Condensateur de filtrage haute performance miniaturisé basé sur des grilles de tubes de carbone structurellement intégrées

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Meng Guowen de l’Institut de physique des solides, Instituts Hefei des sciences physiques (HFIPS) de l’Académie chinoise des sciences (CAS), coopérant avec le professeur Wei Bingqing de l’Université du Delaware, Newark, États-Unis, a réussi développé des grilles de tubes de carbone (CT) structurellement intégrées et hautement orientées comme électrodes de condensateurs électriques à double couche (EDLC) pour améliorer considérablement les performances de réponse en fréquence et les capacités surfaciques et volumétriques à la fréquence correspondante. On s’attend à ce qu’il soit utilisé comme condensateur de filtrage de ligne de courant alternatif (CA) de petite taille et hautes performances dans les circuits électroniques, fournissant les matériaux et la technologie essentiels pour la miniaturisation et la portabilité des produits électroniques.

Les résultats ont été publiés dans La science le 26 août 2022.

La conversion du courant alternatif en courant continu (CC) est vitale pour alimenter l’électronique. Dans le processus, les condensateurs de filtrage jouent un rôle central dans le lissage de l’ondulation de tension dans le signal CC redressé, garantissant la qualité et la fiabilité des équipements électriques et électroniques. Les condensateurs électrolytiques en aluminium (AEC) sont largement utilisés dans ce domaine. Pourtant, ils sont toujours le plus gros composant électronique en raison de leurs faibles capacités volumétriques, ce qui limite sérieusement le développement de produits électroniques miniaturisés et portables.

Les EDLC, généralement avec des matériaux en carbone comme électrodes, sont considérés comme des candidats potentiels pour le filtrage de ligne CA pour remplacer les AEC en raison de leur capacité spécifique plus élevée, conformément à la tendance à la miniaturisation des appareils, mais limités par leur faible fréquence de fonctionnement (~ 1 Hz). Bien que la fréquence de fonctionnement puisse être améliorée en utilisant des nanomatériaux de carbone hautement orientés comme électrodes, la capacité spécifique est très limitée. Pendant ce temps, les contacts physiques entre des nanotubes de carbone ou des feuilles de graphène adjacents augmenteraient non seulement la résistance, ralentissant davantage la réponse en fréquence, mais rendraient également difficile l’augmentation des charges massiques des nanomatériaux de carbone et ainsi l’obtention d’une grande capacité. Il est urgent de développer des matériaux nouvellement structurés pour augmenter la réponse en fréquence rapide tout en maintenant une capacité spécifique élevée.

Depuis 2015, l’équipe de recherche travaille sur ce sujet. Après des efforts inlassables, un nouveau réseau CT tridimensionnel (3D) intégré à la structure et hautement orienté avec des CT interconnectés latéralement par des liaisons chimiques a été développé avec succès. La grille CT 3D avec des CT verticaux et latéraux véritablement interconnectés et structurellement intégrés (appelés 3D-CT) peut fournir une stabilité structurelle élevée et hautement orientée, une conductivité électrique supérieure et une structure poreuse ouverte efficace, qui devrait répondre aux exigences de les matériaux d’électrode des EDLC à filtrage de ligne AC hautes performances de petite taille.

Afin d’obtenir cette structure unique, les chercheurs ont d’abord anodisé une feuille d’aluminium contenant une petite quantité d’impuretés Cu, pour obtenir le modèle d’oxyde d’aluminium anodique poreux vertical hautement ordonné (AAO) contenant des nanoparticules d’impuretés Cu sur les parois des pores. Par la suite, une matrice AAO poreuse interconnectée 3D a été obtenue en gravant sélectivement les nanoparticules contenant du Cu sur les parois des pores avec de l’acide phosphorique.

La grille 3D-CT a été synthétisée par une méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) en utilisant le modèle 3D-AAO. Pour augmenter la surface spécifique et améliorer encore la capacité spécifique surfacique et volumétrique, les 3D-CT peuvent être modifiés, comme illustré par le remplissage avec des nanotubes de carbone (CNT) de diamètre beaucoup plus petit dans les CT verticaux et latéraux via le catalyseur Ni -méthode CVD assistée ou traitée en surface avec KMnO4.

Les chercheurs ont directement utilisé les grilles 3D-CT comme électrodes pour construire une série d’EDLC symétriques. Il a été constaté que de tels condensateurs ont de bonnes performances de réponse en fréquence et une capacité surfacique spécifique très élevée.

Plus important encore, pour atteindre une tension de fonctionnement élevée, six EDLC basés sur une grille 3D-CT ont été connectés en série, qui présentaient également une excellente performance dépendante de la fréquence et une performance de filtrage prometteuse comme un seul EDLC. Cela est dû en grande partie à la légère augmentation de la résistance série équivalente qui est compromise par une augmentation correspondante de la réactance capacitive, conduisant finalement à sa réponse en fréquence rapide. Cela prouve que des condensateurs de filtrage de ligne CA haute tension peuvent être obtenus en connectant plusieurs EDLC en série.

De plus, les EDLC basés sur la grille 3D-CT présentent des avantages volumétriques significatifs par rapport aux AEC de même valeur nominale dans les opérations à basse tension (inférieures à 25 volts).

Les résultats fournissent une base technologique solide et des matériaux clés pour le développement d’EDLC pour la miniaturisation des filtres de ligne CA et des dispositifs d’alimentation, ce qui serait utile pour remplacer les AEC encombrants et réalise la miniaturisation de l’électronique portable, de l’alimentation électrique mobile, des appareils électriques et de l’énergie distribuée. la collecte et l’alimentation électrique sur l’Internet des Objets, favorisant grandement le développement de circuits numériques performants et de technologies électroniques émergentes.