濾波電容器在交/直流電轉換中起到平滑整流信號中紋波的作用，對高端電力電子設備的穩定運行至關(guān)重要。鋁電解電容器（簡(jiǎn)稱(chēng)AECs）占據了這一領(lǐng)域的大部分市場(chǎng)，但其容量小、體積大，通常是電路中最大的元件之一，嚴重制約了電子器件的小型化發(fā)展。雙電層超級電容器（簡(jiǎn)稱(chēng)EDLCs）的比電容比商用鋁電解電容器AECs高幾個(gè)數量級，如果能將其用于濾波，有望滿(mǎn)足電子設備小型化發(fā)展的需求。然而，傳統的雙電層超級電容器EDLCs由于其多孔碳基電極中的彎曲、復雜孔結構，雖然具有高的容量，但其響應頻率一般低于1Hz，不能對市電濾波以供電子設備使用。
為了提高雙電層超級電容器的頻率響應性能，人們探究了用具有垂直取向大孔結構的多種碳基納米材料作為電極構建濾波雙電層電容器，但發(fā)現器件在市電頻率下的面積和體積比電容都較低，對市電濾波后的紋波仍然很大，不能給電子器件提供平滑穩定的電源。因此，研發(fā)既具有高取向性、快速響應頻率，又具有大比表面積、高容量的電極，對小型化濾波超級電容器至關(guān)重要。
固體所博士生陳干等以團隊前期創(chuàng )制的三維互連多孔陽(yáng)極氧化鋁（簡(jiǎn)稱(chēng)3D-AAO）為模板，在模板孔的限域誘導下交替進(jìn)行化學(xué)氣相沉積碳層和原子層沉積AlOx犧牲層，選擇性腐蝕氧化鋁模板和犧牲層AlOx后，構筑了同軸結構的兩層和三層碳管互連組成的三維框架（簡(jiǎn)稱(chēng)3D-MLCT）。各種分析手段研究表明，在這種同軸多殼層三維互連碳管網(wǎng)格膜中，所有的碳管都類(lèi)似于“俄羅斯套娃”結構，其內層碳管均勻地填充在同軸外層碳管的內部；這種三維互連套娃碳管網(wǎng)格膜不僅具有更大的表面積存儲電荷，而且其中的垂直碳管之間具有高度取向的大孔結構，有利于電解液離子快速傳輸。
科研人員以這種三維互連套娃碳管網(wǎng)格膜為電極，構筑了對稱(chēng)型雙電層電容器。研究發(fā)現三層套娃碳管電極構建的器件，在頻率120 Hz下表現出-80.1 的阻抗相位角和0.25毫秒(ms)的較短電阻-電容(RC)時(shí)間常數，表明該電極類(lèi)似于有序光滑的離子快速輸運通道，促進(jìn)了離子的快速分布。器件的面積比電容達到3.08 mF cm-2，比商用AECs的（約0.08 mF cm-2）高2個(gè)數量級，并且也高于迄今報道的三明治構型的水系濾波超級電容器。此外，還發(fā)現器件的損耗因子低、儲能效率高。
為了驗證器件的交流濾波功能，科研人員對標10伏商用鋁電解電容器，將十組相同的新型器件串聯(lián)，以擴展器件濾波的工作電壓。研究發(fā)現串聯(lián)后的器件組仍然具有優(yōu)異的頻率響應性能，進(jìn)而搭建了濾波電路，以驗證串聯(lián)器件組對交流線(xiàn)路的濾波性能；60 Hz交流市電信號經(jīng)過(guò)整流和器件組濾波后，能輸出穩定平滑的恒定直流信號為直流電器供電；器件能將各種不同類(lèi)型的輸入信號(如方波、三角波和任意波形等)濾波為平滑的輸出電信號。此外，為了直觀(guān)地展示器件的濾波功能，科研人員進(jìn)行了演示實(shí)驗，用器件組對納米發(fā)電機發(fā)出的脈沖電壓濾波后點(diǎn)亮發(fā)光二極管。發(fā)現未接通濾波電容器前，發(fā)光二極管一直在不斷閃爍；而接通濾波電容器后，發(fā)光二極管發(fā)出穩定的光，說(shuō)明器件組具有很好的平滑脈沖電壓的功能。
綜上所述，基于套娃碳管三維互連網(wǎng)格膜電極的超級電容器，具有高的比電容、低的等效串聯(lián)電阻和快速的頻率響應性能，為研發(fā)兼具高容量和快速頻率響應性能的下一代小型化濾波電容器開(kāi)辟了新途徑。
該工作得到國家基金委和合肥物質(zhì)院院長(cháng)基金等資助。
圖 4. 基于套娃碳管互連三維框架的雙電層電容器的電化學(xué)性能。
圖 5. (A-B) 單個(gè)器件及器件組 (10 個(gè)器件串聯(lián) ) 性能對比； (C) 濾波電路示意圖； (D) 器件組與商用鋁電解電容器對交流信號濾波效果對比； (E-G) 器件組對方波、三角波和任意波的濾波效果； (H-I) 器件組對摩擦納米發(fā)電機發(fā)出電信號的濾波效果。
