Een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Meng Guowen van het Institute Solid State Physics, Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS), in samenwerking met Prof. Wei Bingqing van de University of Delaware, Newark, VS, met succes ontwikkelde structureel geïntegreerde, sterk georiënteerde koolstofbuis (CT) roosters als elektroden van elektrische dubbellaagse condensatoren (EDLC's) om de frequentieresponsprestaties en de oppervlakte- en volumetrische capaciteiten bij de overeenkomstige frequentie aanzienlijk te verbeteren. Het zal naar verwachting worden gebruikt als een hoogwaardige, kleine wisselstroom (AC) lijnfiltercondensator in elektronische circuits, die de essentiële materialen en technologie levert voor de miniaturisatie en draagbaarheid van elektronische producten.

De resultaten zijn gepubliceerd in Science op 26 augustus 2022.

Het omzetten van wisselstroom in gelijkstroom (DC) is van vitaal belang voor het aandrijven van elektronica. Daarbij spelen filtercondensatoren een cruciale rol bij het afvlakken van de spanningsrimpel in het gelijkgerichte gelijkstroomsignaal, waardoor de kwaliteit en betrouwbaarheid van elektrische en elektronische apparatuur wordt gewaarborgd. Aluminium elektrolytische condensatoren (AEC's) worden op dit gebied veel gebruikt. Toch zijn ze altijd de grootste elektronische component vanwege hun lage volumetrische capaciteiten, wat de ontwikkeling van geminiaturiseerde en draagbare elektronische producten ernstig beperkt.

EDLC's, meestal met koolstofmaterialen als elektroden, worden beschouwd als potentiële kandidaten voor AC-lijnfiltering om AEC's te vervangen vanwege hun hogere specifieke capaciteit, in lijn met de trend van miniaturisatie van apparaten, maar beperkt door hun lage werkfrequentie (~ 1 Hz). Hoewel de werkfrequentie kan worden verbeterd door hooggeoriënteerde koolstofnanomaterialen als elektroden te gebruiken, is de specifieke capaciteit zeer beperkt. Ondertussen zouden de fysieke contacten tussen aangrenzende koolstofnanobuizen of grafeenplaten niet alleen de weerstand verhogen, de frequentierespons verder vertragen, maar het ook moeilijk maken om de massaladingen van de koolstofnanomaterialen te verhogen en zo een grote capaciteit te verkrijgen. Er is dringend behoefte aan het ontwikkelen van nieuw gestructureerde materialen om de snelle frequentierespons te vergroten met behoud van een hoge specifieke capaciteit.

Sinds 2015 werkt het onderzoeksteam aan dit onderwerp. Na niet-aflatende inspanningen is met succes een nieuwe driedimensionale (3D) structuurgeïntegreerde en sterk georiënteerde CT-array met lateraal onderling verbonden CT's door chemische bindingen ontwikkeld. Het 3D CT-raster met echt onderling verbonden en structureel geïntegreerde verticale en laterale CT's (aangeduid als 3D-CT) kan een sterk georiënteerde, hoge structurele stabiliteit, superieure elektrische geleidbaarheid en een effectieve open poreuze structuur bieden, die naar verwachting zal voldoen aan de vereisten van de elektrodematerialen van de kleine, krachtige AC-lijnfilterende EDLC's.

Om deze unieke structuur te verkrijgen, anodiseerden de onderzoekers eerst een aluminiumplaat met een kleine hoeveelheid Cu-onzuiverheid, om de zeer geordende verticale poreuze anodische aluminiumoxide (AAO) sjabloon met Cu-onzuiverheid nanodeeltjes op de poriewanden te verkrijgen. Vervolgens werd een 3D onderling verbonden poreuze AAO-sjabloon verkregen door de Cu-bevattende nanodeeltjes op de poriewanden selectief te etsen met fosforzuur.

Het 3D-CT-raster werd gesynthetiseerd door een chemische dampafzetting (CVD) -methode met behulp van de 3D-AAO-sjabloon. Om het specifieke oppervlak te vergroten en de specifieke oppervlakte- en volumetrische capaciteit verder te verbeteren, kunnen de 3D-CT's worden aangepast, zoals geïllustreerd door het vullen met koolstofnanobuizen met een veel kleinere diameter (CNT's) in de verticale en laterale CT's via de Ni-katalysator -ondersteunde CVD-methode, of oppervlaktebehandeld met KMnO₄ .

De onderzoekers gebruikten de 3D-CT-rasters direct als elektroden om een ​​reeks symmetrische EDLC's te construeren. Er werd vastgesteld dat dergelijke condensatoren goede frequentieresponsprestaties en een zeer hoge specifieke oppervlaktecapaciteit hebben.

Wat nog belangrijker is, om een ​​hoge bedrijfsspanning te bereiken, werden zes 3D-CT grid-gebaseerde EDLC's in serie geschakeld, die ook uitstekende frequentieafhankelijke prestaties vertoonden, en een veelbelovende filterprestatie zoals een enkele EDLC. Het is grotendeels te wijten aan de lichte stijging van de equivalente serieweerstand die wordt aangetast door een overeenkomstige vergroting van de capacitieve reactantie, wat uiteindelijk leidt tot de snelle frequentierespons. Dit bewijst dat hoogspannings-AC-lijnfiltercondensatoren kunnen worden bereikt door meerdere EDLC's in serie te schakelen.

Bovendien vertonen de op het 3D-CT-netwerk gebaseerde EDLC's aanzienlijke volumetrische voordelen ten opzichte van de vergelijkbare AEC's bij laagspanningsactiviteiten (minder dan 25 volt).

De bevindingen bieden een solide technologische basis en belangrijke materialen voor de ontwikkeling van EDLC's voor het miniaturiseren van AC-lijnfilters en stroomapparaten, die nuttig zouden zijn om de omvangrijke AEC's te vervangen en de miniaturisering van draagbare elektronica, mobiele stroomvoorziening, elektrische apparaten en gedistribueerde energie te realiseren. oogsten en stroomvoorziening op het internet der dingen, waardoor de ontwikkeling van hoogwaardige digitale circuits en opkomende elektronische technologieën sterk wordt bevorderd. + Verder verkennen

Ionofobe elektrode verbetert energieopslagprestaties