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图1 基于三维互连碳管网格膜的双电层电容器及其性能
图2 六个基于三维互连碳管网格膜的电容器串联后的性能
在国家自然科学基金项目（批准号：91963202、52072373）等资助下，中科院合肥研究院固体物理所孟国文团队与合作者在高性能滤波电容器研究方面取得重要进展，研究成果以“结构集成三维碳管网格膜的高性能滤波电容器（Structurally Integrated 3D Carbon Tube Grid-Based High-Performance Filter Capacitor）”为题，于2022年8月26日发表在《科学》（Science）杂志上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4380。
滤波电容器能够平滑电压纹波，是将交流电信号转换为直流电的关键器件。目前常用的铝电解电容器（AECs）由于其体积比电容较小，一直是电路中的最大电子元件，制约了电子产品向小型化与便携化发展。电化学双电荷层电容器是一种超级电容器，其比电容相对较大，有望实现电子产品的小型化。但电化学双电荷层电容器的电极材料响应频率很低（~1 赫兹），无法实现对交流信号滤波；而采用取向性高的碳纳米材料作电极虽然能够提高电容器的工作频率，但难以有效提高器件的比电容量。所以，亟需研发全新结构的碳纳米材料电极，以确保在快速频率响应的同时，提高双电荷层电容器的比电容。
中科院合肥研究院固体物理所科研团队采用三维多孔模板诱导的化学气相沉积方法，成功研发了由“管中管”结构的碳管相互连接组成的三维碳管网格膜。这种结构不仅取向性高、结构稳定、导电性好，而且是一种开放式多孔结构，因此有望满足小型化高性能双电荷层滤波电容器对电极材料的要求。以上述三维碳管网格膜做电极，研究团队构建了一系列尺寸大小不同的对称型双电荷层电容器（图1），这些器件不仅具有理想的电容器特征，而且具有很好的频率响应性能（120赫兹下的相位角<-81o）和非常高的面积比电容（120 赫兹下对应的面积比电容为2.81 mF cm-2）。为了满足对较高电压交流线路滤波的需求，研究团队又将6个相同的电容器串联，发现串联后的器件仍然保持理想的电容特性 （图2），表现出与单个电容器一致的频率响应性能（120赫兹下的相位角<-82o）；且将其用于120赫兹交流线路滤波时，具有很好的滤波性能。
这种新型三维碳管网格膜的创新研制，以及小型化高性能滤波电容器的成功演示，展现出了替代目前交流线路滤波常用的大尺寸铝电解电容器的可能性与可行性，有望为电子产品的小型化与便携化提供新的解决方案与核心关键电极材料。