Un equipo de investigación dirigido por el Prof. Meng Guowen del Instituto de Física del Estado Sólido, Institutos Hefei de Ciencias Físicas (HFIPS) de la Academia China de Ciencias (CAS), en cooperación con el Prof. Wei Bingqing de la Universidad de Delaware, Newark, EE. desarrolló rejillas de tubos de carbono (CT) estructuralmente integradas y altamente orientadas como electrodos de condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) para mejorar significativamente el rendimiento de la respuesta de frecuencia y las capacidades volumétricas y de área a la frecuencia correspondiente. Se espera que se utilice como condensador de filtrado de línea de corriente alterna (CA) de pequeño tamaño y alto rendimiento en circuitos electrónicos, proporcionando los materiales y la tecnología esenciales para la miniaturización y portabilidad de productos electrónicos.

Los resultados fueron publicados en Science el 26 de agosto de 2022.

Convertir CA en corriente continua (CC) es vital para alimentar la electrónica. En el proceso, los condensadores de filtro desempeñan un papel fundamental para suavizar la ondulación del voltaje en la señal de CC rectificada, lo que garantiza la calidad y la confiabilidad de los equipos eléctricos y electrónicos. Los condensadores electrolíticos de aluminio (AEC) se utilizan ampliamente en este campo. Aún así, siempre son el componente electrónico más grande debido a sus bajas capacidades volumétricas, lo que restringe seriamente el desarrollo de productos electrónicos miniaturizados y portátiles.

Los EDLC, generalmente con materiales de carbono como electrodos, se consideran candidatos potenciales para el filtrado de línea de CA para reemplazar los AEC debido a su mayor capacitancia específica, en línea con la tendencia de miniaturización de dispositivos, pero restringida por su baja frecuencia operativa (~1 Hz). Aunque la frecuencia operativa se puede mejorar utilizando nanomateriales de carbono altamente orientados como electrodos, la capacitancia específica es muy limitada. Mientras tanto, los contactos físicos entre nanotubos de carbono o láminas de grafeno adyacentes no solo aumentarían la resistencia, ralentizando aún más la respuesta de frecuencia, sino que también dificultarían aumentar las cargas de masa de los nanomateriales de carbono y, por lo tanto, obtener una gran capacitancia. Existe una necesidad urgente de desarrollar materiales estructurados recientemente para aumentar la respuesta de frecuencia rápida mientras se mantiene una capacitancia específica alta.

Desde 2015, el equipo de investigación ha estado trabajando en este tema. Después de incansables esfuerzos, se ha desarrollado con éxito una nueva matriz de TC altamente orientada y con estructura tridimensional (3D) integrada con TC interconectados lateralmente mediante enlaces químicos. La cuadrícula de TC 3D con TC verticales y laterales verdaderamente interconectados y estructuralmente integrados (denominados 3D-CT) puede proporcionar alta estabilidad estructural altamente orientada, conductividad eléctrica superior y estructura porosa abierta efectiva, que se espera que cumpla con los requisitos de los materiales de los electrodos de los EDLC de filtrado de línea de CA de alto rendimiento y tamaño pequeño.

Para obtener esta estructura única, los investigadores primero anodizaron una hoja de aluminio que contenía una pequeña cantidad de impureza de Cu, para obtener la plantilla de óxido de aluminio anódico (AAO) poroso vertical altamente ordenada que contenía nanopartículas de impureza de Cu en las paredes de los poros. Posteriormente, se obtuvo una plantilla de AAO porosa interconectada en 3D grabando selectivamente las nanopartículas que contienen Cu en las paredes de los poros con ácido fosfórico.

La cuadrícula 3D-CT se sintetizó mediante un método de deposición química de vapor (CVD) utilizando la plantilla 3D-AAO. Para aumentar el área de superficie específica y mejorar aún más el área específica y la capacitancia volumétrica, los 3D-CT se pueden modificar, como se ejemplifica al llenarlos con nanotubos de carbono (CNT) de diámetro mucho más pequeño dentro de los CT verticales y laterales a través del catalizador Ni. -método CVD asistido, o superficie tratada con KMnO₄ .

Los investigadores utilizaron directamente las rejillas 3D-CT como electrodos para construir una serie de EDLC simétricos. Se encontró que dichos condensadores tienen un buen rendimiento de respuesta de frecuencia y una capacitancia de área específica muy alta.

Más importante aún, para alcanzar un alto voltaje de funcionamiento, se conectaron en serie seis EDLC basados ​​en cuadrícula 3D-CT, que también exhibieron un excelente rendimiento dependiente de la frecuencia y un rendimiento de filtrado prometedor como un solo EDLC. Se debe en gran parte a que el ligero aumento de la resistencia en serie equivalente se ve comprometido por un aumento correspondiente en la reactancia capacitiva, lo que en última instancia conduce a su rápida respuesta de frecuencia. Esto demuestra que se pueden lograr condensadores de filtrado de línea de CA de alto voltaje mediante la conexión de varios EDLC en serie.

Además, los EDLC basados ​​en cuadrícula 3D-CT exhiben ventajas volumétricas significativas sobre los AEC de clasificación comparable en operaciones de bajo voltaje (por debajo de 25 voltios).

Los hallazgos proporcionan una base tecnológica sólida y materiales clave para desarrollar EDLC para miniaturizar el filtro de línea de CA y los dispositivos de alimentación, lo que sería útil para reemplazar los voluminosos AEC y realiza la miniaturización de la electrónica portátil, la fuente de alimentación móvil, los aparatos eléctricos y la energía distribuida. recolección y suministro de energía en Internet de las cosas, promoviendo en gran medida el desarrollo de circuitos digitales de alto rendimiento y tecnologías electrónicas emergentes. + Explora más

El electrodo ionofóbico aumenta el rendimiento del almacenamiento de energía