滤波电容器是整流滤波电路中的核心元件，用于平滑交流信号、稳定直流输出，对保障各类精密电子设备的正常运行至关重要。随着电子器件向轻量化、柔性化和微型化方向发展，传统铝电解电容器因体积大、电容密度低，已难以满足未来需求。电化学电容器因其高电容密度、结构紧凑和长寿命等优势，被视为下一代交流滤波电容器的理想候选。然而，在实际60 Hz（120 Hz纹波）交流滤波场景中，滤波电容器需具备毫秒级超快响应能力，而传统电化学电容器因电极结构中离子迁移动力学缓慢，往往难以兼顾高电容密度与高频响应，二者在电极设计中存在矛盾。

针对这一关键难题，中国科学院金属研究所先进炭及二维材料研究部黄楠研究员团队提出了一种创新电极设计策略：将垂直取向多孔碳结构与硼掺杂提升界面电容相结合，从而实现高频电容密度的显著提升。研究团队通过密度泛函理论结合参考相互作用点模型计算，从理论上揭示了硼掺杂可诱导碳电极侧感应电荷层更趋紧凑，进而有效增强界面电容，且该增强过程不涉及额外电荷转移或离子吸附，不会劣化高频响应性能。在此基础上，团队采用热丝化学气相沉积技术，成功制备出大面积（480 cm²）、自支撑且柔性的硼掺杂垂直石墨烯纳米墙薄膜电极。实验表明，硼掺杂使电极界面电容由4.20 μF/cm²提升至10.16 μF/cm²，增幅超过140%。得益于高界面电容与垂直取向多孔结构的协同作用，基于该电极的对称电化学电容器在水系电解液中于120 Hz下展现出996 μF/cm²的面积比电容和-79.4°的相位角，在有机电解液中能量密度更达1953 μF·V²/cm²。该器件弛豫时间常数仅为1.46 ms，远低于60 Hz滤波所需的8.3 ms，具备优异的交流滤波能力。在实际滤波测试中，该电容器可有效平滑60 Hz正弦、方波、脉冲及三角波等复杂波形交流信号，其输出纹波电压（约40 mV）甚至优于商用铝电解电容器（112 mV），展现出卓越的滤波性能和广泛的应用潜力。该工作为电化学滤波电容器的电极设计提供了全新思路，通过界面电容增强策略成功打破了电容密度与响应速度之间的制约关系。

相关成果以“Enhancing Interfacial Capacitance by Boron Doping in Vertically Porous Carbon Toward High-Performance AC Filtering Electrochemical Capacitors”为题发表于 Small（2024, 20, 2310523）。论文第一作者为陈滨，通讯作者为黄楠研究员和姜辛教授。该研究得到了国家自然科学基金等项目资助。

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202310523

图1 电化学滤波电容器的电极设计策略