Alto miniaturizado

Institutos Hefei de Ciencias Físicas, Academia de Ciencias de China

Imagen: Figura 1. Ilustración esquemática de las cuadrículas 3D-CT sintetizadas: 3D-CT, 3D-CNT@CT y 3D-RCT.ver más

Crédito: HAN Fangming

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. UU., logró con éxito desarrolló rejillas de tubos de carbono (CT) altamente orientadas y estructuralmente integradas como electrodos de condensadores eléctricos de doble capa (EDLC), para mejorar significativamente el rendimiento de la respuesta de frecuencia y las capacitancias areales y volumétricas a la frecuencia correspondiente. Se espera que se utilice como un condensador de filtrado de línea de corriente alterna (CA) de tamaño pequeño y alto rendimiento en circuitos electrónicos, proporcionando los materiales y la tecnología esenciales para la miniaturización y portabilidad de productos electrónicos.

Los resultados se publicaron en Science el 26 de agosto de 2022.

La conversión de CA en corriente continua (CC) es vital para alimentar la electrónica. En el proceso, los condensadores de filtro desempeñan un papel fundamental a la hora de suavizar la ondulación del voltaje en la señal de CC rectificada, garantizando la calidad y fiabilidad 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 capacitancias 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 a los AEC debido a su mayor capacitancia específica, en línea con la tendencia de miniaturización de dispositivos, pero restringidos por su baja frecuencia de operación (~1 Hz). Aunque la frecuencia de funcionamiento puede mejorarse 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 el aumento de las cargas de masa de los nanomateriales de carbono y así obtener una gran capacitancia. Existe una necesidad urgente de desarrollar materiales de nueva estructura para aumentar la respuesta de frecuencia rápida manteniendo al mismo tiempo una capacitancia específica alta.

Desde 2015, el equipo de investigación trabaja en este tema. Después de incansables esfuerzos, se ha desarrollado con éxito una nueva matriz de TC altamente orientada e integrada en una estructura tridimensional (3D) con TC interconectados lateralmente mediante enlaces químicos. La rejilla de CT 3D con CT verticales y laterales verdaderamente interconectados y estructuralmente integrados (denominados 3D-CT) puede proporcionar una alta estabilidad estructural altamente orientada, una conductividad eléctrica superior y una estructura porosa abierta efectiva (Figura 1), que se espera que Cumple 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 lámina 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 contiene nanopartículas de impureza de Cu en las paredes de los poros. Posteriormente, se obtuvo una plantilla de AAO porosa interconectada en 3D (3D-AAO, esquina superior izquierda en la Figura 1) grabando selectivamente las nanopartículas que contienen Cu en las paredes de los poros con ácido fosfórico.

La cuadrícula 3D-CT (esquina superior derecha en la Figura 1) 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 la capacitancia volumétrica y de área específica, los 3D-CT se pueden modificar, como se ejemplifica llenando con nanotubos de carbono (CNT) de diámetro mucho más pequeño dentro de los CT verticales y laterales (denominados 3D). -CNT@CT, esquina inferior izquierda en la Figura 1) mediante el método CVD asistido por catalizador de Ni, o con tratamiento superficial con KMnO4 (3D-RCT, es decir, 3D-CT con una superficie rugosa, esquina inferior derecha en la Figura 1 ).

Los investigadores utilizaron directamente las rejillas 3D-CT como electrodos para construir una serie de EDLC simétricos (Figura 2A). Se descubrió que dichos condensadores tienen un buen rendimiento de respuesta de frecuencia (baja resistencia y un ángulo de fase inferior a -80°, como se muestra en las Figuras 2B y 2C) y una capacitancia de área específica muy alta (2,81 mF cm-2 a 120 Hz, como se muestra en Figura 2D).

Más importante aún, para alcanzar un alto voltaje operativo, se conectaron en serie seis EDLC basados ​​en rejilla 3D-CT, que también exhibieron un excelente rendimiento dependiente de la frecuencia (Figura 3A y 3B) y un rendimiento de filtrado prometedor como el de un solo EDLC (Figura 3C). ). 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 múltiples EDLC en serie.

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

Los hallazgos proporcionan una base tecnológica sólida y materiales clave para desarrollar EDLC para miniaturizar dispositivos de alimentación y filtros de línea de CA, lo que sería útil para reemplazar los voluminosos AEC y lograr la miniaturización de la electrónica portátil, el suministro de energía móvil, los electrodomésticos 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.

La financiación fue proporcionada por la Fundación de Ciencias Naturales de (subvención de China: 91963202 y 52072372), la subvención QYZDJ-SSW-SLH046 del Programa de Investigación Clave de Ciencias Fronterizas (CAS), el Programa de Asociación Internacional CAS/SAFEA para Equipos de Investigación Creativos y los Institutos de Ciencias Físicas de Hefei. (CAS) Subvención del Fondo del Director YZJJZX202018.

Ciencia

10.1126/ciencia.abh4380

Condensador de filtro de alto rendimiento basado en rejilla de tubo de carbono 3D estructuralmente integrado

26-ago-2022

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