作者:曲良体等 来源:《自然》 发布时间:2023/11/16 0:05:14
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清华大学实现超低阻可集成电化学滤波电容器

 

2023年11月15日,清华大学化学系曲良体教授团队在Nature期刊上发表了题为“Ultralow-resistance electrochemical capacitor for integrable line filtering”的研究成果。

该成果报道了一种超低阻平面型微型插指电化学电容器,通过飞秒激光构建超窄沟道,利用内建强电场极大地促进了离子动力学,从而实现了在频率为120Hz相角为-80°时,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,在集成电路中验证了其高性能滤波能力。

论文第一作者为清华大学化学系博士研究生胡亚杰和福州大学吴明懋副教授,合作者包括中国科学院力学所刘峰副研究员和北京理工大学姜澜教授等。

电容器是三大被动元器件之一,在电子电路中起到至关重要的作用。随着信息化时代的发展,单单一部手机内使用的电容就有成百上千个。据统计,每年的全球电容消费市场份额达200亿美元,中国是世界上最大的基础电子元件市场,一年消耗的电容数以万亿计,然而高端电容器一直受日美垄断。其中,滤波电容是电路中不可或缺的重要器件,起到滤波、稳压、纹波滤除的作用,从而保证中央处理器、记忆存储器等精密电子器件的平稳运行,决定了先进电子器件/设备性能。

目前的商用滤波电容器以电解电容器为主,但是其庞大的体积占据了电路板中极大的空间,限制了电路微型化乃至设备小型化的进程。提高容量、缩小体积、提升性能是各大高端电容厂商争相追逐的目标。

电化学电容器的比容量较电解电容器高3个数量级,这为发展微型化、集成化的滤波电容提供了可能;但受限于缓慢的离子迁移动力学,无法做到滤波需求的高频率响应能力。因此,电化学电容器往往需要以牺牲比容量的方式,平衡高频率的需求,到目前为止还难以实现实际应用。

该工作中,曲良体教授团队报道了一种电场增强离子迁移的新策略,通过提升局部电场强度促进内部离子迁移速率以降低串联内阻,弥补电化学电容器高频特性的不足。基于垂直取向石墨烯与PEDOT:PSS衍生的复合活性电极,以及5微米的窄沟道结构,将面积比电容较之前工作提升一倍,达到5.2 mF cm-2;在与商用电解质电容器频率性能相当的同时,比容量较之提升2个数量级。并且通过飞秒激光的加工方法,实现了高密度、高一致性的集成,解决了电容器额定电压/电容的定制化问题。在实场验证中,该电容器表现出优异的滤波性能和电路兼容性,甚至针对于柔性电子电路也表现出优异的稳定滤波能力。

图1:超低阻平面型微型插指电化学电容器的设计与制造。

图2:超低阻平面型微型插指电化学电容器的电化学性能。

图3:超低阻平面型微型插指电化学电容器串联内阻降低的内在机理。

图4:超低阻平面型微型插指电化学电容器的规模化集成与滤波性能。

该工作为发展高性能电化学滤波电容提供了新的认识和设计思路,通过电场增强离子迁移动力学行为,实现内阻的急剧降低;同时该工作实现了电化学滤波电容器的可规模化、高一致性、芯片式集成,标志着电化学滤波电容器迈向实际应用的重要一步。

研究工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06712-2

 
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