulstofmaterialer som elektroder, betragtes som potentielle kandidater til AC-linjefiltrering til at erstatte AEC'er på grund af deres højere specifikke kapacitans, i overensstemmelse med trenden med enhedsminiaturisering, men begrænset af deres lave driftsfrekvens (~1 Hz). Selvom driftsfrekvensen kan forbedres ved at bruge stærkt orienterede kulstofnanomaterialer som elektroder, er den specifikke kapacitans meget begrænset. I mellemtiden ville de fysiske kontakter mellem tilstødende carbonnanorør eller grafenplader ikke kun øge modstanden, yderligere sænke frekvensresponsen, men også gøre det vanskeligt at øge massebelastningen af ​​carbonnanomaterialerne og dermed opnå en stor kapacitans. Der er et presserende behov for at udvikle nystrukturerede materialer for at øge den hurtige frekvensrespons og samtidig opretholde høj specifik kapacitans.

Siden 2015 har forskerholdet arbejdet med dette emne. Efter utrættelig indsats er der med succes udviklet et nyt tredimensionelt (3D) struktur-integreret og højt orienteret CT-array med lateralt forbundne CT'er ved kemiske bindinger. 3D CT-nettet med virkelig sammenkoblede og strukturelt integrerede vertikale og laterale CT'er (betegnet som 3D-CT) kan give meget orienteret, høj strukturel stabilitet, overlegen elektrisk ledningsevne og effektiv åben porøs struktur, som forventes at opfylde kravene i elektrodematerialerne i de lille højtydende AC-linjefiltrerende EDLC'er.

For at opnå denne unikke struktur anodiserede forskerne først en aluminiumsplade indeholdende en lille mængde Cu-urenhed for at opnå den højordnede vertikale porøse anodiske aluminiumoxid-skabelon (AAO) indeholdende Cu-urenhed nanopartikler på porevæggene. Efterfølgende blev en 3D-sammenkoblet porøs AAO-skabelon opnået ved selektivt at ætse de Cu-holdige nanopartikler på porevæggene med fosforsyre.

3D-CT-gitteret blev syntetiseret ved en kemisk dampaflejringsmetode (CVD) ved hjælp af 3D-AAO-skabelonen. For at øge det specifikke overfladeareal og yderligere forbedre det specifikke areal og volumetriske kapacitans, kan 3D-CT'erne modificeres, som eksemplificeret ved at fylde med meget mindre diameter carbon nanorør (CNT'er) inden for de vertikale og laterale CT'er via Ni-katalysatoren -assisteret CVD-metode, eller overfladebehandlet med KMnO₄ .

Forskerne brugte direkte 3D-CT-gitteret som elektroder til at konstruere en række symmetriske EDLC'er. Det blev fundet, at sådanne kondensatorer har god frekvensrespons og meget høj specifik arealkapacitet.

Endnu vigtigere, for at nå høj driftsspænding, blev seks 3D-CT-netbaserede EDLC'er forbundet i serie, som også udviste en fremragende frekvensafhængig ydeevne og en lovende filtreringsydelse som en enkelt EDLC. Det er i høj grad på grund af den lille stigning i den tilsvarende seriemodstand kompromitteret af en tilsvarende forøgelse i kapacitiv reaktans, hvilket i sidste ende fører til dens hurtige frekvensrespons. Dette beviser, at højspændings-AC-linjefiltrerende kondensatorer kan opnås ved at forbinde flere EDLC'er i serie.

Desuden udviser de 3D-CT-netbaserede EDLC'er betydelige volumetriske fordele i forhold til de sammenligneligt bedømte AEC'er ved lavspændingsdrift (under 25 volt).

Resultaterne giver et solidt teknologisk grundlag og nøglematerialer til udvikling af EDLC'er til miniaturisering af AC-linjefilter og strømenheder, som ville være nyttige til at erstatte de omfangsrige AEC'er og realisere miniaturiseringen af ​​bærbar elektronik, mobil strømforsyning, elektriske apparater og distribueret energi høst og strømforsyning på tingenes internet, hvilket i høj grad fremmer udviklingen af ​​højtydende digitale kredsløb og nye elektroniske teknologier. + Udforsk yderligere

Ionofob elektrode øger ydeevnen for energilagring