【儀表網 研發快訊】電容器是電子設備中不可或缺的被動元件，在濾波、旁路、整流、耦合、阻斷、電源供應和轉換等領域發揮關鍵作用。隨著現代技術的飛速發展，工業制造、醫療設備、科學研究、新能源開發、智能電網建設和航空航天等諸多領域對高能量脈沖電容器的性能提出了日益嚴苛的要求。常見電容器類型包括薄膜電容器、陶瓷電容器和固態鋁(或鉭)電解電容器。其中，薄膜電容器憑借其高擊穿場強和高頻特性，在高能量脈沖應用中占據主導地位。但其低介電常數和有限的比表面積導致儲能密度不足，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、優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強限制了其儲能密度，制約了在能量脈沖領域的應用。固態鉭電解電容器雖具備高擊穿場強、高介電常數和大比表面積，但其頻率響應和耐溫性欠佳，加之鉭資源稀缺，難以成為脈沖電源的首選。相比之下，固態鋁電解電容器(AECs)得益于其超高的理論擊穿場強、同體積更高的比容量，以及同容量下耐受大電流的能力，展現出成為下一代高能量脈沖電容器的巨大潛力。然而，固態AECs的容量密度和電壓性能仍受限于陽極比表面積和陰極材料的導電性。
傳統固態AECs陽極材料采用減材制造工藝，通過電化學蝕刻技術在鋁箔表面構建多孔結構。歷經六十載工藝迭代，其孔隙活化率已逼近理論極限，但垂直蝕刻形成的微孔結構導致比表面積增益空間趨于枯竭，難以滿足新一代電子設備對能量密度的需求。針對這一瓶頸，基于增材制造原理的燒結鋁粉陽極技術展現出革命性突破。通過納米級鋁粉顆粒的燒結工藝，在陽極基體表面構筑出三維分級多孔結構。這種創新材料不僅實現了比表面積的指數級拓展，其開放互連的多向孔道更顯著改善了離子/分子傳輸動力。因此，燒結鋁粉陽極材料可為突破AECs能量密度極限提供重要前提。
此外，傳統固態AECs的電壓性能主要受制于低導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強特性，但商用固態AECs的最大工作電壓仍被限制在200 V以下。因此，創新陰極材料以提升電壓性能，是開發高能量密度電容器的另一關鍵。針對這一問題，西安交大化學學院杜顯鋒教授團隊進行了一系列研究，旨在實現高壓、高能量密度AECs的成功構筑。前期，該課題組以ALD-SnO2(1700 S/cm2替代AECs傳統聚合物陰極，ALD-Al2O3為緩沖層，創新性提出并構筑了結構為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展為-60~330°C，耐濕性提升至100% RH，電壓和能量密度分別可達7.2 V和0.82 μWh/cm²(Energy Storage Mater.2024, 103685. IF=18.9)。接著，該團隊通過對SnO2/Al2O3/AAO多界面進行氧等離子體與水的協同處理，鈍化了界面處氧空位缺陷位點，實現了陰極/緩沖層/介質層低缺陷狀態，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腐蝕化成鋁箔為陽極，構筑了結構為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，西安交大化學學院杜顯鋒教授團隊提出了一種基于燒結鋁粉陽極的高能量密度 MIM型鋁電解電容器的策略。制備了燒結鋁粉(Al-P)陽極材料，其容量密度比傳統腐蝕鋁陽極提高了18%。同時，通過磷酸處理獲得AlPO4緩沖層，構筑了SnO2/AlPO4/AAO多層結構，增加了界面Sn原子的擴散勢壘，有效抑制了Sn原子向AAO的擴散，確保了其高擊穿場強(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，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380 V和11.6 µWh/cm2，并遠超市售固態 AECs。同時，該電容器具有寬溫度窗口(-60~332°C)、高耐濕(100% RH)和高頻響應(300 kHz)特性，遠優于目前商用AECs。這項研究為新型MIM鋁電解電容器在高能量脈沖應用領域中奠定了堅實基礎。
圖1. 450-SnO2/AlPO4/AAO/Al-P結構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“基于燒結鋁粉陽極的高能量密度MIM型鋁電解電容器”(High Energy Density MIM-type Aluminum Electrolytic Capacitors Based on Sintered Aluminum Powder Anodes)發表在國際能源領域頂級期刊Energy Storage Materials(《能源存儲材料》，影響因子為18.9)。該論文的第一作者為西安交大化學學院博士研究生郭媛，論文通訊作者是西安交大化學學院杜顯鋒教授，西安交通大學為唯一通訊單位。
該研究工作是西安交通大學化學學院杜顯鋒教授課題組在鋁電解電容器領域的又一研究成果，獲得國家自然科學基金和陜西省自然科學基金重點項目的支持。西安交大化學學院杜顯鋒教授長期從事電解電容器、鋰(鈉)離子電池、鋁離子電池、超級電容器、柔性可穿戴傳感器的電極材料、電介質、電解質、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等國際知名學術期刊上發表相關研究論文近80余篇，申請發明專利50余項，并榮獲教育部科學技術進步一等獎1項。
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