近年来，随着电动汽车、新能源发电、轨道交通、先进电磁武器等新兴领域的快速发展，电子器件和电气设备的功率需求不断增加。大功率引发的高温环境对电气电子材料的性能稳定性提出了更严格的要求。从技术发展趋势来看，在这些前沿应用场景中，高温电容器已成为驱动电气设备实现紧凑、高效、大容量的关键部件之一。因此，开发具有优异稳定性的高温电容器对于保证系统在高温环境下的可靠运行具有深远的意义。
此外，户外电力电子设备的实际应用场景，如光伏逆变器、新能源汽车充电站和航空航天通信设备等，往往需要这些设备在高温潮湿环境下长时间运行。在此条件下，水分极易穿透电容器，导致电极材料变湿并遭受氧化或腐蚀。同时，介电材料吸附水分，导致绝缘性能下降，电容器短路或损坏，严重影响电子设备的可靠性和寿命。因此，电容器的耐湿性研究不仅对提高电容器本身的性能至关重要，而且对推动相关产业的技术创新和产业升级也具有重要意义。
目前，电容器主要分为四大类：陶瓷电容器、薄膜电容器、钽电解电容器和铝电解电容器。薄膜电容器主要采用聚合物作为电介质材料，但聚合物电介质的耐高温性能差，一直钳制了薄膜电容器的高温应用范围。陶瓷电容器虽展现出优异的高温耐受性，但陶瓷材料本身具有脆性，难以进行大尺寸加工，且电极比表面积相对较小，导致储能密度较低，也限制了陶瓷电容器在高功率和高储能系统中的应用。钽电解电容器虽具有较高的储能密度和一定的耐受温度特性，但钽资源的稀缺性和高成本使得其难以实现广泛的应用。
铝电解电容器以其超高的体积容量和低廉的制造成本而著称。通过精细的腐蚀处理工艺，阳极铝能够形成微纳米级的多孔结构，这一特性极大地提升了电极的比表面积。同时，其阳极氧化铝（AAO）电介质层展现出高击穿场强的优势，使得电容器能够储存更多的能量，实现更高的储能密度。然而，当前铝电解电容器的应用温度范围被严格限制在-50℃至150℃之间，这一局限主要归咎于其阴极材料（如电解液、MnO2或导电聚合物）在热稳定性方面的不足。此外，铝电解电容器的耐湿度受限于85% RH，这是由于MnO2及聚合物材料都具有较强的吸湿性，会导致电介质层表面受潮，进而引发飞弧现象，最终造成电容器失效。鉴于此，基于铝电解电容器的阳极/电介质层结构，开发新型阴极材料和工艺，使铝电解电容器能够同时具有高容量密度、高温耐受性和高湿度耐受性，是满足市场需求、提升产品性能、推动技术发展和促进相关行业进步的关键。
针对这一问题，西安交大化学学院杜显锋教授团队采用原子层沉积（ALD）技术制备了高导电性（1700 S/cm²）且耐高温性的SnO2材料，并且创新性地应用于替代传统铝电解电容器的阴极材料，成功地将电容器的工作温度范围大幅拓宽至-60℃~330℃。同时，得益于ALD技术的沉积精度与优势，所构建的SnO2/Al2O3/Al结构界面展现出了极高的致密堆叠特性。这一特性赋予了未封装电容器卓越的防水能力，即将其完全浸没于水中持续90天，电容器依然能够保持其性能的稳定性与可靠性。此外，通过ALD技术在电极与电介质（SnO2/AAO）界面处构建了一层3 nm的非晶态Al2O3缓冲层，形成了具有稳定范德华力键的SnO2/Al2O3/AAO界面结构。此Al2O3缓冲层不仅有效阻挡了SnO2与AAO界面间的原子扩散，还修复了AAO电介质存在的微小裂纹。该电容器在120 Hz下的容量密度可达114.5 μF/cm²，而损耗仅为2%，相位角可达-89.5°。此外，其击穿场强可达5.5 MV/cm，在1 V下的漏电流仅为7.2×10-7 A/cm²。在电路应用中，该电容器能够滤除120 Hz至100 kHz的信号，电压纹波可仅为15 mV，同时展现出了优异的充放电性能。
图1. AAO/Al表面上，阴极SnO2 (S)和缓冲层Al2O3 (A)的制备工艺及形貌表征
图2. Al/Ag/C/SA/AAO/Al电容器的电容、损耗、ESR和相位角随频率变化的特性，以及CV曲线、充放电曲线和阻抗谱测试。
该研究成果以题为High-performance MIM-Type aluminum electrolytic capacitors with durable waterproof and wide temperature window发表在国际能源领域顶级期刊《Energy Storage Materials》（能源存储材料）上（影响因子为18.9）。该论文的第一作者为西安交大化学学院博士研究生郭媛，论文通讯作者是西安交大化学学院杜显锋教授，西安交通大学为唯一通讯单位。该研究工作是西安交通大学化学学院杜显锋教授课题组在铝电解电容器领域的又一研究成果，获得国家自然科学基金和陕西省自然科学基金重点项目的支持。西安交大化学学院杜显锋教授长期从事电解电容器、锂（钠）离子电池、铝离子电池、超级电容器、柔性可穿戴传感器的电极材料、电介质、电解质、固体化、柔性化、一体化等研究。目前已在Nat. Commun., Energy Storage Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Chem. Eng. J., Small, J. Mater. Chem. A等国际知名学术期刊上发表相关研究论文近80余篇，申请发明专利50余项，并荣获教育部科学技术进步一等奖1项。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829724005117
杜显锋教授课题组主页：
https://gr.xjtu.edu.cn/web/xianfengdu
审核人：张彦峰
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