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An Ultra-Low-Temperature Alternating Current Filter
Small ( IF 13.0 ) Pub Date : 2023-09-01 , DOI: 10.1002/smll.202305949 Chenguang Zhang 1 , Xin Jiao 1 , Yingyu Wang 2 , Ke Ma 1 , Yunlong Zhou 1 , Yongchang Ma 1 , Hua Wang 2
Small ( IF 13.0 ) Pub Date : 2023-09-01 , DOI: 10.1002/smll.202305949 Chenguang Zhang 1 , Xin Jiao 1 , Yingyu Wang 2 , Ke Ma 1 , Yunlong Zhou 1 , Yongchang Ma 1 , Hua Wang 2
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Traditional alternating current filter based on aluminum electrolytic capacitors (AECs) suffer from abrupt drop of filtering capability at ultra-low temperatures (≤−30 °C), which greatly hinders the reliable working of electronics at extremely cold conditions. Herein, an ultra-low-temperature alternating current (AC) filter for the first time enabled by high-frequency supercapacitor based on covalently bonded hollow carbon onion-graphene hybrid structure is reported. It is found that the covalent bonding junctions enable high electronic conductivity and efficient ion adsorption/desorption behavior in the hybrid structure. Moreover, the hybrid structure owns positive curvature and shallows pores for fast ion diffusion kinetics. Consequently, the supercapacitor exhibits a record short resistor-capacitor time constant (τRC) of 0.098 ms at 120 Hz at room temperature. Combining with low-melting-point electrolyte, the supercapacitor possesses excellent filtering capability and can output stable direct current signal with low fluctuation coefficients in a temperature range of −50 to 0 °C. More interestingly, the filter presents high negative phase angle, low dissipation factor, short τRC, and high capacitance retention below −30 °C, whereas AEC cannot work properly owing to its phase angle<45°. This work realizes the fabrication of an ultra-low-temperature AC filter, which presents a critical step forward for promoting the development of ultra-low-temperature electronics.
中文翻译：
一种超低温交流滤波器
传统基于铝电解电容器（AEC）的交流滤波器在超低温（≤−30℃）下滤波能力会急剧下降，这极大地阻碍了电子设备在极冷条件下的可靠工作。在此，首次报道了一种基于共价键合空心碳洋葱-石墨烯混合结构的高频超级电容器实现的超低温交流（AC）滤波器。研究发现，共价键结在混合结构中具有高电子传导性和高效的离子吸附/解吸行为。此外，混合结构具有正曲率和浅孔，可实现快速离子扩散动力学。因此，超级电容器在室温下 120 Hz 时表现出创纪录的 0.098 ms 短电阻电容时间常数 ( τ RC )。与低熔点电解液结合，超级电容器具有优异的滤波能力，可在-50至0℃的温度范围内输出波动系数低的稳定直流信号。更有趣的是，该滤波器在-30°C以下具有高负相角、低损耗因数、短τRC和高电容保持率，而AEC由于其相角<45°而无法正常工作。该工作实现了超低温交流滤波器的制作，为推动超低温电子学的发展迈出了关键的一步。
更新日期：2023-09-01
中文翻译：
一种超低温交流滤波器
传统基于铝电解电容器（AEC）的交流滤波器在超低温（≤−30℃）下滤波能力会急剧下降，这极大地阻碍了电子设备在极冷条件下的可靠工作。在此，首次报道了一种基于共价键合空心碳洋葱-石墨烯混合结构的高频超级电容器实现的超低温交流（AC）滤波器。研究发现，共价键结在混合结构中具有高电子传导性和高效的离子吸附/解吸行为。此外，混合结构具有正曲率和浅孔，可实现快速离子扩散动力学。因此，超级电容器在室温下 120 Hz 时表现出创纪录的 0.098 ms 短电阻电容时间常数 ( τ RC )。与低熔点电解液结合，超级电容器具有优异的滤波能力，可在-50至0℃的温度范围内输出波动系数低的稳定直流信号。更有趣的是，该滤波器在-30°C以下具有高负相角、低损耗因数、短τRC和高电容保持率，而AEC由于其相角<45°而无法正常工作。该工作实现了超低温交流滤波器的制作，为推动超低温电子学的发展迈出了关键的一步。
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