清華新聞網(wǎng)11月23日電 近日，清華大學(xué)化學(xué)系曲良體教授課題組在電化學(xué)濾波電容領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。
電容器是三大被動(dòng)元器件之一，在電子電路中起到至關(guān)重要的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年的全球電容消費(fèi)市場(chǎng)份額達(dá)200億美元，中國(guó)是世界上最大的基礎(chǔ)電子元件市場(chǎng)，一年消耗的電容數(shù)以萬億計(jì)，然而高端電容器一直受日美壟斷。其中，濾波電容是電路中不可或缺的重要器件，起到濾波、穩(wěn)壓、紋波濾除的作用，從而保證中央處理器、記憶存儲(chǔ)器等精密電子器件的平穩(wěn)運(yùn)行，決定了先進(jìn)電子器件/設(shè)備性能。
目前的商用濾波電容器以電解電容器為主，但是其龐大的體積占據(jù)了電路板中極大的空間，限制了電路小型化乃至設(shè)備小型化的進(jìn)程。電化學(xué)電容器的比容量較電解電容器高三個(gè)數(shù)量級(jí)，這為發(fā)展微型化、集成化的濾波電容提供了可能。但受限于緩慢的離子遷移動(dòng)力學(xué)，無法做到濾波需求的高頻率響應(yīng)能力。因此，電化學(xué)電容器往往需要以犧牲比容量的方式，平衡高頻率的需求，到目前為止還難以實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。
超低阻平面型微型插指電化學(xué)濾波電容器的設(shè)計(jì)與制造
在該研究中，曲良體課題組報(bào)道了一種電場(chǎng)增強(qiáng)離子遷移的新策略，通過提升局部電場(chǎng)強(qiáng)度促進(jìn)內(nèi)部離子遷移速率以降低串聯(lián)內(nèi)阻，彌補(bǔ)電化學(xué)電容器高頻特性的不足。基于垂直取向石墨烯與PEDOT：PSS衍生的復(fù)合活性電極，以及5微米的窄溝道結(jié)構(gòu)，將面積比電容較之前工作提升一倍，達(dá)到5.2 mF cm-2。在與商用電解質(zhì)電容器頻率性能相當(dāng)?shù)耐瑫r(shí)，比容量較之提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并且通過飛秒激光的加工方法，實(shí)現(xiàn)了高密度、高一致性的集成，解決了電容器額定電壓/電容的定制化問題。在實(shí)場(chǎng)驗(yàn)證中，該電容器表現(xiàn)出優(yōu)異的濾波性能和電路兼容性，甚至針對(duì)于柔性電子電路也表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定濾波能力。
該研究為發(fā)展高性能電化學(xué)濾波電容提供了新的認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)思路，通過電場(chǎng)增強(qiáng)離子遷移動(dòng)力學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)內(nèi)阻的急劇降低；研究同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)濾波電容器的可規(guī)模化高一致性芯片式集成，標(biāo)志著電化學(xué)濾波電容器走出邁向?qū)嶋H應(yīng)用的重要一步。
近日，相關(guān)研究以“用于可集成線濾波的超低阻電化學(xué)電容器”（Ultralow-resistance electrochemical capacitor for integrable line filtering）為題發(fā)表在《自然》（Nature）期刊上。
清華大學(xué)化學(xué)系2021級(jí)博士研究生胡亞杰和福州大學(xué)吳明懋副教授為論文第一作者，清華大學(xué)化學(xué)系曲良體教授為論文通訊作者。合作者包括中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所劉峰副研究員和北京理工大學(xué)姜瀾教授等。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06712-2
供稿：化學(xué)系
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
