Miniaturisiert hoch

Aug 06, 2023

Hefei-Institute für Physikalische Wissenschaften, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Bild: Abbildung 1. Schematische Darstellung der synthetisierten 3D-CT-Gitter: 3D-CT, 3D-CNT@CT und 3D-RCT.mehr sehen

Bildnachweis: HAN Fangming

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. MENG Guowen vom Institut für Festkörperphysik, Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS), kooperierte erfolgreich mit Prof. WEI Bingqing von der University of Delaware, Newark, USA entwickelte strukturell integrierte, hochorientierte Kohlenstoffrohrgitter (CT) als Elektroden elektrischer Doppelschichtkondensatoren (EDLCs), um die Frequenzgangleistung sowie die Flächen- und Volumenkapazitäten bei der entsprechenden Frequenz deutlich zu verbessern. Es wird erwartet, dass er als leistungsstarker, kleiner AC-Netzfilterkondensator in elektronischen Schaltkreisen eingesetzt wird und die wesentlichen Materialien und Technologien für die Miniaturisierung und Portabilität elektronischer Produkte bereitstellt.

Die Ergebnisse wurden am 26. August 2022 in Science veröffentlicht.

Die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom (DC) ist für die Stromversorgung elektronischer Geräte von entscheidender Bedeutung. Dabei spielen Filterkondensatoren eine entscheidende Rolle bei der Glättung der Spannungswelligkeit im gleichgerichteten Gleichstromsignal und stellen so die Qualität und Zuverlässigkeit elektrischer und elektronischer Geräte sicher. Aluminium-Elektrolytkondensatoren (AECs) werden in diesem Bereich häufig verwendet. Dennoch sind sie aufgrund ihrer geringen Volumenkapazitäten immer die größten elektronischen Komponenten, was die Entwicklung miniaturisierter und tragbarer elektronischer Produkte erheblich einschränkt.

EDLCs, in der Regel mit Kohlenstoffmaterialien als Elektroden, gelten aufgrund ihrer höheren spezifischen Kapazität im Einklang mit dem Trend der Geräteminiaturisierung als potenzielle Kandidaten für die AC-Leitungsfilterung als Ersatz für AECs, sind jedoch durch ihre niedrige Betriebsfrequenz (~1 Hz) eingeschränkt. Obwohl die Betriebsfrequenz durch die Verwendung hochorientierter Kohlenstoffnanomaterialien als Elektroden erhöht werden kann, ist die spezifische Kapazität sehr begrenzt. Unterdessen würden die physischen Kontakte zwischen benachbarten Kohlenstoffnanoröhren oder Graphenschichten nicht nur den Widerstand erhöhen und den Frequenzgang weiter verlangsamen, sondern es auch schwierig machen, die Massenbeladungen der Kohlenstoffnanomaterialien zu erhöhen und so eine große Kapazität zu erreichen. Es besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung neu strukturierter Materialien, um den schnellen Frequenzgang zu erhöhen und gleichzeitig eine hohe spezifische Kapazität aufrechtzuerhalten.

Seit 2015 beschäftigt sich das Forschungsteam mit diesem Thema. Nach unermüdlichen Bemühungen wurde erfolgreich ein neues dreidimensionales (3D) strukturintegriertes und hochorientiertes CT-Array mit seitlich miteinander verbundenen CTs durch chemische Bindungen entwickelt. Das 3D-CT-Gitter mit wirklich miteinander verbundenen und strukturell integrierten vertikalen und lateralen CTs (bezeichnet als 3D-CT) kann eine hochorientierte, hohe strukturelle Stabilität, überlegene elektrische Leitfähigkeit und eine effektive offene poröse Struktur bieten (Abbildung 1), was erwartet wird erfüllen die Anforderungen an die Elektrodenmaterialien der kleinen, leistungsstarken AC-Netzfilter-EDLCs.

Um diese einzigartige Struktur zu erhalten, eloxierten die Forscher zunächst ein Aluminiumblech, das eine kleine Menge Cu-Verunreinigung enthielt, um das hochgeordnete vertikale poröse anodische Aluminiumoxid (AAO)-Templat zu erhalten, das Cu-Verunreinigungs-Nanopartikel an den Porenwänden enthielt. Anschließend wurde ein 3D-verbundenes poröses AAO-Templat (3D-AAO, obere linke Ecke in Abbildung 1) durch selektives Ätzen der Cu-haltigen Nanopartikel an den Porenwänden mit Phosphorsäure erhalten.

Das 3D-CT-Gitter (obere rechte Ecke in Abbildung 1) wurde durch ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD) unter Verwendung der 3D-AAO-Vorlage synthetisiert. Um die spezifische Oberfläche zu vergrößern und die spezifische Flächen- und Volumenkapazität weiter zu verbessern, können die 3D-CTs modifiziert werden, wie beispielsweise durch das Füllen mit Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) mit viel kleinerem Durchmesser innerhalb der vertikalen und lateralen CTs (bezeichnet als 3D). -CNT@CT, untere linke Ecke in Abbildung 1) über das Ni-Katalysator-unterstützte CVD-Verfahren oder oberflächenbehandelt mit KMnO4 (3D-RCT, d. h. 3D-CT mit rauer Oberfläche, untere rechte Ecke in Abbildung 1). ).

Die Forscher verwendeten die 3D-CT-Gitter direkt als Elektroden, um eine Reihe symmetrischer EDLCs zu konstruieren (Abbildung 2A). Es wurde festgestellt, dass solche Kondensatoren ein gutes Frequenzverhalten (geringer Widerstand und einen Phasenwinkel von weniger als -80°, wie in Abbildung 2B und 2C gezeigt) und eine sehr hohe spezifische Flächenkapazität (2,81 mF cm-2 bei 120 Hz, gezeigt in) aufweisen Abbildung 2D).

Noch wichtiger: Um eine hohe Betriebsspannung zu erreichen, wurden sechs gitterbasierte 3D-CT-EDLCs in Reihe geschaltet, die ebenfalls eine hervorragende frequenzabhängige Leistung (Abbildung 3A und 3B) und eine vielversprechende Filterleistung wie ein einzelner EDLC (Abbildung 3C) aufwiesen ). Dies liegt vor allem daran, dass der leichte Anstieg des äquivalenten Serienwiderstands durch eine entsprechende Vergrößerung der kapazitiven Reaktanz kompensiert wird, was letztendlich zu seinem schnellen Frequenzgang führt. Dies beweist, dass Hochspannungs-Wechselstrom-Netzfilterkondensatoren durch die Reihenschaltung mehrerer EDLCs erreicht werden können.

Darüber hinaus weisen die netzbasierten 3D-CT-EDLCs im Niederspannungsbetrieb (unter 25 Volt) erhebliche volumetrische Vorteile gegenüber den AECs mit vergleichbarer Nennleistung auf (Abbildung 3D).

Die Ergebnisse liefern eine solide technologische Grundlage und Schlüsselmaterialien für die Entwicklung von EDLCs zur Miniaturisierung von AC-Netzfiltern und Stromversorgungsgeräten, die hilfreich wären, um die sperrigen AECs zu ersetzen und die Miniaturisierung von tragbarer Elektronik, mobiler Stromversorgung, Elektrogeräten und dezentraler Energie zu realisieren Ernte und Stromversorgung im Internet der Dinge, wodurch die Entwicklung leistungsstarker digitaler Schaltkreise und neuer elektronischer Technologien erheblich vorangetrieben wird.

Die Finanzierung erfolgte durch die Natural Science Foundation (China-Zuschuss: 91963202 und 52072372), den Zuschuss QYZDJ-SSW-SLH046 des Key Research Program of Frontier Sciences (CAS), das CAS/SAFEA International Partnership Program for Creative Research Teams und die Hefei Institutes of Physical Science (CAS) Director's Fund-Zuschuss YZJJZX202018.

Wissenschaft

10.1126/science.abh4380

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