线路滤波对于CPU和存储设备等集成电路的精密供电至关重要。电化学电容器由于其高比电容有望取代集成电路和便携式电子产品线路滤波中的传统电解电容器。

然而，电化学电容器的开发仍存在以下问题：

1、电化学电容器在线路滤波电路中的实际应用尚未实现

由于难以同时实现快速响应、高比电容、小型化和电路兼容集成，电化学电容器在线路滤波电路中的实际应用仍然是一个巨大的挑战。

2、高串联电阻是限制快速响应的关键因素

为了满足快速响应，由于电化学电容器固有的高串联电阻，必须严重损害比电容。在120Hz的整流电源频率下，一般电化学电容器的典型阻容时间常数（τ_RC）在1s左右，远远达不到高效线路滤波的基本要求。

3、小型化和低集成密度的不足限制了电化学电容器在集成电路中的实现    

为了平衡频率特性和电容，即使对电极材料进行精密的纳米处理，串联电阻的降低也有100 mΩ cm²左右的极限。同时，小型化和低集成密度的不足进一步限制了线路滤波电化学电容器在集成电路中的实现。

有鉴于此，清华大学曲良体等人提出了一种可以同时提升频率特性和电容的电场增强策略。通过使用飞秒激光划线缩小通道宽度，小型化窄通道面内电化学电容器显示出电极材料和电解质内离子电阻的大幅降低，从而在120Hz时实现了39mΩcm²的超低串联电阻。电容器在120Hz下，获得了高达5.2mF cm^-2的超高面积电容，其相位角为- 80°，是之前报道的最高面积电容的两倍，且在超过1,000,000次循环后几乎没有观察到退化。将该电化学电容器可扩展地集成到微电路中，显示出80 cell cm⁻²的高集成密度，并可按需定制电容和电压。鉴于优异的滤波性能和电路兼容性，这项工作代表了线路滤波电化学电容器在集成电路和柔性电子器件中实际应用的重要进展。

技术方案：    

1、测试了NCEC的电化学性能

作者评估了NCEC的电化学性能，表明其具有超低串联电阻、超快离子动力学、超高面电容以及循环稳定性。

2、解析了串联电阻降低机制

作者通过实验和模拟解析了串联电阻降低机制，结果表明，随着通道宽度的缩小，通道内的外部E大大增加，促进电解质中的电迁移导致R_b急剧减少，同事减少了滞后并降低了 R_m。

3、探究了NCEC的可扩展集成

作者利用飞秒激光划线制造了特定图案的NCEC单元，并简历了集成NCEC微电路，证明了可扩展集成以及针对特定性能按需集成的可行性。

4、证实了线路滤波电路的性能

作者在印刷电路板（PCB）级开关电路中进行了现场测试，表明NCEC具有优异滤波性能且可以集成到典型的柔性电路中。

技术优势：

1、通过电场增强策略将串联电阻降低了一个数量级

作者提出了一种电场增强策略，以促进电极材料和电解质内的离子迁移，从而使串联电阻急剧降低一个数量级。与在频率特性和电容之间进行权衡的传统策略不同，自感强电场可以同时改善频率特性和电容。

2、将电化学电容器面电容提高了2倍

通过使用飞秒激光划线缩小沟道宽度，在窄沟道面内线滤波电化学电容器（NCEC）中建立了强电场，实现了高达5.2 mF cm⁻²的超高面积电容。

3、开发了一种简便但精确的自下而上的加工方法    

作者通过自下而上的加工方法，通过电沉积在集流体上制造均匀分布的垂直还原氧化石墨烯阵列，将膜厚度的变化控制在5%以内，建立了一个精致的个体NCEC，其小型化尺寸小于笔尖。

技术细节

NCEC的电化学性能

作者使用电化学阻抗谱评估了NCEC的频率特性，结果表明离子迁移快速且不受阻碍。NCEC在120 Hz时表现出39 mΩ cm²的超低串联电阻。超低的串联电阻与超快的离子动力学行为是一致的，通过测试不同扫速下的阴极电流，表明具有不受阻碍的离子迁移的典型超快电容行为。此外，NCEC的面积电容远远优于铝ELC，达到了5.2 mF cm⁻²的超高水平，并且在所有范围内都优于其他面内和夹层型线路滤波电化学电容器，几乎是之前记录的两倍。作者还进行了超过一百万次的连续恒流充放电（GCD）测试。在120Hz时电容和相位角没有出现明显的性能下降，验证了NCEC长期运行的优异可靠性。

串联电阻降低机制

作者利用沟道宽度作为典型的控制变量，通过实验研究了电场对串联电阻的影响。结果表明，当沟道宽度从40μm缩小到5μm 时，120Hz时的R_b和R_m表现出同样的下降趋势。因此，随着相位角在120 Hz时从-79°减小到-82°，快速响应变得更好，并且面积电容从2.5 mF cm⁻²增加到4.5 mF cm⁻²。进一步通过模拟揭示了潜在电阻降低机制。模拟结果表明，随着通道宽度的缩小，通道内的外部E大大增加，增强的外部E作为驱动力促进电解质中的电迁移导致R_b急剧减少。动力学蒙特卡罗模拟表明R_m随着沟道宽度的缩小而减小，增强的E显着促进了离子迁移，从而减少了滞后并降低了 R_m。

NCEC的可扩展集成

利用飞秒激光划线，可以在几秒钟内制造出特定图案的NCEC单元。在连接格栅并添加电解质后，建立了密度高达80 cells cm⁻²的集成NCEC微电路（INM），其具有小型化甚至灵活性。得益于器件的一致性，NCEC单元之间的电容差异被限制在10%以内，这保证了120Hz下的分压和相角偏差分别低于5%和10%。超过200,000个循环的GCD测试验证了INM的长期可靠性。此外，作者研究了针对特定性能按需集成的可行性，结果表明了INM的更高性能可以通过集成优化来实现。

线路滤波电路的性能

作为集成电路线路滤波的原型，作者在印刷电路板（PCB）级开关电路中进行了现场测试。结果表明NCEC在尺寸上比具有相同电容的ELC具有显着优势；在集成方面，2×10 INM具有与铝ELC相同的额定电压和电容，但尺寸要小得多；NCEC 的线路滤波能力优于同体积的ELC。在2kΩ负载电阻下，单个NCEC可以过滤120Hz下1V至0.5V的电压信号，纹波电压 (V_ripple)低至 36mV。同时，还可以通过仅26mV的V_ripple实现1,000Hz信号滤波。此外，作者还表明NCEC可以集成到典型的柔性电路中，3×3 INM在弯曲甚至扭曲时表现出优异且一致的滤波性能，非常适合下一代便携式柔性电子产品。 

图  线路滤波电路中NCEC和性能的可扩展集成

总之，作者提出了一种电场增强策略来促进电极材料和电解质中的离子迁移。通过使用飞秒激光划线缩小通道宽度，提出了NCEC在120 Hz时具有低至 39mΩ cm²的超低串联电阻。这项工作在线路滤波电化学电容器的实际应用中迈出了重要的一步，并为小型化微电路和下一代柔性电子器件的发展提供了机会。 

参考文献：

Hu, Y., Wu, M., Chi, F. et al. Ultralow-resistance electrochemical capacitor for integrable line filtering. Nature (2023).

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06712-2