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清华大学曲良体教授团队Nature Communications——电化学滤波电容器隔膜工程赋能微型高功率交流滤波

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-04-01 07:45

正文

请到「今天看啥」查看全文

▲第一作者：胡亚杰；

通讯作者：曲良体教授

论文DOI:10.1038/s41467-025-58064-2（点击文末「阅读原文」，直达链接）

前言

今天，非常荣幸邀请到清华大学曲良体教授课题组来对他们最新发表的Nature Communications文章进行赏析。本文主要由论文第一作者胡亚杰博士撰写。在此，特别感谢清华大学曲良体教授课题组的大力支持，特别是胡亚杰博士。

背景介绍

A. 滤波电容器

电容器是三大被动元器件之一，在电子电路中起到至关重要的作用。据统计，每年全球电容消费市场份额达 200 亿美元。其中，滤波电容是电路中不可或缺的重要器件，起到滤波、稳压、纹波滤除的作用，从而保证 CPU 、 GPU 等精密电子器件的平稳运行，决定了先进电子器件 / 设备性能。然而，以电解电容为代表的传统滤波电容比容量低（ <0.1 mF cm ^-2 ），在电路中往往需要提高器件体积或者增加器件并联个数的方法来满足滤波需求，极大的限制了电路小型化的发展。

B. 电化学滤波电容

相较于以电解电容为代表的传统滤波电容，电化学电容器的比容量高 3 个数量级，这为发展微型化、集成化的线滤波提供了可能。但是，基于其离子储能原理， 电化学电容器内阻较大，无法满足滤波的频率响应要求，严重制约了应用发展。

2010 年美国科学家 J. R. Miller 指出限制电化学电容器内阻的关键在于离子在密实孔结构电极材料中迁移严重受阻。因此，他们提出了构建直通孔大孔结构电极材料以解决该问题，利用化学气相沉积的方法 构建了垂直取向石墨烯阵列电极材料， 将电化学电容器在 120 Hz 下的相角提升至 -80° ，同时面积比容量达到 180 μF cm ^-2 ， 实现了第一个电化学滤波电容器 （ Science, 2010, 329: 1637-1639 ）。

研究背景：电化学滤波电容以比容量优势有望替代传统电解电容

C. 电化学滤波电容电极材料研究

自 J. R. Miller 提出电化学滤波电容器的直通孔构建方法后， 电极材料孔结构修饰成为了主流策略， 在此方向科学家取得了大量重要进展。截至目前，已将电化学滤波电容器的性能提升至 120 Hz 下相角 -80° 时，面积比容量为 2.8 mF cm ^-2 （ Science, 2022, 377: 1004-1007 ）。但是，进一步提升非常困难， 构建电极材料的直通孔大孔结构势必损失离子存储位点，这使得电化学滤波电容器的频率响应和相角形成了不可打破的关键制约关系。

研究核心问题：频率响应和比容量的相互制约关系

D. 电化学滤波电容器的器件结构研究

清华大学曲良体教授团队在 2023 年提出电场增强离子迁移策略，通过降低叉指电极沟道宽度提升器件内部电场，从而加速离子电迁移行为，降低器件内阻，实现频率响应和比容量的同时提升，在平面叉指型器件中实现了 120 Hz 下相角 -80° 时， 5.2 mF cm ^-2 的面积比容量（ Nature, 2023, 624: 74-79. ），同时实现了电化学滤波电容器的可电路集成信号滤波。然而， 电化学滤波电容器在高负载功率场景仍面临挑战，高负载功率对器件比容量提出了更高的要求，这需要材料和器件结构的携同创新。

研究盲点：电化学滤波电容器的隔膜材料研究

研究出发点

延续此前策略，清华大学化学系曲良体教授团队将电场增强例子迁移策略推广到广泛应用的三明治型器件结构中， 提出电化学滤波电容器的隔膜工程：区别于以往电极材料孔结构修饰，利用隔膜结构调控降低离子内阻，提升器件性能 （图 1 ）。该工作通过统计分析指出：在已报道的电化学滤波电容器中，隔膜所占内阻高达 50% ；所占非储能空间高达 80% 以上。计算结果表明，如果在保证隔膜孔结构和稳定性不变的前提下，降低隔膜厚度，电化学滤波电容器性能可显著提升。

图 1 电化学滤波电容器隔膜工程的提出

图文解析

鉴于此，该工作创新提出纤维 - 锚点结构薄隔膜（ TAS ）设计，将纤维素纳米纤维与氧化石墨烯纳米片复合，通过尺寸匹配与共价键结合形成三维多孔网络。隔膜厚度仅 3 微米，力学强度达 156 MPa （远超商业纤维素隔膜），且离子内阻低至 25 mΩ cm² ，较传统隔膜降低 1 个数量级（图 2 ）。

图 2 纤维 - 锚点结构薄隔膜的表征

A. 实现性能突破

将纤维 - 锚点结构薄隔膜替代商用隔膜后，三明治型电化学滤波电容器（ TAS-LFEC ）电化学性能取得了显著提升。 TAS-LFEC 在 120 Hz 频率下相角达 - 80° （与铝电解电容相当），面积电容提升至 6.6 mF cm⁻² （较铝电解电容高 2 个数量级）（图 3 ）。其作用机制主要在于独特的纤维 - 锚点结构同时保证了隔膜材料的孔道结构和稳定性，并且显著降低隔膜厚度，增强器件内部电场以提升离子电迁移速率（图 4 ）。从而使得器件内阻显著降低，在满足滤波频率响应要求的前提下，具有更大比容量提升空间。

图 3 基于纤维 - 锚点结构薄隔膜的电化学滤波电容器的电化学性能表征

图 4 纤维 - 锚点结构薄隔膜对电化学性能的影响机制研究

B. 实现三维交错堆栈式集成

该工作进一步开发了基于纤维 - 锚点结构薄隔膜的三维交错堆栈并联集成技术，将 30 个器件单元并联集成，且整体厚度不到 1 毫米， 面积电容提升至 240 mF cm⁻² ，同时保持频率响应不衰减 （图 5 ）。

图 5 基于纤维 - 锚点结构薄隔膜的三维交错堆栈式器件并联集成

C. 破解高负载功率滤波难题：

在实际测试中，搭载 TAS-LFEC 的整流滤波电路成功在 2.5 W cm⁻² 的高负载功率密度下将纹波系数控制在 5% 以内（图 6 ），较现有 LFEC 负载能力提升三个数量级。团队以电机作为高功率用电器进行了应用验证：传统铝电解电容因纹波失控无法正常驱动风扇，而 TAS-LFEC 输出纹波仅 14 mV ，设备运行平稳。红外热成像显示，即便连续工作 2 小时，电容器温升不足 1℃ ，展现了卓越的温控稳定性。

图 6 基于三维交错堆栈集成器件的高负载功率密度滤波性能验证

总结展望

该工作提出了隔膜工程用以解决电化学滤波电容器频响 - 容量相互制约关系 ，为进一步发展高性能三明治型电化学滤波电容提供了思路；同时 实现了 电化学滤波电容器的三维交错堆栈式并联集成，验证了电化学滤波电容器在高负载功率线滤波方面的应用潜力 ，标志着电化学滤波电容器迈向应用的重要一步。

自我点评与后续工作

该工作是电场增强离子迁移策略在三明治型电化学滤波电容器中的一个应用尝试，为其他从事电化学滤波电容研究的朋友们提供一个性能提升的新方法。同时，该工作还未深入优化隔膜结构，我们将会在进一步的工作中精心设计隔膜结构，争取尽快推进电化学滤波电容器的发展，迈向实际应用。

心得体会

在这里我要十分感谢我的恩师曲良体教授，全力支持我在电化学滤波电容器方向的科学研究，曲老师平易近人的交流方式，兢兢业业的治学态度，高标准的自我要求都在潜移默化中影响着我，让我受益匪浅。同时，还要感谢中国科学院力学研究所刘峰副研究员在理论与计算方面的合作和指导，感谢清华大学程虎虎副研究员和福州大学吴明懋副教授在课题与实验设计方面的合作和指导。

在学术研究的道路上，绝大多数时间并不是一帆风顺的。开始本课题的研究还是在刚刚完成博士资格考试的时候，现在我已经到了要毕业的年级。做科学研究的时候，获得快乐的时候往往是做科研过程中攻克难题的一个个瞬间，所以美好地希望和祝愿所有在科研道路上的同学们能够从科学研究的过程中发现属于自己的快乐，享受对科学的探索和热爱。

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