清华曲良体团队《自然·通讯》：电化学电容器实现高功率交流滤波

摘要：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。

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。

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，基于离子储能原理，电化学电容器内阻较大，为满足滤波的频率响应要求，不得不大幅牺牲器件容量，严重制约了应用发展。截至目前，电化学滤波电容器仍难以实现对高负载功率信号的滤波效果。

针对以上问题，清华大学曲良体教授团队提出电化学滤波电容器的隔膜工程，成功开发了出一种基于“纤维-锚点结构隔膜”的高性能线滤波电化学电容器。其面积电容较现有技术提升两个数量级，达到6.6 mF cm-2；并在纹波系数低于5%的情况下将负载功率密度提升至2.5 W cm-2。这一突破解决了传统电解电容器体积庞大、高频滤波性能不足的难题，为新一代高集成度电子设备提供了核心元件。相关工作以“Separator with high ionic conductivity enables electrochemical capacitors to line-filter at high power”为题发表在最新一期《Nature Communications》期刊上，该研究工作的第一作者是清华大学化学系博士研究生胡亚杰，通讯作者为清华大学化学系曲良体教授；合作者包括清华大学程虎虎副研究员、中科院力学所刘峰副研究员、福州大学吴明懋副教授和清华大学党智敏教授等。该研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。

隔膜工程助力电化学滤波电容器新突破

区别于以往电极材料孔结构修饰，研究团队提出利用隔膜结构调控降低离子内阻，提升器件性能（图1）。研究团队通过统计分析指出：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

打造超薄纤维-锚点结构隔膜：厚度3微米，超低离子内阻

鉴于此，研究团队创新提出纤维-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，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

实现性能突破：与铝电解电容频率响应，比容量提升2个数量级

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

设计实现三维交错堆栈式集成：无频率响应损失，面积比电容提升百倍

研究团队开发了纤维-锚点结构薄隔膜支持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

破解高功率滤波难题：负载功率密度提升千倍

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。