Nature Communications：水性介质电化学电容器实现数百伏任意波形交流电转直流电

luna1 5年前 (2019-07-06) 4019浏览

【背景】

滤波电容器是现代电子电路中必不可少的元件。传统的滤波电容器由于体积大、结构死板、适用范围窄等特点，常常受到限制。本文研制了一种适用于1 ~ 10000 Hz宽频率范围的交流电滤波的水基电化学电容器。这电容器在120 Hz时具有一个面积比能量密度438 μFV2cm-2,这是目前为止所知在水基电化学电容器报告中的历史新高。它可以将任意交流波形甚至噪声转换为直线信号。该电容单元经过集成后，在不牺牲滤波能力的前提下，可获得数百伏特(如200 V及以上)的工作电压。该电容器具有频率范围宽、工作电压高的综合特性，适用于多场景的交流电转直流电滤波，具有重要的实用价值。

【成果简介】

近期，Nature Communications期刊上发表题为“Arbitrary waveform AC line filtering applicable to hundreds of volts based on aqueous electrochemical capacitors”的研究论文。清华大学博士生吴明懋和池凤瑶为本论文共同第一作者，曲良体教授为通讯作者，合作单位包括清华大学和北京理工大学。作者报告了一种基于串联结构的水基电化学电容器(AHECs)的百伏级交流滤波器。在这种电化学体系中，稳定的电极材料具有较高的电导率和较大的多孔结构，有利于电子的快速传输和良好的双电层电容行为。结合水系电解质高的离子电导率, AHEC拥有低的等效串联电阻0.21 Ωcm2,小于常规AEC。同时, 与报道的类似相位角的水基电化学电容器ECs相比，可比相角下AHEC在120 Hz具有高的容量438 μFV2cm-2。因此，该AHEC的比能密度大，总阻抗低，能在1 ~ 10000 Hz的宽频率范围内有效地将交流电平滑为直流电。此外，AHEC串联集成允许在不牺牲速率性能和频率响应特性的情况下实现高达数百伏（例如，200V及以上）交流电转换为交流电。该电压窗口可以满足从小型便携式设备到大型电器的各种要求。此外，连接的AHEC单元可以将任意的交流波形甚至电的噪声平滑为直流信号，表明其广泛适应性，对未来实际滤波电容器具有良好的应用前景。

【图文导读】

图1.电极材料的制备与结构

(a) 酸预处理聚(3,4-乙二氧噻吩)(PEDOT)正极、电化学还原氧化石墨烯(ErGO)负极的制备及水基电化学电容器(AHEC)的组装示意图，GO代表氧化石墨烯；

(b-c) 不同放大倍数下PEDOT正极的SEM图像；

(d) PEDOT正极高角环形暗场TEM图像；

(e-f) ErGO负极的顶部和截面SEM图像；

(g) AHEC单元及各种商用铝电解电容器(AECs)照片。

图2.研究了单电极和AHEC单元的循环伏安性能

(a) 聚(3,4-乙二氧噻吩)(PEDOT)正极扫描速率为1 V s-1在不同电位范围内的循环伏安(CV)曲线；

(b)扫电化学还原氧化石墨烯(ErGO)负极描速率为1 V s-1时不同电位范围内循环伏安(CV)曲线；

(c) 扫描速率为10 V s-1时，PEDOT电极和ErGO电极在不同电位窗中的CV曲线。

(d) 不同电压范围下，扫描速率为10 V s-1的水基电化学电容器(AHECs)的CV曲线。

(e) 扫描速率为1000 V s-1时AHEC的CV曲线。

(f) 放电电流密度与AHEC扫描速率的关系图。

图3. 单元的电化学性能

(a) 相位角与频率的关系图；

(b) 尼奎斯特图;插图:在高频率下展开的视图；

(c) 比容(C '或C ")的实部或虚部随频率的曲线图；

(d) 面积比电容(CA)随频率的函数图；

(e) 水基混合电化学电容器(AHEC)的EA和电压窗与文献报道的交流线路滤波电化学电容器(ECs)的比较；

(f) 在电流密度为5 mA cm - 2时，AHECs的循环稳定性和库仑效率可达10,000次。

图4. AHEC的滤波性能

(a) 原理图:该电路用于滤波电路的演示;光学图像:水基混合电化学电容器(AHEC)和二极管桥板电路上平滑交流信号；

(b) AHEC与商用AEC在60 Hz下交流线路滤波性能的比较；

(c-i) AHEC单元对任意波形的滤波性能。

图5. 频率滤波的性能和滤波过程

(a) 水基混合电容器(AHEC)和铝电解电容器(AEC)在1 Hz时的交流滤波性能;

(b) AHEC和AEC输出信号数据随频率的方差直方图;

(c) 整流器原理图及其电路;

(d) AHEC单元原理图及其滤波过程;

(e) 将正弦交流信号转换成直流信号的过程。

【结论】

本文研制了一种独特的高比容量大电压窗口的交流滤波器，该滤波器工作频率范围从1 Hz到10000 Hz，组装后累计工作电压可达几百伏。与此同时, AHEC显示出面积比能量密度为438 μF V2cm-2的纪录, 可以在宽频率范围内和高压条件平滑任意交流波形为直流。考虑到其高能量密度和良好的滤波性能，所制备的AHEC对未来的多场景通用滤波电容器具有重要的实用价值。

 

文献链接

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

本文由材料人编辑luna编译供稿，材料牛整理编辑。

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