En forskargrupp ledd av prof. Meng Guowen från Institutet för fast tillståndsfysik, Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS), som framgångsrikt samarbetar med prof. Wei Bingqing vid University of Delaware, Newark, USA. utvecklat strukturellt integrerade, högorienterade kolrör (CT)-galler som elektroder för elektriska dubbelskiktskondensatorer (EDLC) för att avsevärt förbättra frekvensresponsen och de areal- och volumetriska kapacitanserna vid motsvarande frekvens. Den förväntas användas som en högpresterande, liten växelströms (AC) linjefiltreringskondensator i elektroniska kretsar, som tillhandahåller de nödvändiga materialen och teknologin för miniatyrisering och portabilitet av elektroniska produkter.

Resultaten publicerades i Science den 26 augusti 2022.

Att omvandla AC till likström (DC) är avgörande för att driva elektronik. I processen spelar filterkondensatorer en avgörande roll för att jämna ut spänningsrippeln i den likriktade DC-signalen, vilket säkerställer kvaliteten och tillförlitligheten hos elektrisk och elektronisk utrustning. Elektrolytiska kondensatorer av aluminium (AEC) används ofta inom detta område. Ändå är de alltid den största elektroniska komponenten på grund av deras låga volymetriska kapacitanser, vilket allvarligt begränsar utvecklingen av miniatyriserade och bärbara elektroniska produkter.

EDLCs, vanligtvis med kolmaterial som elektroder, anses vara potentiella kandidater för AC-linjefiltrering för att ersätta AECs på grund av deras högre specifika kapacitans, i linje med trenden med enhetsminiatyrisering, men begränsad av deras låga driftsfrekvens (~1 Hz). Även om driftsfrekvensen kan förbättras genom att använda högorienterade kolnanomaterial som elektroder, är den specifika kapacitansen mycket begränsad. Under tiden skulle de fysiska kontakterna mellan intilliggande kolnanorör eller grafenskivor inte bara öka motståndet, ytterligare sakta ner frekvenssvaret, utan också göra det svårt att öka massbelastningen av kolnanomaterialen och därmed få en stor kapacitans. Det finns ett akut behov av att utveckla nystrukturerade material för att öka det snabba frekvenssvaret samtidigt som hög specifik kapacitans bibehålls.

Sedan 2015 har forskargruppen arbetat med detta ämne. Efter oförtröttliga ansträngningar har en ny tredimensionell (3D) strukturintegrerad och högorienterad CT-matris med lateralt sammankopplade CT:er genom kemiska bindningar framgångsrikt utvecklats. 3D CT-nätet med verkligt sammankopplade och strukturellt integrerade vertikala och laterala CT:er (betecknade som 3D-CT) kan ge mycket orienterad, hög strukturell stabilitet, överlägsen elektrisk ledningsförmåga och effektiv öppen porös struktur, vilket förväntas uppfylla kraven för elektrodmaterialen i de små högpresterande AC-linjefiltrerande EDLC:erna.

För att få denna unika struktur anodiserade forskarna först en aluminiumskiva som innehåller en liten mängd Cu-föroreningar, för att erhålla den högordnade vertikala porösa anodiska aluminiumoxidmallen (AAO) som innehåller Cu-föroreningar nanopartiklar på porväggarna. Därefter erhölls en 3D sammankopplad porös AAO-mall genom att selektivt etsa de Cu-innehållande nanopartiklarna på porväggarna med fosforsyra.

3D-CT-rutnätet syntetiserades med en kemisk ångavsättningsmetod (CVD) med användning av 3D-AAO-mallen. För att öka den specifika ytan och ytterligare förbättra den specifika arean och volymetriska kapacitansen kan 3D-CT modifieras, vilket exemplifieras genom att fylla med mycket mindre diameter kolnanorör (CNT) inom de vertikala och laterala CT:erna via Ni-katalysatorn -assisterad CVD-metod, eller ytbehandlad med KMnO₄ .

Forskarna använde direkt 3D-CT-näten som elektroder för att konstruera en serie symmetriska EDLC:er. Det visade sig att sådana kondensatorer har bra frekvensrespons och mycket hög specifik ytkapacitans.

Ännu viktigare, för att nå hög driftspänning kopplades sex 3D-CT-nätbaserade EDLC:er i serie, vilket också uppvisade en utmärkt frekvensberoende prestanda och en lovande filtreringsprestanda som en enda EDLC. Det beror till stor del på att den lätta ökningen av motsvarande serieresistans äventyras av en motsvarande ökning av kapacitiv reaktans, vilket i slutändan leder till dess snabba frekvenssvar. Detta bevisar att högspännings AC linjefiltreringskondensatorer kan uppnås genom att ansluta flera EDLC:er i serie.

Dessutom uppvisar de 3D-CT-nätbaserade EDLC:erna betydande volymetriska fördelar jämfört med de jämförbart klassade AEC:erna vid lågspänningsdrift (under 25 volt).

Resultaten ger en sund teknisk grund och nyckelmaterial för att utveckla EDLC:er för miniatyrisering av AC-linjefilter och kraftenheter, vilket skulle vara till hjälp för att ersätta de skrymmande AEC:erna och förverkliga miniatyriseringen av bärbar elektronik, mobil strömförsörjning, elektriska apparater och distribuerad energi skörd och strömförsörjning på Internet of Things, vilket i hög grad främjar utvecklingen av högpresterande digitala kretsar och framväxande elektronisk teknik. + Utforska vidare

Jonofob elektrod ökar energilagringsprestanda