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滤波电容器在确保电气和电子设备的质量和可靠性方面发挥着关键作用。铝电解电容器是最常用的，但也是最大的滤波元件，限制了设备的小型化。双电荷层电容器的高面积和体积电容应使其成为理想的小型化滤波电容器，但由于其缓慢的频率响应而受到阻碍。
2022年8月25日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所孟国文研究员团队与美国特拉华大学魏秉庆教授合作在Science 在线发表题为“Structurally integrated 3D carbon tube grid–based high-performance filter capacitor”的研究论文，该研究报告了具有高面积电容和快速频率响应的互连和结构集成的基于碳管网格的双电荷层电容器的发展。这些电容器具有出色的 120 赫兹电压信号线路滤波和在数字电路、便携式电子设备和电器的低压操作下的体积优势。这些发现为开发用于小型化滤波器和功率器件的双电荷层电容器提供了良好的技术基础。
滤波电容器在确保电气和电子设备，尤其是存储设备和计算机的质量和可靠性方面发挥着至关重要的作用。电路滤波一直由铝电解电容器 (AEC) 主导，不幸的是，由于其低体积电容，它始终是最大的电子元件。因此，开发新型小型滤波电容器对于满足数字电路和便携式电子产品的当前和新兴需求至关重要。双电荷层电容器 (EDLC) 的高面积和体积电容应该使它们成为理想的候选者，但这受到它们缓慢的频率响应 (<1 Hz) 的阻碍。米勒等人证明了使用基于石墨烯的 EDLC 进行电路滤波的可行性，可以通过操纵电极材料和结构来增强电导率和离子电导率来调节 EDLC 的慢响应以满足电路滤波应用的需求。EDLC 可用于滤波电路，将交流电 (ac) 转换为直流电，但是，它们需要具有高频响应以平滑剩余的交流电纹波。电极材料必须具有优异的导电性和快速的离子响应才能实现快速的频率性能。此外，预计 EDLC 将具有高体积 (CV) 和面积 (CA) 比电容。CA 是一个更准确的评估指标，因为电极厚度将受到限制，以确保离子快速分布到内表面以确保高频响应。对于给定的电容，低 CA 将需要增加 EDLC 中的活性和非活性材料，从而导致低 CV。目前，EDLCs主要使用纳米结构的碳基电极。为了实现高频响应，此类 EDLC 只能使用低负载的活性材料，从而产生从属 CA。这是因为高负载的活性材料，如石墨烯或碳纳米管 (CNT) 阵列，往往会聚集成多层形式或束，导致对离子分布的阻力增加，因此响应缓慢。尽管已经报道了各种方法，例如使用垂直结构和大孔石墨烯，但这些问题仍未解决。因此，可以设想高性能碳基过滤器 EDLC 电极必须具有出色的结构稳定性，以在操作条件下保持其高体积和面积电容以及快速离子迁移。
该研究报告了具有高面积电容和快速频率响应的互连和结构集成的基于碳管网格的双电荷层电容器的发展。这些电容器具有出色的 120 赫兹电压信号线路滤波和在数字电路、便携式电子设备和电器的低压操作下的体积优势。这些发现为开发用于小型化滤波器和功率器件的双电荷层电容器提供了良好的技术基础。该工作得到国家基金委重点项目和面上项目、中科院前沿重点项目和创新国际团队项目、以及合肥研究院院长基金项目等资助。参考消息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4380
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