【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】電容器是電子設(shè)備中不可或缺的被動(dòng)元件，在濾波、旁路、整流、耦合、阻斷、電源供應(yīng)和轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。隨著現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)制造、醫(yī)療設(shè)備、科學(xué)研究、新能源開(kāi)發(fā)、智能電網(wǎng)建設(shè)和航空航天等諸多領(lǐng)域?qū)Ω吣芰棵}沖電容器的性能提出了日益嚴(yán)苛的要求。常見(jiàn)電容器類型包括薄膜電容器、陶瓷電容器和固態(tài)鋁(或鉭)電解電容器。其中，薄膜電容器憑借其高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和高頻特性，在高能量脈沖應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。但其低介電常數(shù)和有限的比表面積導(dǎo)致儲(chǔ)能密度不足，且耐溫性較弱，縮短了其使用壽命。陶瓷電容器具有高介電常數(shù)、優(yōu)異的高頻特性和耐溫性，但其較小的比表面積和較低的擊穿場(chǎng)強(qiáng)限制了其儲(chǔ)能密度，制約了在能量脈沖領(lǐng)域的應(yīng)用。固態(tài)鉭電解電容器雖具備高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高介電常數(shù)和大比表面積，但其頻率響應(yīng)和耐溫性欠佳，加之鉭資源稀缺，難以成為脈沖電源的首選。相比之下，固態(tài)鋁電解電容器(AECs)得益于其超高的理論擊穿場(chǎng)強(qiáng)、同體積更高的比容量，以及同容量下耐受大電流的能力，展現(xiàn)出成為下一代高能量脈沖電容器的巨大潛力。然而，固態(tài)AECs的容量密度和電壓性能仍受限于陽(yáng)極比表面積和陰極材料的導(dǎo)電性。
 

　　傳統(tǒng)固態(tài)AECs陽(yáng)極材料采用減材制造工藝，通過(guò)電化學(xué)蝕刻技術(shù)在鋁箔表面構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)。歷經(jīng)六十載工藝迭代，其孔隙活化率已逼近理論極限，但垂直蝕刻形成的微孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致比表面積增益空間趨于枯竭，難以滿足新一代電子設(shè)備對(duì)能量密度的需求。針對(duì)這一瓶頸，基于增材制造原理的燒結(jié)鋁粉陽(yáng)極技術(shù)展現(xiàn)出革命性突破。通過(guò)納米級(jí)鋁粉顆粒的燒結(jié)工藝，在陽(yáng)極基體表面構(gòu)筑出三維分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)。這種創(chuàng)新材料不僅實(shí)現(xiàn)了比表面積的指數(shù)級(jí)拓展，其開(kāi)放互連的多向孔道更顯著改善了離子/分子傳輸動(dòng)力。因此，燒結(jié)鋁粉陽(yáng)極材料可為突破AECs能量密度極限提供重要前提。
 

　　此外，傳統(tǒng)固態(tài)AECs的電壓性能主要受制于低導(dǎo)電率的聚合物陰極材料(如PEDOT:PSS，100-300 S/cm²)，其在高壓下易熱擊穿。盡管AAO介電層具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)特性，但商用固態(tài)AECs的最大工作電壓仍被限制在200 V以下。因此，創(chuàng)新陰極材料以提升電壓性能，是開(kāi)發(fā)高能量密度電容器的另一關(guān)鍵。針對(duì)這一問(wèn)題，西安交大化學(xué)學(xué)院杜顯鋒教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列研究，旨在實(shí)現(xiàn)高壓、高能量密度AECs的成功構(gòu)筑。前期，該課題組以ALD-SnO2(1700 S/cm2替代AECs傳統(tǒng)聚合物陰極，ALD-Al2O3為緩沖層，創(chuàng)新性提出并構(gòu)筑了結(jié)構(gòu)為SnO2/Al2O3/AAO/Al的金屬-絕緣體-金屬型鋁電解電容器(MIM-AECs)。將電容器的工作溫度擴(kuò)展為-60~330°C，耐濕性提升至100% RH，電壓和能量密度分別可達(dá)7.2 V和0.82 μWh/cm²(Energy Storage Mater.2024, 103685. IF=18.9)。接著，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)SnO2/Al2O3/AAO多界面進(jìn)行氧等離子體與水的協(xié)同處理，鈍化了界面處氧空位缺陷位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了陰極/緩沖層/介質(zhì)層低缺陷狀態(tài)，使器件電壓和能量密度分別提升至8.5 V和1.40 μWh/cm2(Chem. Eng. J. 2025, accepted. IF=13.4)。隨后，該課題組又以500 Vf腐蝕化成鋁箔為陽(yáng)極，構(gòu)筑了結(jié)構(gòu)為SnO2/AlPO4/AAO/Al的高壓MIM-AECs，將電容器的電壓和能量密度再次分別提升至260 V和8.6 μWh/cm²(J. Energy Chem. 2025, 104, 79-90. IF=14.0)。
 

　　近日，西安交大化學(xué)學(xué)院杜顯鋒教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于燒結(jié)鋁粉陽(yáng)極的高能量密度 MIM型鋁電解電容器的策略。制備了燒結(jié)鋁粉(Al-P)陽(yáng)極材料，其容量密度比傳統(tǒng)腐蝕鋁陽(yáng)極提高了18%。同時(shí)，通過(guò)磷酸處理獲得AlPO4緩沖層，構(gòu)筑了SnO2/AlPO4/AAO多層結(jié)構(gòu)，增加了界面Sn原子的擴(kuò)散勢(shì)壘，有效抑制了Sn原子向AAO的擴(kuò)散，確保了其高擊穿場(chǎng)強(qiáng)(5.4 MV/cm)。此外，SnO2/AlPO4/AAO 多層界面還降低了載流子遷移率，減弱了載流子加速效應(yīng)，防止了器件的局部擊穿。最終，該電容器的電壓和能量密度性能再度獲得顯著提升，分別可達(dá)380 V和11.6 µWh/cm2，并遠(yuǎn)超市售固態(tài) AECs。同時(shí)，該電容器具有寬溫度窗口(-60~332°C)、高耐濕(100% RH)和高頻響應(yīng)(300 kHz)特性，遠(yuǎn)優(yōu)于目前商用AECs。這項(xiàng)研究為新型MIM鋁電解電容器在高能量脈沖應(yīng)用領(lǐng)域中奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
 

圖1. 450-SnO2/AlPO4/AAO/Al-P結(jié)構(gòu)HRTEM表征
 

　　圖2. Al/Ag/C/450-SnO2/AlPO4/AAO/Al-P電容器容量電壓特性

 

　　該研究成果以題為“基于燒結(jié)鋁粉陽(yáng)極的高能量密度MIM型鋁電解電容器”(High Energy Density MIM-type Aluminum Electrolytic Capacitors Based on Sintered Aluminum Powder Anodes)發(fā)表在國(guó)際能源領(lǐng)域頂級(jí)期刊Energy Storage Materials(《能源存儲(chǔ)材料》，影響因子為18.9)。該論文的第一作者為西安交大化學(xué)學(xué)院博士研究生郭媛，論文通訊作者是西安交大化學(xué)學(xué)院杜顯鋒教授，西安交通大學(xué)為唯一通訊單位。
 

　　該研究工作是西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院杜顯鋒教授課題組在鋁電解電容器領(lǐng)域的又一研究成果，獲得國(guó)家自然科學(xué)基金和陜西省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。西安交大化學(xué)學(xué)院杜顯鋒教授長(zhǎng)期從事電解電容器、鋰(鈉)離子電池、鋁離子電池、超級(jí)電容器、柔性可穿戴傳感器的電極材料、電介質(zhì)、電解質(zhì)、固體化、柔性化、一體化等研究。目前已在Nat. Commun., Energy Storage Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Chem. Eng. J., Small, J. Mater. Chem. A等國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表相關(guān)研究論文近80余篇，申請(qǐng)發(fā)明專利50余項(xiàng)，并榮獲教育部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。