中国科学院合肥物质院固体物理研究所孟国文、韩方明团队与美国特拉华大学魏秉庆教授合作，在Science China Technological Sciences 2025年68卷第4期发表题为“Hierarchically porous 3D Y-branched carbon tube grids for high-performance filter capacitors”的研究论文，创制了一种“Y”分枝碳管三维互连网格膜新电极，大幅提升了滤波超级电容器的面积比电容，为小型滤波电容器开辟了新思路。
滤波电容器对电子设备与器件的稳定运行至关重要。双电层超级电容器具有较高的比电容和低频滤波的潜力，有望替代传统大尺寸的铝电解电容器，对电子器件小型化具有重要意义。优化碳基电极结构是构筑滤波超级电容器的关键。理想的电极应同时具有快速离子传输通道和丰富的电荷吸附表面。此前，该团队基于三维互连孔的多孔阳极氧化铝模板，制备了系列三维互连碳管网格膜电极，获得了性能优异的滤波双电层超级电容器。
为了进一步提高滤波超级电容器的面积比电容，使电子器件更加小型化，该团队在前期工作基础上，在本文中创制了具有多级“Y”分枝孔的三维互连多孔阳极氧化铝模板，进而构筑了多级“Y”分枝碳管三维互连网格膜电极。这种独特结构具有高效的离子传输路径：离子先进入粗直径孔中，然后再进入细直径的分枝孔中，从而降低了离子进入孔隙的能垒。在这种新型分级多孔结构电极中，大孔有利于快速离子传输，分枝小孔的较大比表面积有利于实现高容量。
通过精细调控“主干”和“分枝”的厚度比例，成功研制了在120 Hz下相位角为-80°时面积比电容高达3.6 mF cm-2的滤波超级电容器，远高于国际上已报道的三明治构型滤波超级电容器。与商用铝电解电容器相比，这种新型滤波超级电容器具有明显的体积优势，对高精尖电子设备与器件的小型化具有极其重要的意义。该研究有望解决面比电容和响应频率倒置关系的国际难题，为研制小型化滤波电容器开辟了新思路。
图1 Y分枝三维互连多孔阳极氧化铝模板（3D-Y-AAO）和Y分枝三维互连碳管（3D-YCT）的结构和制备过程示意图。（a）三维互连多孔阳极氧化铝（3D-AAO）模板衍生的三维互连碳管（3D-CT）、“管中管”结构碳管的三维互连网格膜（3D-CNT@CT）、表面粗糙的三维互连碳管（3D-RCT）、类似于“俄罗斯套娃”的多壳层碳管三维互连网格（3D-TLCT）和高密度三维互连碳管（3D-CACT）示意图；（b）多代Y分枝三维互连碳管（3D-YCT）制备流程；（c）一代、（d）二代、（e）三代“Y”型分枝碳管和（f）未分枝碳管示意图。
图2 3D-Y-AAO和3D-YCT的形貌和结构表征。（a）一代、（b）二代和（c）三代分枝3D-Y-AAO的截面扫描电镜（SEM）图及其相应放大图（d-f）；（g）一代、（h）二代和（i）三代分枝的3D-YCT的截面SEM图，插图为相应的示意图。
图3 基于具有不同粗细碳管厚度比例的3D-CT电极器件的电化学性能。（a）均为粗管、（b）粗细碳管厚度分别为5和10 μm、（c）均为细管的电极3D-CT截面SEM图，插图为其放大图；（d）Bode图；（e）Nyquist图；（f）面积比电容与频率的关系；（g）不同电极在120 Hz下的相位角和面积比电容关系图；（h）已报道的三明治型滤波超级电容器在120 Hz下的面积比电容的比较。
图4 交流滤波性能演示。（a）整流滤波电路示意图。（b）基于3D-YCT的双电层电容器（EDLC）和商业铝电解电容器（AEC）的交流滤波结果。（c）上述滤波器在60 Hz下不同负载电阻值下的输出电压和方差系数。基于3D-YCT的EDLC对（d）方波、（e）三角波和（f）任意波的滤波性能。