【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所孟國(guó)文、韓方明研究團(tuán)隊(duì)與美國(guó)特拉華大學(xué)魏秉慶教授合作，通過創(chuàng)新的“晶體工程”策略，成功構(gòu)筑了高結(jié)晶度的石墨碳管三維互連網(wǎng)格，攻克了濾波超級(jí)電容器在高負(fù)載下頻率響應(yīng)急劇下降的難題，為電子器件的小型化提供了關(guān)鍵材料支撐。相關(guān)研究成果以“Crystallinity-Engineered Three-Dimensional Graphitic Carbon Tube Grids as Load-Tolerant Electrodes for AC Line-Filtering Capacitors”為題發(fā)表于Advanced Materials。
 

　　傳統(tǒng)鋁電解濾波電容器比容量低、體積笨重，已難以滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)對(duì)高性能濾波元件的需求。雙電層電容器充放電快、比電容高，是理想替代方案。然而，傳統(tǒng)雙電層電容器電極多為無序多孔碳，離子遷移路徑曲折、導(dǎo)電性有限，頻率響應(yīng)性能差，難以滿足濾波要求。2010年，Miller等人利用垂直石墨烯電極首次在超級(jí)電容器中展現(xiàn)了濾波功能，開啟了濾波超級(jí)電容器的研究熱潮。此后，研究人員不斷通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)(超薄結(jié)構(gòu)、有序介孔結(jié)構(gòu)等)提升頻率響應(yīng)，但均難以兼顧頻率響應(yīng)與高面(體)積比電容。
 

　　針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了三維互連網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)策略并通過逐步結(jié)構(gòu)優(yōu)化(Science, 377, 1004-1007 (2022)；Joule, 8, 1080-1091 (2024)；Nano-Micro Lett. 16, 235 (2024)；Sci. China Technol. Sci.68, 1420201 (2025))，實(shí)現(xiàn)了三明治型雙電層電容器頻率響應(yīng)與高容量的兼顧。然而，微電子器件對(duì)高面(體)積比電容的迫切需求，驅(qū)使電極走向“高負(fù)載”。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，單純?cè)黾与姌O厚度會(huì)導(dǎo)致濾波性能急劇衰減。進(jìn)一步研究表明，電極框架本征電子傳輸性能是被忽視的關(guān)鍵因素。特別是在厚電極中，較低的電子導(dǎo)電性會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電勢(shì)梯度增大、電場(chǎng)分布不均，制約離子快速協(xié)同響應(yīng)。提高碳材料的結(jié)晶度是解決問題的關(guān)鍵，但在比較理想的復(fù)雜三維碳結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量石墨化生長(zhǎng)極具挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)高溫石墨化工藝條件苛刻，金屬鎳催化石墨化又易誘發(fā)鎳納米結(jié)構(gòu)“顆粒化”，導(dǎo)致模板結(jié)構(gòu)變形甚至坍塌，嚴(yán)重制約了高導(dǎo)電石墨碳管三維有序結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)筑。
 

　　團(tuán)隊(duì)提出“晶體工程”策略。利用鎳納米棒三維互連網(wǎng)格(3D-NiNRG)同時(shí)作為結(jié)構(gòu)模板與催化劑框架，可控構(gòu)筑出兼具高結(jié)晶度與有序結(jié)構(gòu)的石墨碳管三維互連網(wǎng)格(3D-GCTG)，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)突破。一是克服模板失穩(wěn)，通過優(yōu)化催化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，抑制鎳納米棒三維互連網(wǎng)格模板在石墨化催化過程中的“顆?；?rdquo;難題，保持了三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)完整，確保離子傳輸通道暢通；二是化學(xué)鍵合結(jié)構(gòu)，3D-GCTG具有高度的結(jié)晶性，石墨碳管間通過石墨烯層化學(xué)鍵合，顯著降低了石墨碳管間界面電阻，構(gòu)建出高效電子傳輸網(wǎng)絡(luò)；三是局域電場(chǎng)增強(qiáng)，揭示結(jié)晶度對(duì)厚電極內(nèi)部電場(chǎng)分布的關(guān)鍵影響機(jī)制，3D-GCTG優(yōu)異的電子傳導(dǎo)能力降低電勢(shì)梯度，使電場(chǎng)均勻分布至電極內(nèi)部，促進(jìn)厚電極中離子的同步快速響應(yīng)。
 

　　對(duì)比結(jié)構(gòu)、厚度完全相同但結(jié)晶度不同的兩種碳管三維互連網(wǎng)格電極發(fā)現(xiàn)，高結(jié)晶度3D-GCTG電子-離子協(xié)同傳輸顯著增強(qiáng)。3D-GCTG電極具有優(yōu)異的“負(fù)載容忍度”，電極厚度增至40 µm時(shí)，120 Hz下相位角仍保持−80°以下，面積電容提升至3.77 mF cm−2，較先前報(bào)道的非結(jié)晶石墨化碳管三維互連結(jié)構(gòu)提高3.6倍，有效緩解了比電容與頻率響應(yīng)間長(zhǎng)期存在的權(quán)衡關(guān)系。
 

　　為對(duì)標(biāo)商用鋁電解濾波電容器，團(tuán)隊(duì)將6個(gè)基于3D-GCTG的器件串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)6 V工作電壓，可將60 Hz交流信號(hào)(正弦波、方波、三角波)轉(zhuǎn)換為平滑穩(wěn)定的直流輸出(圖3f)，驗(yàn)證了其在實(shí)際微型化濾波器件中的可行性。
 

　　該研究突破了高結(jié)晶度石墨化碳管三維互連有序結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑瓶頸，揭示了結(jié)晶度調(diào)控電子傳輸與電場(chǎng)分布進(jìn)而影響超快儲(chǔ)能與濾波行為的內(nèi)在機(jī)制。所構(gòu)筑的3D-GCTG實(shí)現(xiàn)了電子/離子輸運(yùn)的高效協(xié)同，不僅為交流濾波超級(jí)電容器提供了理想的電極材料與結(jié)構(gòu)，也為高功率電池、電催化等需要快速電荷轉(zhuǎn)移的能源器件提供了材料構(gòu)筑的新范例。
 

　　中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院為第一完成單位與通訊單位，博士研究生李佩為第一作者，孟國(guó)文研究員、韓方明研究員與美國(guó)特拉華大學(xué)魏秉慶教授為通訊作者。上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)基金項(xiàng)目等的支持。
 

　　引用：科學(xué)島團(tuán)隊(duì)提出“三維互連碳管網(wǎng)格的晶體工程”策略 為濾波超級(jí)電容器電極設(shè)計(jì)提供新視角 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 【引用時(shí)間：2026年7月17日】