Uma equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Meng Guowen do Instituto de Física do Estado Sólido, Institutos Hefei de Ciências Físicas (HFIPS) da Academia Chinesa de Ciências (CAS), cooperando com o Prof. Wei Bingqing da Universidade de Delaware, Newark, EUA, obteve sucesso desenvolveram grades de tubo de carbono (CT) altamente orientadas e estruturalmente integradas como eletrodos de capacitores elétricos de dupla camada (EDLCs) para melhorar significativamente o desempenho da resposta de frequência e as capacitâncias de área e volumétrica na frequência correspondente. Espera-se que seja usado como um capacitor de filtragem de linha de corrente alternada (CA) de pequeno porte de alto desempenho em circuitos eletrônicos, fornecendo os materiais e tecnologia essenciais para a miniaturização e portabilidade de produtos eletrônicos.
Os resultados foram publicados na Science em 26 de agosto de 2022.

Converter AC em corrente contínua (DC) é vital para alimentar a eletrônica. No processo, os capacitores de filtro desempenham um papel fundamental na suavização da ondulação de tensão no sinal CC retificado, garantindo a qualidade e a confiabilidade dos equipamentos elétricos e eletrônicos. Os capacitores eletrolíticos de alumínio (AECs) são amplamente utilizados neste campo. Ainda assim, eles são sempre o maior componente eletrônico devido às suas baixas capacitâncias volumétricas, o que restringe seriamente o desenvolvimento de produtos eletrônicos miniaturizados e portáteis.

Os EDLCs, geralmente com materiais de carbono como eletrodos, são considerados potenciais candidatos à filtragem de linha CA para substituir os AECs devido à sua maior capacitância específica, em linha com a tendência de miniaturização do dispositivo, mas restrito por sua baixa frequência de operação (~1 Hz). Embora a frequência de operação possa ser aumentada usando nanomateriais de carbono altamente orientados como eletrodos, a capacitância específica é muito limitada. Enquanto isso, os contatos físicos entre nanotubos de carbono adjacentes ou folhas de grafeno não apenas aumentariam a resistência, retardando ainda mais a resposta de frequência, mas também dificultariam o aumento das cargas de massa dos nanomateriais de carbono e, assim, obter uma grande capacitância. Há uma necessidade urgente de desenvolver materiais recém-estruturados para aumentar a resposta de frequência rápida, mantendo alta capacitância específica.

Desde 2015, a equipe de pesquisa vem trabalhando nesse tema. Após esforços incessantes, foi desenvolvido com sucesso um novo arranjo tridimensional (3D) integrado à estrutura e altamente orientado com TCs interconectados lateralmente por ligações químicas. A grade de TC 3D com TCs verticais e laterais verdadeiramente interconectados e estruturalmente integrados (denominados 3D-CT) pode fornecer alta orientação e estabilidade estrutural, condutividade elétrica superior e estrutura porosa aberta eficaz, que deve atender aos requisitos de os materiais dos eletrodos dos EDLCs de filtragem de linha CA de pequeno porte e alto desempenho.

Para obter essa estrutura única, os pesquisadores primeiro anodizaram uma folha de alumínio contendo uma pequena quantidade de impureza de Cu, para obter o modelo de óxido de alumínio anódico poroso vertical (AAO) altamente ordenado contendo nanopartículas de impureza de Cu nas paredes dos poros. Posteriormente, um modelo de AAO poroso interconectado 3D foi obtido por ataque seletivo das nanopartículas contendo Cu nas paredes dos poros com ácido fosfórico.

A grade 3D-CT foi sintetizada por um método de deposição de vapor químico (CVD) usando o modelo 3D-AAO. Para aumentar a área de superfície específica e aprimorar ainda mais a capacitância areal e volumétrica específica, os 3D-CTs podem ser modificados, como exemplificado pelo preenchimento com nanotubos de carbono (CNTs) de diâmetro muito menor dentro dos CTs verticais e laterais por meio do catalisador de Ni -método CVD assistido, ou superfície tratada com KMnO₄ .

Os pesquisadores usaram diretamente as grades 3D-CT como eletrodos para construir uma série de EDLCs simétricos. Verificou-se que tais capacitores têm um bom desempenho de resposta em frequência e capacitância de área específica muito alta.

Mais importante, para atingir alta tensão de operação, seis EDLCs baseados em grade 3D-CT foram conectados em série, que também exibiram um excelente desempenho dependente da frequência e um desempenho de filtragem promissor como um único EDLC. É em grande parte devido ao ligeiro aumento da resistência em série equivalente que é comprometida por um aumento correspondente na reatância capacitiva, levando a sua rápida resposta de frequência. Isso prova que os capacitores de filtragem de linha CA de alta tensão podem ser alcançados por meio da conexão de vários EDLCs em série.

Além disso, os EDLCs baseados em rede 3D-CT apresentam vantagens volumétricas significativas sobre os AECs com classificação comparável em operações de baixa tensão (abaixo de 25 volts).

As descobertas fornecem uma base tecnológica sólida e materiais-chave para o desenvolvimento de EDLCs para miniaturização de filtros de linha CA e dispositivos de energia, o que seria útil para substituir os AECs volumosos e realizar a miniaturização de eletrônicos portáteis, fontes de alimentação móveis, aparelhos elétricos e energia distribuída colheita e fornecimento de energia na Internet das Coisas, promovendo grandemente o desenvolvimento de circuitos digitais de alto desempenho e tecnologias eletrônicas emergentes. + Explorar mais

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