1 工作简介

         ——芯片式超低阻电化学滤波电容器

我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/设备的性能。目前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，无法满足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，来平衡高频率的需求，到目前为止还难以实现实际应用。

清华大学化学系曲良体教授团队提出了一种电场增强离子迁移的新策略，通过提升局域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。利用飞秒激光构建超窄沟道，其内局部强电场极大地促进了离子动力学行为，从而实现了频率120 Hz、相角为-80°时，达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，在集成电路甚至柔性电路中表现出高性能滤波能力。该工作有望实现对传统电解滤波电容的替代，为我国在高端滤波电容领域“弯道超车”取得领先优势奠定基础。

该工作首次提出局域电场增强策略用以提升电化学电容器内部离子迁移动力学行为，解决了电化学电容器长期以来存在的内阻过大，频率响应性能差的问题。与此前研究重点关注材料微观孔结构调控不同，该工作创造性地指出，离子迁移-存储可以通过器件结构设计同时实现大幅提升，利用超快激光刻蚀构建的新一代窄沟道的平面型插指电极，可以增强电化学电容器内部自发形成的电场强度，实现了对电解质离子以及电极材料内部离子传输过程的大大增强，并且通过动力学Monte Carlo 模拟以及原位探针、荧光示踪等实验对现象产生的原因进行了说明及验证。将器件在120 Hz下的串联电阻降低至39 mΩ cm²，相比于此前研究降低一个数量级。

该工作通过电化学沉积、蒸发诱导自组装以及相分离的方法构建了具有直立石墨烯阵列骨架的介孔结构PEDOT电极材料，其密集互通的介观孔洞结构同时保证了离子的快速传输通道和充足的离子储存位点。进一步，通过超快激光刻蚀加工，该工作制备了具有超窄沟道的平面型插指微型电化学滤波电容器。在保证高频响应能力的基础上（120 Hz下相角为-80°），器件面积比电容达到5.2 mF cm^-2，较此前报道最高水平提升一倍，打破了此前研究提升比电容的瓶颈（面积比电容从2 mF cm^-2至 3 mF cm^-2的提升历时8年之久）；较同体积电解电容高2个数量级，较同容量电解电容占用空间减少60倍。

该工作通过自下而上的超快激光跨尺度一体化加工，实现了规模化、高密度（集成度>80 cells cm^-2）、高一致性（偏差<5 %）的芯片级器件集成，能够满足不同容量、电压的需求，在35 V电压以下较国外产电解电容器更具体积优势。基于此，该研究首次实现了在电路板中的负载级集成应用，并且在PCB板的开关电路中实场验证了其优异的滤波性能以及电路兼容性，相较于同体积日、美产电解电容，纹波电压与电流降低了1个数量。

该工作于2023年11月15日以“Ultralow-resistance electrochemical capacitor for integrable line filtering”为题在线发表于国际顶级期刊Nature，受到Nature Asia Highlight报道等。

2 作者简介

通讯作者

曲良体，清华大学长聘教授。

第一作者

胡亚杰，清华大学博士研究生。

第一作者

吴明懋，福州大学材料科学与工程学院副教授，副系主任。

从事新能源材料与器件领域研究，涉及高功率储能、电化学滤波电容、二次离子电池等。主持国自然青年基金，迄今为止已发表SCI论文30余篇，被引次数超过600次，其中第一/通讯作者12篇文章，包括Nature、Nat. Commum.、Angew. Chem.等。申请专利6项。

3 原文传递

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