农大有理｜理学院王丽霞老师团队在紧凑型水混合电化学电容器领域取得新进展

　　物联网和智慧农业的快速发展大大加快了超小型和可定制纳米发电机的广泛应用，并用于收集可再生的绿色能源。然而，纳米发电机输出的信号通常是频率从几十赫兹到几百赫兹的脉冲交流信号，不能直接为后端设备供电，包括各种传感器。商用滤波电容器通常是铝电解电容器，其体积大，阻碍了电路中的集成。因此，迫切需要具有紧凑结构、宽工作电压范围和快速频率响应的滤波电容器，这对下一代清洁能源的实际应用极为重要。

　　近期，学院仿生应用化学团队王丽霞老师研究提出了一种交替堆叠的组装技术，以方便大规模制造紧凑型水混合集成滤波电容器(图1a)。该集成电容器中的每一个单元电容，是由作为负极的rGO/MXene复合膜和作为正极的PEDOT:PSS膜组成的(图1b)。得益于rGO和MXene组分的协同效应以及PEDOT:PSS的形态特征，单元电容器表现出出色的交流线路滤波特性，在120Hz时的面积比能量密度达到1015μFV2cm−2(0.28μWhcm−2,图1c)。并且经过精巧的集成工艺，交替堆叠组装的电化学电容器呈现出紧凑/轻量化配置和无损频率响应性能。该反应在120Hz时，集成器件呈现出几乎恒定的电阻电容器时间常数(0.2ms)和损耗因数(15%)，其数值与单个电容器单元相应参数的数值相同(图1d)。同时，集成器件还具有轻量化的特点，表现为70个单元串联得到的集成电容器，不仅能稳定地独自站在花朵上，还具有仅8.1cm3的体积。该集成电容还可实现100V交流线路滤波功能。集成电容表现出的紧凑/轻量化配置、无损集成性能和高的工作电压等性质均优于大多数报告的水系三明治结构的滤波电容器。本工作为具有无损频率响应和宽工作电压范围的紧凑型/超轻滤波电容器的制造和应用提供了新的思路。

图1.集成电容n-GMPEC制备过程示意图及电化学性能。

(a)集成电容n-GMPEC的制备过程示意图。

(b)单个电容单元GMPEC中负极GM和正极PDD的结构示意图。

(c)单个电容单元GMPEC与目前报道的水系滤波电化学电容器的电化学性能比较。

(d)n-GMPEC无损集成的电化学表征。

全文链接地址：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2022.11.055