Tụ lọc hiệu suất cao thu nhỏ dựa trên các lưới ống carbon tích hợp có cấu trúc của Viện Khoa học Trung Quốc

Tụ lọc hiệu suất cao thu nhỏ dựa trên các lưới ống carbon tích hợp có cấu trúc của Viện Khoa học Trung Quốc

    Tụ lọc hiệu suất cao thu nhỏ dựa trên các lưới ống carbon tích hợp có cấu trúc
    của Viện Khoa học Trung Quốc

    Miniaturized high-performance filter capacitor based on structurally integrated carbon tube grids
    Hình 1. Sơ đồ minh họa lưới 3D-CT tổng hợp: 3D-CT, 3D-CNT @ CT và 3D-RCT. Ảnh: HAN Fangming


    Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Meng Guowen từ Viện Vật lý Trạng thái rắn, Viện Khoa học Vật lý Hợp Phì (HFIPS) thuộc Học viện Khoa học Trung Quốc (CAS) dẫn đầu, hợp tác với Giáo sư Wei Bingqing của Đại học Delaware, Newark, Hoa Kỳ, đã thành công đã phát triển các lưới ống carbon (CT) tích hợp có cấu trúc, định hướng cao làm điện cực của tụ điện hai lớp (EDLC) để cải thiện đáng kể hiệu suất đáp ứng tần số cũng như điện dung tích và thể tích ở tần số tương ứng. Nó dự kiến ​​sẽ được sử dụng như một tụ điện lọc dòng điện xoay chiều (AC) cỡ nhỏ hiệu suất cao trong các mạch điện tử, cung cấp các vật liệu và công nghệ cần thiết cho việc thu nhỏ và tính di động của các sản phẩm điện tử.

    Kết quả được công bố trên tạp chí Science vào ngày 26 tháng 8 năm 2022.

    Chuyển đổi AC thành dòng điện một chiều (DC) là điều quan trọng để cấp nguồn cho thiết bị điện tử. Trong quá trình này, tụ lọc đóng vai trò then chốt trong việc làm phẳng gợn điện áp trong tín hiệu DC đã được chỉnh lưu, đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của thiết bị điện và điện tử. Tụ điện nhôm (AEC) được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực này. Tuy nhiên, chúng vẫn luôn là thành phần điện tử lớn nhất do điện dung thể tích thấp, điều này hạn chế nghiêm trọng sự phát triển của các sản phẩm điện tử thu nhỏ và di động.

    EDLCs, thường có vật liệu carbon làm điện cực, được coi là ứng cử viên tiềm năng cho bộ lọc dòng AC thay thế AEC do điện dung riêng cao hơn, phù hợp với xu hướng thu nhỏ thiết bị, nhưng bị hạn chế bởi tần số hoạt động thấp (~ 1 Hz). Mặc dù tần số hoạt động có thể được nâng cao bằng cách sử dụng vật liệu nano cacbon định hướng cao làm điện cực, nhưng điện dung cụ thể rất hạn chế. Trong khi đó, các tiếp xúc vật lý giữa các ống nano cacbon hoặc các tấm graphene liền kề sẽ không chỉ làm tăng điện trở, tiếp tục làm chậm đáp ứng tần số, mà còn gây khó khăn cho việc tăng tải khối lượng của vật liệu nano cacbon và do đó thu được điện dung lớn. Cần cấp bách phát triển các vật liệu có cấu trúc mới để tăng đáp ứng tần số nhanh trong khi vẫn duy trì điện dung riêng cao.

    Miniaturized high-performance filter capacitor based on structurally integrated carbon tube grids
    Hình 2. Cấu trúc lắp ráp và biểu diễn điện hóa của EDLCs dựa trên lưới 3D-CT. (A) Sơ đồ cấu trúc lắp ráp EDLC. (B) Biểu đồ mặt phẳng phức tạp của các EDLC dựa trên 3D-CT. (C) Góc pha so với tần số của 3D-CT-10, 3D-CNT @ CT-10, 3D-RCT-10, 3D-RCT-12 và AEC thương mại (Panasonic, Nhật Bản, 6,3 V / 330 µF). (D) So sánh điện dung tương ứng ở 120 Hz của 3D-CT-10, 3D-CNT @ C-10, 3D-RCT-10 (12) và các EDLC được báo cáo khác được sử dụng trong mạch lọc AC với góc pha gần hoặc nhỏ hơn -80o. Ảnh: HAN Fangming
    Từ năm 2015, nhóm nghiên cứu đã thực hiện đề tài này. Sau những nỗ lực không ngừng, một mảng CT định hướng cao và tích hợp cấu trúc ba chiều (3D) mới với các CT liên kết bên với nhau bằng các liên kết hóa học đã được phát triển thành công. Lưới CT 3D với các CT thẳng đứng và CT bên được liên kết với nhau và được tích hợp về mặt cấu trúc (được ký hiệu là 3D-CT) có thể cung cấp tính định hướng cao, độ ổn định cấu trúc cao, độ dẫn điện vượt trội và cấu trúc xốp hở hiệu quả, dự kiến ​​sẽ đáp ứng các yêu cầu của vật liệu điện cực của EDLC lọc dòng AC hiệu suất cao cỡ nhỏ.

    Để có được cấu trúc độc đáo này, trước tiên các nhà nghiên cứu đã anod hóa một tấm nhôm có chứa một lượng nhỏ tạp chất Cu, để thu được mẫu nhôm oxit anốt xốp thẳng đứng (AAO) có thứ tự cao chứa các hạt nano tạp chất Cu trên thành lỗ. Sau đó, một mẫu AAO xốp liên kết 3D đã thu được bằng cách khắc chọn lọc các hạt nano chứa Cu trên thành lỗ bằng axit photphoric.

    Lưới 3D-CT được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) sử dụng mẫu 3D-AAO. Để tăng diện tích bề mặt cụ thể, và nâng cao hơn nữa điện dung tích và thể tích cụ thể, 3D-CT có thể được sửa đổi, ví dụ bằng cách lấp đầy các ống nano carbon (CNT) có đường kính nhỏ hơn nhiều bên trong CT thẳng đứng và CT bên thông qua chất xúc tác Ni -Phương pháp CVD hỗ trợ, hoặc xử lý bề mặt bằng KMnO4.

    Các nhà nghiên cứu đã trực tiếp sử dụng lưới 3D-CT làm điện cực để tạo ra một loạt các EDLC đối xứng. Người ta phát hiện ra rằng các tụ điện như vậy có hiệu suất đáp ứng tần số tốt và điện dung tích riêng rất cao.

    Miniaturized high-performance filter capacitor based on structurally integrated carbon tube grids
    Hình 3. Đặc điểm hoạt động của EDLC đơn và EDLC mắc nối tiếp. (A) Các âm mưu của Nyquist. (B) Góc pha so với tần số. (C) Kết quả lọc của sáu EDLC trong chuỗi so với AEC. (D) So sánh thể tích của EDLC điện cực lưới 3D-CT với AEC thương mại (tam giác đỏ Panasonic, Nichicon và Nippon, Nhật Bản). Ảnh: HAN Fangming


    Quan trọng hơn, để đạt được điện áp hoạt động cao, sáu EDLC dựa trên lưới 3D-CT được kết nối nối tiếp, cũng thể hiện hiệu suất phụ thuộc vào tần số tuyệt vời và hiệu suất lọc đầy hứa hẹn giống như một EDLC duy nhất. Phần lớn là do sự gia tăng nhẹ của điện trở loạt tương đương bị ảnh hưởng bởi sự gia tăng tương ứng trong điện dung, cuối cùng dẫn đến đáp ứng tần số nhanh của nó. Điều này chứng tỏ rằng các tụ lọc dòng xoay chiều điện áp cao có thể đạt được bằng cách kết nối nhiều EDLC mắc nối tiếp.

    Hơn nữa, các EDLC dựa trên lưới 3D-CT thể hiện các lợi thế về thể tích đáng kể so với các AEC được đánh giá tương đối trong các hoạt động điện áp thấp (dưới 25 volt).

    Các phát hiện cung cấp cơ sở công nghệ tốt và các tài liệu chính để phát triển EDLCs để thu nhỏ bộ lọc đường dây AC và các thiết bị nguồn, sẽ hữu ích để thay thế các AEC cồng kềnh và hiện thực hóa việc thu nhỏ các thiết bị điện tử di động, cung cấp điện di động, thiết bị điện và năng lượng phân tán thu hoạch và cung cấp năng lượng trên Internet of Things, thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của các mạch kỹ thuật số hiệu suất cao và các công nghệ điện tử mới nổi.

    Zalo
    Hotline