第一作者：李柳燕

通讯作者：吴明懋副教授、卢至行副教授、温烨烨副教授

通讯单位：福州大学材料科学与工程学院、福建师范大学环境与资源学院、北京理工大学前沿交叉科学研究院

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202510499

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随着集成电路技术的不断进步，器件的小型化趋势日益明显，这一发展推动了对高频交流（AC）线路滤波电容器的需求急剧增加。在这一背景下，便携式电化学电容器（EC）面临着一个固有的矛盾：如何在高频响应下协调增强电容（C_A）和体积电容（C_V）之间的关系。此外，还需在制造过程中开发出可扩展的生产方法，以适应不断增长的市场需求。

为了解决上述问题，本研究提出了一种创新的静电诱导Marangoni组装策略。该策略通过在极性溶剂（如甲醇）中预处理PEDOT:PSS墨水，并在施加静电场的条件下，驱动微液滴向特定方向铺展，从而形成连续互穿的三维纤维多孔网络结构。这一全新的电极设计（我们称之为ES-PEM）在120 Hz的工作频率下实现了相位角（φ）高达-82.9°，同时展现出优越的电容性能，其中电容（C_A）达到1.72 mF cm⁻²，而体积电容（C_V）更是达到13.2 F cm⁻³。这一性能显著超越了目前多数已报道的碳基和PEDOT基滤波电容器。

此外，该静电诱导组装方法展现出了极高的大面积沉积速率，这为大规模生产提供了可行的解决方案。更重要的是，该方法具备良好的通用性，能够支持多种赝电容材料（例如MnO₂）的负载，这为微型化滤波电容器的设计开辟了新的道路。因此，本研究不仅为电化学电容器的性能提升提供了新思路，同时也为实现其产业化奠定了基础。

背景介绍

电化学滤波电容器（EFCs）凭借其高比电容（比其他传统电容器高出许多倍），成为下一代滤波电容的潜在候选者。然而，EFCs在高频响应下却面临着一个固有矛盾，即面积电容（C_A，通常需要厚而疏松的结构）与体积电容（C_V，通常需要薄而致密的结导）之间的平衡。因此，实现优异的高频性能和电容特性成为了设计和制造EFCs的一项重大挑战。

虽然一些传统策略如垂直石墨烯阵列和碳纳米管的应用能够在一定程度上优化离子传输机制，但这些方法往往无法同时满足高C_A和高C_V 的需求。例如，Kim等（2023）通过电聚合PEDOT实现了38 F cm⁻³的C_V值，显示出良好的体积电容特性，但其CA却仅为904 µF cm⁻²，未能有效提升高频滤波能力。此外，常用的旋涂和喷涂等制造方法在实际应用中常会导致PEDOT分子团聚，这种聚合现象不仅降低了电极的有效接触面积，还显著降低了界面离子和电子的传输效率，从而限制了EFCs在高频下的整体性能。

当前的技术在快速响应、高C_A/C_V比和可扩展制备这三方面的需求之间，依然难以实现有效的平衡。这种制约使得EFCs在快速动态响应的高科技应用中，如无线通信、电力电子和可再生能源存储系统等领域，面临使用瓶颈。因此，亟需创新的设计和制造策略，以克服高频应用中的固有挑战。通过采用新型的材料体系、改进制造工艺或引入新型组装技术，或许能够在性能、响应速度和制造可扩展性之间找到新的平衡，为EFCs的广泛应用铺平道路。

研究出发点

1）本研究创新性地结合了静电场与Marangoni流的作用。在该过程中，静电场被利用以精确控制液滴的尺寸，而Marangoni流则通过调控溶剂蒸发过程中产生的张力梯度，促进PEDOT分子链的自组装。

2）基于所提出的新机制，本研究对电极结构进行了优化设计，从而同步提升了高频下的相位角以及面积和体积电容。在优化过程中，通过调整孔隙结构和提高电导率确保了电极在高频率下仍能保持出色的电容性能。

3）为验证所设计电极的实际应用潜力，本研究构建了集成滤波电路，并将该技术进一步推广至MnO₂复合电极。在此过程中，MnO₂的加入不仅增强了储能能力，同时赋予了电极更丰富的功能特性。

图文解析

本研究展示了电极的制备过程和结构特征。在静电喷射的过程中，通过施加6–10 kV的电压形成泰勒锥，随之甲醇的蒸发引发了Marangoni流动，这一过程驱动PEDOT微液滴铺展并自组装成三维纤维网络结构。随后，扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）的观察结果显示，所制备的电极具有均匀的多孔结构，整体厚度约为650 nm，纤维的互穿结构有效增强了π-π相互作用。此外，通过拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）的分析，进一步证实了甲醇处理能够有效去除绝缘的聚苯乙烯磺酸（PSS）相，从而显著提升了电极的导电性。这些结果表明，采用新型制备方法能够显著改善电极材料的性能，为后续的电化学应用奠定了基础。

图1. ES-PEM电极的制备与表征。

对ES-PEM-60的电化学性能进行了评估。在120 Hz的频率下，该材料展现出优异的性能，其相位角为-82.9°，面积电容为1.72 mF cm⁻²，体积电容达到13.2 F cm⁻³，表现远超商用铝电解电容器，提升了10至100倍。此外，近乎垂直的奈奎斯特图显示出其理想的电容行为。同时，在1000 V s⁻¹的快速扫描下，循环伏安（CV）曲线仍保持矩形，且电流密度与扫速之间呈现高度线性关系（R²= 0.9998），这表明该材料具备超快的动力学特性。在经过24万次循环后，容量保持率仍高达96%，显示出其卓越的循环稳定性和耐久性。这些结果充分表明ES-PEM-60在电化学储能领域的广泛应用潜力。

图2. ES-PEM-ECs-60的电化学性能

为了进一步探讨了电压调控下膜的形成机制，利用光学显微镜对液滴干燥过程进行了进一步的分析。6 kV电压下，大液滴（直径约750 μm）快速蒸发，建立强大的界面张力梯度，导致Marangoni效应的发生，从而引发局部微液滴的生成，并导致PEDOT发生非均匀团聚。随着电压升高至8 kV，液滴尺寸减小至约400 μm，膜的铺展与蒸发达到了动态平衡，从而抑制了局部的相分离现象，最终形成均匀的多孔膜。进一步升至10 kV时，液滴尺寸进一步减小至180 μm，溶剂的蒸发速度超出了液滴的铺展速度，导致局部堆积的产生。原子力显微镜（AFM）定量分析结果显示，8 kV样品的表面粗糙度最低，这与最佳的电化学性能直接相关。上述结果揭示了电压调控对PEDOT膜形成及其电化学性能的显著影响。

图3. 成膜影响的机理分析

为了评估器件集成，将四对相同的 ES-PEM 电极（5 mm × 5 mm）以并联配置布置在一个公共集流体上，采用2×4的混联结构设计产生了一个总厚度小于 500 μm 的紧凑型器件，在此配置下相位角几乎保持不变。为了研究纹波滤波性能，将 ES-PEM-ECs-60 纳入 AC/DC 转换电路的实验模型。该装置成功将60–200 Hz的交流电转换为稳定的直流输出，显示出良好的整流能力。此外，器件对负载的耐受性也达到了470 kΩ，这表明其在实际应用中具备较强的稳定性和适应性。这一成果为集成器件在能源转化与存储方面的应用提供了重要支持。

图4. ES-PEM-ECs-60 过滤性能

鉴于其均匀和可批量生产的特性，ES-PEM 电极为掺入各种电化学活性材料以实现高速电化学过程提供了一个理想的平台。被广泛用作电容器中的活性材料（MnO₂）被选为概念验证材料。采用ES-PEM基底成功生长出花瓣状的MnO₂纳米结构，相较于传统的石墨箔致密层，表现出显著提升的性能。在电容测试中，MnO₂@ES-PEM的电容面积密度达到39.5 mF cm⁻²，显示出其电化学性能是MnO₂@G的1646倍。进一步地，通过串联和并联模块的灵活调控，该电极成功驱动了电子钟和LED，彰显了其在实际应用中的广泛前景和可行性。

图5. MnO₂-based ECs的表征和电化学性能

总结与展望

本研究创新性地提出了一种静电诱导Marangoni沉积策略，旨在解决PEDOT电极制备中均匀性、附着性与孔隙结构之间的协同调控难题，从而实现高频滤波电容器的面积电容、体积电容及相位角的三重优化。研究揭示了电压、溶剂与墨水量对膜形貌的影响规律，并建立了一套可扩展的制备相图，显示出机制上的突破。此外，ES-PEM-60的体积电容高达13.2 F cm⁻³，成为当前PEDOT基滤波电容的性能标杆之一。同时，3D多孔基底的引入为MnO₂等赝电容材料实现高倍率储能提供了平台拓展的可能。未来，该策略在柔性电子与集成能源系统中的规模化应用，以及对多材料复合电极设计的新范式，将值得深入探索。

原文信息

L. Li,S. Yang, K. Xia, M. Chen, Y. Zhuang, W. Zhu, Q. Huang, Y. Wang, X. Fan, W. Zhao, Z. Lu, Y. Wen, M. Wu, Z. Zou, Scalable Electrostatic-Induced Control of Marangoni Deposition of Uniform 3D-Porous PEDOT Electrodes for Ultrafast AC-Line Filtering and High Areal/Volumetric Capacitance. Adv. Funct. Mater. 2025, DOI: 10.1002/adfm.202510499.