Nature Communications：水性介質電化學電容器實現數百伏任意波形交流電轉直流電

【背景】

濾波電容器是現代電子電路中必不可少的元件。傳統的濾波電容器由于體積大、結構死板、適用范圍窄等特點，常常受到限制。本文研制了一種適用于1 ~ 10000 Hz寬頻率范圍的交流電濾波的水基電化學電容器。這電容器在120 Hz時具有一個面積比能量密度438 μFV²cm^-2,這是目前為止所知在水基電化學電容器報告中的歷史新高。它可以將任意交流波形甚至噪聲轉換為直線信號。該電容單元經過集成后，在不犧牲濾波能力的前提下，可獲得數百伏特(如200 V及以上)的工作電壓。該電容器具有頻率范圍寬、工作電壓高的綜合特性，適用于多場景的交流電轉直流電濾波，具有重要的實用價值。

【成果簡介】

近期，Nature Communications期刊上發表題為“Arbitrary waveform AC line filtering applicable to hundreds of volts based on aqueous electrochemical capacitors”的研究論文。清華大學博士生吳明懋和池鳳瑤為本論文共同第一作者，曲良體教授為通訊作者，合作單位包括清華大學和北京理工大學。作者報告了一種基于串聯結構的水基電化學電容器(AHECs)的百伏級交流濾波器。在這種電化學體系中，穩定的電極材料具有較高的電導率和較大的多孔結構，有利于電子的快速傳輸和良好的雙電層電容行為。結合水系電解質高的離子電導率, AHEC擁有低的等效串聯電阻0.21 Ωcm²,小于常規AEC。同時, 與報道的類似相位角的水基電化學電容器ECs相比，可比相角下AHEC在120 Hz具有高的容量438 μFV²cm^-2。因此，該AHEC的比能密度大，總阻抗低，能在1 ~ 10000 Hz的寬頻率范圍內有效地將交流電平滑為直流電。此外，AHEC串聯集成允許在不犧牲速率性能和頻率響應特性的情況下實現高達數百伏（例如，200V及以上）交流電轉換為交流電。該電壓窗口可以滿足從小型便攜式設備到大型電器的各種要求。此外，連接的AHEC單元可以將任意的交流波形甚至電的噪聲平滑為直流信號，表明其廣泛適應性，對未來實際濾波電容器具有良好的應用前景。

【圖文導讀】

圖1.電極材料的制備與結構

(a) 酸預處理聚(3,4-乙二氧噻吩)(PEDOT)正極、電化學還原氧化石墨烯(ErGO)負極的制備及水基電化學電容器(AHEC)的組裝示意圖，GO代表氧化石墨烯；

(b-c) 不同放大倍數下PEDOT正極的SEM圖像；

(d) PEDOT正極高角環形暗場TEM圖像；

(e-f) ErGO負極的頂部和截面SEM圖像；

(g) AHEC單元及各種商用鋁電解電容器(AECs)照片。

圖2.研究了單電極和AHEC單元的循環伏安性能

(a) 聚(3,4-乙二氧噻吩)(PEDOT)正極掃描速率為1 V s^-1在不同電位范圍內的循環伏安(CV)曲線；

(b)掃電化學還原氧化石墨烯(ErGO)負極描速率為1 V s^-1時不同電位范圍內循環伏安(CV)曲線；

(c) 掃描速率為10 V s^-1時，PEDOT電極和ErGO電極在不同電位窗中的CV曲線。

(d) 不同電壓范圍下，掃描速率為10 V s^-1的水基電化學電容器(AHECs)的CV曲線。

(e) 掃描速率為1000 V s^-1時AHEC的CV曲線。

(f) 放電電流密度與AHEC掃描速率的關系圖。

圖3. 單元的電化學性能

(a) 相位角與頻率的關系圖；

(b) 尼奎斯特圖;插圖:在高頻率下展開的視圖；

(c) 比容(C '或C ")的實部或虛部隨頻率的曲線圖；

(d) 面積比電容(CA)隨頻率的函數圖；

(e) 水基混合電化學電容器(AHEC)的EA和電壓窗與文獻報道的交流線路濾波電化學電容器(ECs)的比較；

(f) 在電流密度為5 mA cm ^{- 2}時，AHECs的循環穩定性和庫侖效率可達10,000次。

圖4. AHEC的濾波性能

(a) 原理圖:該電路用于濾波電路的演示;光學圖像:水基混合電化學電容器(AHEC)和二極管橋板電路上平滑交流信號；

(b) AHEC與商用AEC在60 Hz下交流線路濾波性能的比較；

(c-i) AHEC單元對任意波形的濾波性能。

圖5. 頻率濾波的性能和濾波過程

(a) 水基混合電容器(AHEC)和鋁電解電容器(AEC)在1 Hz時的交流濾波性能;

(b) AHEC和AEC輸出信號數據隨頻率的方差直方圖;

(c) 整流器原理圖及其電路;

(d) AHEC單元原理圖及其濾波過程;

(e) 將正弦交流信號轉換成直流信號的過程。

【結論】

本文研制了一種獨特的高比容量大電壓窗口的交流濾波器，該濾波器工作頻率范圍從1 Hz到10000 Hz，組裝后累計工作電壓可達幾百伏。與此同時, AHEC顯示出面積比能量密度為438 μF V²cm^-2的紀錄, 可以在寬頻率范圍內和高壓條件平滑任意交流波形為直流。考慮到其高能量密度和良好的濾波性能，所制備的AHEC對未來的多場景通用濾波電容器具有重要的實用價值。

文獻鏈接

Arbitrary waveform AC line filtering applicable to hundreds of volts based on aqueous electrochemical capacitors

本文由材料人編輯luna編譯供稿，材料牛整理編輯。

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