Advanced Energy Materials:向微型化电子器件迈近——基于碳纳米洋葱结构的高性能交流滤波电容器

人类即将进入智能化时代,随之而来的是电子器件的多功能化与微型化。作为集成电路中一种重要的被动电子元器件,滤波电容器可以将交流电信号或不同频率的噪音信号转换为直流电信号,从而保证其它电子器件的稳定工作,其作用举足轻重。目前集成电路中用作滤波的电解电容器具有很低的体积能量密度,较大体积的劣势使其与微型化的集成电路非常不匹配,尤其在便携化与智能化电子器件的发展趋势下,电解电容器器的这一缺点会极大限制微型电子电路的迅速发展。超级电容器由于具有较高的能量密度、快速充放电能力及高倍率性能,有望作为小体积交流滤波器应用于微型电子电路中。然而,目前超级电容器的电极材料仍不具备高频下的高倍率性能和高能量存储性能,因而滤波性能并不理想,且无法实现微型化设计。

近日,天津理工大学材料学院张晨光教授课题组在基于新型碳纳米材料的高性能交流滤波器的研究领域取得重要进展。该研究团队利用单分散且尺寸均一的催化剂纳米颗粒,通过化学气相沉积法合成过程的调控,制备了一种新型的碳纳米洋葱/石墨烯复合结构薄膜。基于该薄膜电极材料的超级电容器展现出了出色的交流滤波电容性能及高体积能量密度,且在水系和有机系电解液体系中均展现出很高的倍率性能,在扫速高达5000 V s-1的情况下仍能保持良好的储能能力,优于现有报道的电极材料。该超级电容器器件还在交流滤波电路中展现出宽频范围内稳定的滤波性能。结合核磁共振表征与分子动力学模拟,课题组提出了复合结构薄膜具有优良滤波性能的机理。碳纳米洋葱的高曲率石墨表面、互联的碳纳米洋葱颗粒薄膜结构以及碳纳米洋葱与石墨烯之间的共价键结合赋予了复合结构快速的离子迁移能力以及高频响应能力。基于碳纳米洋葱/石墨烯复合结构薄膜的超级电容器器件有望作为小型化滤波器应用于交流转换、信号过滤以及高频储能等领域,推动微型电子器件的设计与发展,同时,该研究成果为类碳纳米洋葱结构的高曲率石墨表面应用于高频电信号响应提供了新的设计思路与制备途径。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI:10.1002/aenm.202002132) 上。相关工作得到了国家自然科学基金与天津理工大学“理工学者-百人计划”的资助。