综述：电极材料研究进展：用于交流滤波的赝电容器

这篇综述系统总结了赝电容器（PCs）在交流（AC）滤波领域的最新研究进展，重点探讨了过渡金属氧化物（45°截止频率>18,000 Hz）、MXenes（体积比电容达30 F cm?3）等活性电极材料如何通过氧化还原反应提升电荷转移速率，实现高比电容与超快频率响应的平衡，为替代传统铝电解电容器（AECs）推动电子器件小型化提供新思路。

　　

摘要

滤波电化学电容器（FECs）能够将远距离传输的交流电（AC）平滑为电器所需的直流电（DC）。传统铝电解电容器（AECs）因体积大、比电容低，限制了电子设备的小型化发展。超级电容器凭借比AECs高3-5个数量级的比电容成为理想替代品，其中赝电容器（PCs）通过活性电极材料的氧化还原反应显著提升电荷转移速率，兼具高比电容和超快频率响应特性。本文综述了2013-2024年AC滤波用PCs电极材料的研究进展，涵盖过渡金属氧化物、二硫化物、MXenes等材料的性能优化与制备方法。

引言

AC/DC转换是电力应用的核心问题。当前AECs因体积大（高压场景可达35 mm）仅适用于低频滤波（50/60 Hz），而超级电容器能在120 Hz及以上频率高效工作。尽管碳基材料（如活性炭）通过微孔/介孔结构提升比表面积，但其曲折的离子扩散路径导致响应速度不足（相位角仅-30°）。相比之下，AECs相位角可达-83.4°，更接近理想电容器。近年来，过渡金属基材料（如TiO₂、NiTe₂）和导电聚合物（相位角达-84°）通过赝电容效应显著提升了高频响应能力。

超级电容器概述

超级电容器兼具传统电容器的快充放特性与电池的储能能力，其功率密度远超锂离子电池，但能量密度较低。在AC滤波场景中，体积比电容和频率响应是关键指标。例如，MXenes通过表面氧化还原反应实现30 F cm^?3的高体积电容，而CrB等材料的时间常数<0.85 ms，适合高频应用。

电极材料合成方法

水热法、化学气相沉积（CVD）和电化学沉积是制备PCs电极的主流技术。例如，MoB通过模板法构建三维导电网络，将截止频率提升至18 kHz；导电聚合物PEDOT:PSS则通过界面聚合优化电荷传输路径。

电极材料性能突破

1. 过渡金属氧化物：如RuO₂通过晶格掺杂将电阻降低40%；

2. MXenes：Ti₃C₂T_x的层间距调控使其在10,000次循环后容量保持率达95%；

3. 导电聚合物：聚苯胺（PANI）的纳米纤维结构使负相位角达84°，接近理想电容。

总结与展望

当前PCs在能量效率与成本控制上仍需突破。未来研究应聚焦于：①开发新型复合材料（如MOFs衍生碳）；②优化电极宏观结构（如梯度孔隙设计）；③探索柔性集成方案。国家自然科学基金（项目号22309041）的支持将加速该领域的产业化进程。