综述：在超级电容器中兼顾性能与可持续性：先进材料与合成策略的综述

《Journal of Energy Storage》：Bridging performance and sustainability in supercapacitors: A review of advanced materials and synthesis strategies

超电容器作为高功率密度储能器件，市场估值将从2024年的300亿美元增至2034年的1470亿美元（CAGR 17.5%）。重点突破在电极材料（MXenes、MOFs等）、电解液（水盐电解液、固态电解质）及制造工艺（干法涂层技术）方面，同时需解决环境可持续性和法规合规性问题。摘要分割符：

　　

Gülcan Ayd?n

科贾埃利大学物理系，41001，科贾埃利，土耳其

摘要

超级电容器（电化学双层电容器（EDLCs）、混合型电容器和伪电容器在传统电容器和电池之间起到了桥梁作用。它们具有高功率密度（千瓦每千克（kW kg^?1级别）、快速充电能力以及超过10⁶次循环的使用寿命。全球市场正在迅速增长；2024年的市场规模约为30亿美元，预计到2034年将达到147亿美元，复合年增长率（CAGR）约为17.5%。为了满足这一不断扩大的市场需求，提高能量密度成为当务之急。目前的EDLCs通常提供5–10瓦时每千克（Wh kg^?1）的能量密度，而混合型系统的能量密度已超过20瓦时每千克，部分原型甚至接近60瓦时每千克，这显著提升了电动汽车（EV）的应用前景。本文综述了2020年至2025年间在电极材料方面的进展，包括碳基材料、过渡金属化合物、二维过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）以及导电聚合物。同时，本文还分析了电解质（水基、盐水中溶解的电解质、有机电解质、离子液体以及固态/准固态电解质）以及各种器件概念，如非对称超级电容器和微型超级电容器。讨论重点在于材料与电解质之间的协同作用、可持续的电极设计以及可扩展的合成方法。与以往的综述不同，本研究基于工业可行性、成本和环境影响对材料进行了批判性评估，而不仅仅是电容值。

引言

全球向可持续能源技术的转型加速了对高效能源存储解决方案的需求，这类解决方案需要同时具备高功率和长循环寿命。虽然传统电池具有高能量密度，但其功率输出有限，并且在反复循环使用后会出现性能下降；而传统电容器虽然在功率输出方面表现优异，但能量密度较低[1]，[2]。超级电容器（也称为超电容器或电化学电容器）通过提供千瓦每千克级别的功率密度、几秒钟内的充电时间以及超过10⁶次的循环寿命，填补了这一空白。根据储能机制的不同，它们通常被分为电化学双层电容器（EDLCs）、伪电容器和混合型电容器[3]。

近年来，由于在电动交通、电网平衡和工业峰值功率管理领域的应用推动，超级电容器市场迅速发展。据估计，2024年该行业的市场规模约为30亿美元，到2034年将以约17–18%的复合年增长率（CAGR）增长至147亿美元[5]。主要驱动因素包括：（i）移动出行领域对快速充电的需求；（ii）智能电网中的频率和电压调节需求；（iii）如风力涡轮机俯仰控制等高循环次数、低维护要求的应用。行业领军企业如Skeleton Technologies、Maxwell Technologies和LS Mtron正在推动材料创新——例如Skeleton公司的“Curved Graphene”技术声称可提高能量密度高达70%——同时开发适用于大规模部署的模块化系统设计。

为了满足这些不断增长的需求，学术研究传统上专注于发现先进的电极材料和电解质以扩展电容器的工作电压范围。然而，基础材料科学与可持续工业制造的实际需求之间仍存在脱节。尽管取得了快速进展，但在提高能量密度和确保可持续制造方面仍面临挑战。未来的研究必须关注安全电解质和混合系统的集成，以使超级电容器成为可靠的能源存储技术。

介绍

全球向可持续能源技术的转型加速了对高效能源存储解决方案的需求，这类解决方案需要同时具备高功率和长循环寿命。传统电池虽然能量密度高，但功率输出有限且在反复循环使用后性能下降；而传统电容器虽然功率输出能力强，但能量密度较低[1]，[2]。超级电容器（也称为超电容器或电化学电容器）通过提供千瓦每千克级别的功率密度、几秒钟内的充电时间以及超过10⁶次的循环寿命，弥补了这一不足。根据储能机制的不同，它们通常被分为电化学双层电容器（EDLCs）、伪电容器和混合型电容器[3]。

近年来，由于在电动交通、电网平衡和工业峰值功率管理领域的应用推动，超级电容器市场迅速发展。据估计，2024年该行业的市场规模约为30亿美元，到2034年将以约17–18%的复合年增长率（CAGR）增长至147亿美元[5]。主要驱动因素包括：（i）移动出行领域对快速充电的需求；（ii）智能电网中的频率和电压调节需求；（iii）如风力涡轮机俯仰控制等高循环次数、低维护要求的应用。行业领军企业如Skeleton Technologies、Maxwell Technologies和LS Mtron正在推动材料创新——例如Skeleton公司的“Curved Graphene”技术声称可提高能量密度高达70%——同时开发适用于大规模部署的模块化系统设计。

为了满足这些不断增长的需求，学术研究传统上专注于发现先进的电极材料和电解质以扩展电容器的工作电压范围。然而，基础材料科学与可持续工业制造的实际需求之间仍存在脱节。尽管已有大量综述详细列举了电容值和合成方法，但很少有研究探讨这些创新如何与绿色制造和法规合规性的现实需求相契合。

与主要关注材料性质的现有文献不同，本文提供了将物理化学机制与可持续制造联系起来的全面分析。本文的创新之处在于整合了三个常被传统综述忽视的方面：

机制结构-性质分析：我们不仅列举材料，还批判性地分析了影响性能的物理化学机制。这包括对盐水中溶解的电解质（WiSE）中的溶剂化壳抑制效应、离子液体中的“过度屏蔽”效应破坏以及有机系统中的“脱溶能垒”的详细讨论，并将这些分子层面的现象直接与宏观器件性能联系起来。

关注可持续制造：我们不仅关注材料合成，还评估了电极制造技术。特别强调了从有毒湿法加工向无溶剂“干电极涂层”（可减少约47%的能耗）的转变，以及使用水溶性粘合剂的重要性，这些成为未来研究的重要标准。

法规与循环经济背景：本文独特地结合了2023年欧盟电池法规和数字电池护照的影响。我们分析了这些新法律框架如何推动向“直接回收”（回收85–90%的活性材料）和供应链透明度的范式转变，将“废物”定义为关键的二次原材料。

通过将机制理解与工业需求和法规趋势相结合，本文将超级电容器定位为推动脱碳能源生态系统的核心技术。为了提供这种全面的理解，本文的结构如下：第2节概述了超级电容器的基本分类；第3节重点介绍了超级电容器的三个关键组成部分；第4节深入分析了电极材料的合成技术和核心成分；第5节讨论了环境问题，详细阐述了可持续性和回收策略；第6节总结了应用领域；第7节提出了未来的战略展望。

章节片段

定义

传统电容器通过在由电介质隔开的两个导电板上积累电荷来储存能量。其电容由电介质性质、电极表面积和板间距决定[6]。

超级电容器（也称为超电容器或电化学电容器）的工作原理类似，但电容值高出几个数量级[1]，[7]，[8]，[9]。这是由于电极材料具有极高的

电极材料

超级电容器的电化学性能从根本上取决于电极材料的物理化学性质，包括表面积、孔结构及电子导电性。当前的研究探索了多种材料，包括碳基结构、金属氧化物、硫化物、氮化物、MXenes以及导电聚合物。为了提升性能，研究人员采用了异原子掺杂、分级孔结构设计、混合复合材料形成等多种策略

超级电容器电极材料的合成技术

超级电容器的电化学性能本质上受电极材料的物理化学性质支配，包括比表面积、孔径分布、电导率和结构稳定性。虽然材料的选择至关重要，但合成策略在调控这些性质方面起着决定性作用。不同的合成路线会产生不同的晶体结构、缺陷密度和形态特征

超级电容器的可持续性和回收

与传统电池相比，超级电容器具有显著的环境优势，表现为更长的循环寿命（>500,000次循环）和日历寿命（>10年），这大大减少了设备更换和废料产生的频率[233]。然而，随着全球能源存储需求的增加，处理“寿命终结”问题及制造过程的环境影响变得至关重要。本节对此进行了详细讨论

超级电容器的应用领域

超级电容器独特的物理化学特性——尤其是其高功率密度、快速充放电动力学和出色的循环寿命——使其应用范围从 niche 市场扩展到了关键工业领域。超级电容器不再与电池直接竞争，而是作为互补设备来提升系统效率并实现新的功能。

在汽车行业，由于

未来展望和研究机会

本文批判性地探讨了近年来在电极材料、电解质开发和超级电容器可持续制造方法方面的进展。尽管在生物质基碳材料、高压WiSE系统和干电极生产方面取得了显著进展，但高能量超级电容器的广泛应用仍面临诸多挑战。为了缩小实验室创新与工业应用之间的差距，未来的研究必须

结论

本文全面分析了过去五年超级电容器技术的变革性进展，强调了从基础材料发现向可持续系统级集成的范式转变。从当前的技术水平可以得出以下关键结论：

电极结构的合理设计：该领域已从简单的材料合成发展到对形态的精确工程控制。

CRediT作者贡献声明

Gülcan Ayd?n：负责撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论制定及研究实施。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。