Figura 1. Illustrazione schematica delle griglie 3D-CT sintetizzate:3D-CT, 3D-CNT@CT e 3D-RCT. Credito:HAN Fangming
Un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Meng Guowen dell'Institute Solid State Physics, Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) dell'Accademia cinese delle scienze (CAS), collaborando con successo con il Prof. Wei Bingqing dell'Università del Delaware, Newark, USA ha sviluppato griglie a tubi di carbonio (CT) strutturalmente integrate e altamente orientate come elettrodi di condensatori elettrici a doppio strato (EDLC) per migliorare significativamente le prestazioni di risposta in frequenza e le capacità areali e volumetriche alla frequenza corrispondente. Si prevede che venga utilizzato come condensatore di filtraggio di linea a corrente alternata (CA) di piccole dimensioni ad alte prestazioni nei circuiti elettronici, fornendo i materiali e la tecnologia essenziali per la miniaturizzazione e la portabilità dei prodotti elettronici.
I risultati sono stati pubblicati su Scienza il 26 agosto 2022.
La conversione della corrente alternata in corrente continua (CC) è fondamentale per alimentare l'elettronica. Nel processo, i condensatori di filtro svolgono un ruolo fondamentale nell'attenuazione dell'ondulazione di tensione nel segnale CC rettificato, garantendo la qualità e l'affidabilità delle apparecchiature elettriche ed elettroniche. I condensatori elettrolitici in alluminio (AEC) sono ampiamente utilizzati in questo campo. Tuttavia, sono sempre il più grande componente elettronico a causa delle loro basse capacità volumetriche, che limitano seriamente lo sviluppo di prodotti elettronici miniaturizzati e portatili.
Gli EDLC, solitamente con materiali in carbonio come elettrodi, sono considerati potenziali candidati per il filtraggio della linea CA in sostituzione degli AEC a causa della loro capacità specifica più elevata, in linea con la tendenza alla miniaturizzazione del dispositivo, ma limitati dalla loro bassa frequenza operativa (~ 1 Hz). Sebbene la frequenza operativa possa essere migliorata utilizzando nanomateriali di carbonio altamente orientati come elettrodi, la capacità specifica è molto limitata. Nel frattempo, i contatti fisici tra nanotubi di carbonio adiacenti o fogli di grafene non solo aumenterebbero la resistenza, rallentando ulteriormente la risposta in frequenza, ma renderebbero anche difficile aumentare i carichi di massa dei nanomateriali di carbonio e quindi ottenere una grande capacità. È urgente sviluppare materiali di nuova struttura per aumentare la risposta in frequenza veloce mantenendo un'elevata capacità specifica.
Figura 2. Struttura dell'assieme e prestazioni elettrochimiche degli EDLC basati su griglia 3D-CT. (A) Schema della struttura dell'assieme EDLC. (B) Trama piana complessa degli EDLC basati su 3D-CT. (C) Angolo di fase rispetto alla frequenza di 3D-CT-10, 3D-CNT@CT-10, 3D-RCT-10, 3D-RCT-12 e AEC commerciale (Panasonic, Giappone, 6,3 V/330 µF). (D) Confronto della capacità areale a 120 Hz di 3D-CT-10, 3D-CNT@C-10, 3D-RCT-10(12) e altri EDLC riportati utilizzati nei circuiti di filtro CA con l'angolo di fase vicino o inferiore a -80o. Credito:HAN Fangming
Dal 2015 il gruppo di ricerca lavora su questo argomento. Dopo sforzi incessanti, è stato sviluppato con successo un nuovo array CT tridimensionale (3D) integrato nella struttura e altamente orientato con CT interconnessi lateralmente da legami chimici. La griglia 3D CT con CT verticali e laterali realmente interconnessi e strutturalmente integrati (denominati 3D-CT) può fornire un'elevata stabilità strutturale altamente orientata, una conduttività elettrica superiore ed un'efficace struttura porosa aperta, che dovrebbe soddisfare i requisiti di i materiali degli elettrodi degli EDLC di filtraggio di linea CA ad alte prestazioni di piccole dimensioni.
Per ottenere questa struttura unica, i ricercatori hanno prima anodizzato un foglio di alluminio contenente una piccola quantità di impurità di Cu, per ottenere il modello di ossido di alluminio anodico anodico (AAO) altamente ordinato verticale contenente nanoparticelle di impurità di Cu sulle pareti dei pori. Successivamente, è stato ottenuto un modello AAO poroso 3D interconnesso attaccando selettivamente le nanoparticelle contenenti Cu sulle pareti dei pori con acido fosforico.
La griglia 3D-CT è stata sintetizzata mediante un metodo di deposizione chimica da vapore (CVD) utilizzando il modello 3D-AAO. Per aumentare la superficie specifica e migliorare ulteriormente la capacità areale e volumetrica specifica, i 3D-CT possono essere modificati, come esemplificato riempiendo con nanotubi di carbonio (CNT) di diametro molto più piccolo all'interno dei CT verticali e laterali tramite il catalizzatore Ni -metodo CVD assistito, o trattato in superficie con KMnO4 .
I ricercatori hanno utilizzato direttamente le griglie 3D-CT come elettrodi per costruire una serie di EDLC simmetrici. È stato riscontrato che tali condensatori hanno buone prestazioni di risposta in frequenza e una capacità areale specifica molto elevata.
Figura 3. Caratteristiche prestazionali di singoli EDLC ed EDLC in serie. (A) Complotti di Nyquist. (B) Angolo di fase rispetto alla frequenza. (C) Filtraggio dei risultati dei sei EDLC in serie rispetto agli AEC. (D) Un confronto volumetrico di EDLC a elettrodi a griglia 3D-CT con AEC commerciali (triangoli rossi, Panasonic, Nichicon e Nippon, Giappone). Credito:HAN Fangming
Ancora più importante, per raggiungere un'elevata tensione operativa, sono stati collegati in serie sei EDLC basati su griglia 3D-CT, che hanno anche mostrato un'eccellente prestazione dipendente dalla frequenza e una promettente prestazione di filtraggio come un singolo EDLC. È in gran parte dovuto al leggero aumento della resistenza in serie equivalente che è compromessa da un corrispondente aumento della reattanza capacitiva, portando infine alla sua risposta in frequenza veloce. Ciò dimostra che è possibile ottenere condensatori di filtraggio di linea CA ad alta tensione collegando più EDLC in serie.
Inoltre, gli EDLC basati su rete 3D-CT mostrano vantaggi volumetrici significativi rispetto agli AEC comparabili nelle operazioni a bassa tensione (inferiore a 25 volt).
I risultati forniscono una solida base tecnologica e materiali chiave per lo sviluppo di EDLC per la miniaturizzazione di filtri di linea CA e dispositivi di alimentazione, che sarebbero utili per sostituire gli ingombranti AEC e realizzare la miniaturizzazione di elettronica portatile, alimentazione mobile, elettrodomestici ed energia distribuita raccolta e alimentazione sull'Internet delle cose, promuovendo notevolmente lo sviluppo di circuiti digitali ad alte prestazioni e tecnologie elettroniche emergenti. + Esplora ulteriormente
