近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理所孟国文、韩方明研究团队与美国特拉华大学魏秉庆教授合作，在《Advanced Materials》发表题为“Crystallinity-Engineered Three-Dimensional Graphitic Carbon Tube Grids as Load-Tolerant Electrodes for AC Line-Filtering Capacitors”的研究论文。该研究通过创新的“晶体工程”策略，成功构筑了高结晶度的石墨碳管三维互连网格，攻克了滤波超级电容器在高负载下频率响应急剧下降的难题，为电子器件的小型化提供了关键材料支撑。
1. 研究背景
传统铝电解滤波电容器比容量低、体积笨重，已难以满足现代电子系统对高性能滤波元件的需求。双电层电容器充放电快、比电容高，是理想替代方案。然而，传统双电层电容器电极多为无序多孔碳，离子迁移路径曲折、导电性有限，频率响应性能差，难以满足滤波要求。2010年，Miller等人利用垂直石墨烯电极首次在超级电容器中展现了滤波功能，开启了滤波超级电容器的研究热潮。此后，研究人员不断通过优化电极结构（超薄结构、有序介孔结构等）提升频率响应，但均难以兼顾频率响应与高面（体）积比电容。
针对这一挑战，研究团队创新性地提出了三维互连网络设计策略并通过逐步结构优化（Science, 377, 1004-1007 (2022)；Joule, 8, 1080-1091 (2024)；Nano-Micro Lett. 16, 235 (2024)；Sci. China Technol. Sci. 68, 1420201 (2025)），实现了三明治型双电层电容器频率响应与高容量的兼顾。然而，微电子器件对高面（体）积比电容的迫切需求，驱使电极走向“高负载”。研究团队发现，单纯增加电极厚度会导致滤波性能急剧衰减。进一步研究表明，电极框架本征电子传输性能是被忽视的关键因素。特别是在厚电极中，较低的电子导电性会导致内部电势梯度增大、电场分布不均，制约离子快速协同响应。提高碳材料的结晶度是解决问题的关键，但在比较理想的复杂三维碳结构中实现高质量石墨化生长极具挑战。传统高温石墨化工艺条件苛刻，金属镍催化石墨化又易诱发镍纳米结构“颗粒化”，导致模板结构变形甚至坍塌，严重制约了高导电石墨碳管三维有序结构的精准构筑。
2. 创新策略
团队提出“晶体工程”策略。利用镍纳米棒三维互连网格（3D-NiNRG）同时作为结构模板与催化剂框架，可控构筑出兼具高结晶度与有序结构的石墨碳管三维互连网格（3D-GCTG，如图1，2）。突破点包括：
①克服模板失稳：优化催化生长动力学，抑制镍纳米棒三维互连网格模板在石墨化催化过程中的“颗粒化”难题，保持了三维网格结构完整，确保离子传输通道畅通（图2a, b）。
②化学键合结构：3D-GCTG具有高度的结晶性，石墨碳管间通过石墨烯层化学键合，显著降低了石墨碳管间界面电阻，构建出高效电子传输网络（图2f）。
③局域电场增强：揭示结晶度对厚电极内部电场分布的关键影响机制。3D-GCTG优异的电子传导能力降低电势梯度，使电场均匀分布至电极内部，促进厚电极中离子的同步快速响应。
图1. 石墨化碳管三维互连网格(3D-GCTG)的制备过程示意图。
图 2. 石墨化碳管三维互连网格膜电极的形貌与结构表征：（a–c）3D-GCTG的截面SEM（a）、TEM（b）以及HRTEM（c）图像；（d）3D-GCTG与3D-CTG（通过三维多孔阳极氧化铝模板法辅助制备）的XRD图谱、（e）Raman光谱、（f）电导率对比。
3. 电化学及频率响应性能
对比结构、厚度完全相同但结晶度不同的两种碳管三维互连网格电极发现，高结晶度3D-GCTG电子-离子协同传输显著增强（图3a-c）。3D-GCTG电极具有优异的“负载容忍度”，电极厚度增至40 µm时，120 Hz下相位角仍保持−80°以下，面积电容提升至3.77 mF cm−2，较先前报道的非结晶石墨化碳管三维互连结构提高3.6倍（图3d, e），有效缓解了比电容与频率响应间长期存在的权衡关系。
为对标商用铝电解滤波电容器，团队将6个基于3D-GCTG的器件串联，实现6 V工作电压，可将60 Hz交流信号（正弦波、方波、三角波）转换为平滑稳定的直流输出（图3f），验证了其在实际微型化滤波器件中的可行性。
图 3.（a–c）3D-GCTG-22与3D-CTG-22的Nyquist图（插图：高频区域）（a）、Bode图（b）以及面积比电容（CA）随频率变化的曲线图（c）；不同厚度的3D-GCTG-t在120 Hz下的体积比电容（Cvol@120 Hz）和相位角（φ@120 Hz）随样品厚度的变化曲线（d）；（e）3D-GCTG-40与其它已报道的基于碳管三维互连网格电极的双电层电容器在120 Hz下的面积比电容（CA@120 Hz）对比；（f）六个3D-GCTG-29串联器件组的交流线路滤波结果。
4. 总结与展望
该研究突破了高结晶度石墨化碳管三维互连有序结构的构筑瓶颈，揭示了结晶度调控电子传输与电场分布进而影响超快储能与滤波行为的内在机制。所构筑的3D-GCTG实现了电子/离子输运的高效协同，不仅为交流滤波超级电容器提供了理想的电极材料与结构，也为高功率电池、电催化等需要快速电荷转移的能源器件提供了材料构筑的新范例。
上述研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院合肥物质科学研究院院长基金项目资助。中国科学院合肥物质科学研究院为第一完成单位与通讯单位，合肥物质院固体所李佩博士为第一作者，孟国文研究员、韩方明研究员与美国特拉华大学魏秉庆教授为通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73249
