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2023年11月15日，清华大学曲良体团队在Nature 在线发表题为“Ultralow-resistance electrochemical capacitor for integrable line filtering”的研究论文，该研究提出了一种电场增强策略，以同时提高频率特性和电容。通过飞秒激光刻划减小通道宽度，小型化的窄通道平面内电化学电容器在电极材料和电解质中显示出大幅降低的离子电阻，从而在120 Hz时达到39 mΩ cm²的超低串联电阻。

在120 Hz下，相位角为- 80°时，实现了高达5.2 mF cm⁻²的超高面电容，是先前报道的最高面电容的两倍，并且在1,000,000次循环中几乎没有观察到退化。该电化学电容器可扩展集成到微电路中，显示出80个电池cm ^-2的高集成密度，并可按需定制电容和电压。鉴于其优良的滤波性能和电路兼容性，该工作为线滤波电化学电容器在集成电路和柔性电子领域的实际应用迈出了重要的一步。

线路滤波对于集成电路(如中央处理器(cpu)和存储设备)的精确供电至关重要。为了电路小型化和设备便携性，电化学电容器可以作为传统电解电容器(ELCs)的替代品，因为它们具有高比电容。然而，由于难以同时实现快速响应、高比电容、小型化和电路兼容集成，电化学电容器在线滤波电路中的实际应用仍然是一个巨大的挑战。为了满足快速响应，由于电化学电容器固有的高串联电阻，必须严重损害比电容。在整流电源频率为120 Hz时，一般电化学电容器的典型电阻-电容时间常数τ_RC (τ_RC = SR × C;其中SR为串联电阻，C为电容)约为1 s，远远低于有效线滤波的基本要求(τ_RC < 0.23 ms，对应相位角φ < −80°。

在这方面，串联电阻降低是实现快速响应同时保持大比电容的先决条件。对于线滤波电化学电容器，串联电阻主要由离子电阻主导，包括电极材料(R_m)和本体电解液(R_b)中的离子电阻。由于它们的典型响应时间不同，它们的值可以反映在Nyquist图的不同区域。由式φ =−arctan( 1/ωτ_RC)可知，在特定频率ω和电容C下，φ的减小需要R_m和R_b的减小。

到目前为止，仅通过放松电极材料中的孔隙来降低R_m已经取得了显著的进展。然而，由于不可避免地牺牲离子存储位置而导致的电容损失，因此存在严重的局限性。为了平衡频率特性和电容，即使对电极材料进行精确的纳米处理，串联电阻降低的极限也在100 mΩ cm²左右。因此，在φ < – 80°时，线滤波电化学电容器的面电容(CA)仍然有限(<3 mF cm⁻²)。与此同时，尚未满足的小型化和低集成度进一步限制了线滤波电化学电容器在集成电路中的应用。

NCEC的设计原理与制作（图源自Nature ）

该研究提出了一种电场增强策略，以促进电极材料和电解质内的离子迁移，导致串联电阻急剧降低一个数量级。与在频率特性和电容之间进行权衡的传统策略不同，自感强电场可以同时改善频率特性和电容。通过使用fs激光刻划缩小通道宽度，提出了具有超低串联电阻的NCECs，在120 Hz下低至39 mΩ cm²。因此，在120 Hz下，相位角为- 80°时，面积电容可达5.2 mF cm⁻²，是先前已知值的两倍。NCECs的可扩展和高密度集成为INM提供了80 cells cm ^-2的高集成密度，出色的电路兼容性以及电容和电压的按需定制。这项工作为线滤波电化学电容器的实际实现迈出了重要的一步，并为小型化微电路和下一代柔性电子技术的发展提供了机会。

论文信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06712-2