Nature！清华大学最新成果登刊！
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在集成电路和便携式电子产品的线路滤波中，电化学电容器有望取代传统的电解电容器，但由于难以实现快速响应、高比电容、小型化和电路兼容集成，因此电化学电容器在线路滤波电路中的实际应用尚未实现。
鉴于此，日前由清华大学化学系曲良体教授团队在Nature期刊上发表了题为
“Ultralow-resistance electrochemical capacitor for integrable line filtering”
的研究成果。
该研究主要报道了一种超低阻平面型微型插指电化学电容器，通过飞秒激光构建超窄沟道，利用内建强电场极大地促进了离子动力学，从而实现了在频率为120Hz相角为-80°时，5.2 mF cm
-2
的超高面容量；并且研制出高一致性、高集成度的芯片式器件，在集成电路中验证了其高性能滤波能力。
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。
随着信息化时代的发展，单单一部手机内使用的电容就有成百上千个。
据统计，每年的全球电容消费市场份额达200亿美元，中国是世界上最大的基础电子元件市场，一年消耗的电容数以万亿计，然而高端电容器一直受日美垄断。
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，从而保证中央处理器、记忆存储器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。
图1：超低阻平面型微型插指电化学电容器的设计与制造。
目前的商用滤波电容器以电解电容器为主，但是其庞大的体积占据了电路板中极大的空间，限制了电路微型化乃至设备小型化的进程。提高容量、缩小体积、提升性能是各大高端电容厂商争相追逐的目标。
图2：超低阻平面型微型插指电化学电容器的电化学性能。
电化学电容器的比容量较电解电容器高3个数量级，这为发展微型化、集成化的滤波电容提供了可能；但受限于缓慢的离子迁移动力学，无法做到滤波需求的高频率响应能力。因此，电化学电容器往往需要以牺牲比容量的方式，平衡高频率的需求，到目前为止还难以实现实际应用。
图3：超低阻平面型微型插指电化学电容器串联内阻降低的内在机理。
该工作中，曲良体教授团队报道了一种电场增强离子迁移的新策略，通过提升局部电场强度促进内部离子迁移速率以降低串联内阻，弥补电化学电容器高频特性的不足。
基于垂直取向石墨烯与PEDOT：PSS衍生的复合活性电极，以及5微米的窄沟道结构，将面积比电容较之前工作提升一倍，达到5.2 mF cm
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；在与商用电解质电容器频率性能相当的同时，比容量较之提升2个数量级。并且通过飞秒激光的加工方法，实现了高密度、高一致性的集成，解决了电容器额定电压/电容的定制化问题。在实场验证中，该电容器表现出优异的滤波性能和电路兼容性，甚至针对于柔性电子电路也表现出优异的稳定滤波能力。
图4：超低阻平面型微型插指电化学电容器的规模化集成与滤波性能。
该工作为发展高性能电化学滤波电容提供了新的认识和设计思路，通过电场增强离子迁移动力学行为，实现内阻的急剧降低；同时该工作实现了电化学滤波电容器的可规模化、高一致性、芯片式集成，标志着电化学滤波电容器迈向实际应用的重要一步。
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06712-2
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