超级电容器电极材料及其合成策略：全面综述

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Supercapacitor electrode materials and synthesis strategies: A comprehensive critical review

　　**摘要**
可再生能源系统、电气化以及智能技术的快速增长增加了对先进储能设备（ESDs）的需求，以解决能源生产和消费之间的不匹配问题。特别是太阳能和风能等可再生能源的间歇性特性，需要可靠的储能解决方案来确保电网稳定性和持续的能量供应。尽管锂离子（Li-ion）电池因其高能量密度和长使用寿命而被广泛使用，但它们的有限功率密度、安全问题、有限寿命以及不断上涨的锂成本限制了其在高功率和大规模应用中的使用。超级电容器由于其高功率密度、优异的循环稳定性和卓越的安全性而成为一种有前景的替代品。然而，由于其内在的低能量密度，其广泛应用仍然受到限制。材料工程和器件结构的最新进展表明，优化电极材料可以在保持高功率性能的同时显著提升储能能力。因此，本综述系统地讨论了超级电容器的基本原理，并对传统和新兴电极材料（包括金属氧化物、非氧化物无机材料、金属有机框架（MOFs）、MXenes和MBenes）的最新进展进行了批判性评估，同时提供了高性能超级电容器合理设计的见解。文中还深入探讨了超级电容器技术面临的挑战和未来研究方向，以全面了解当前的技术发展现状，特别关注了缩小实验室与市场之间差距的关键参数。

**引言**
快速的技术进步推动了不同技术之间的前所未有的融合，促进了智能环境的发展、广泛的电气化以及向可持续系统的全球能源转型。这些变革大大增加了对先进ESDs的需求，因为这些设备是平衡能源生产和消费不可或缺的推动者。在缓解太阳能和风能等可再生能源的固有问题（其输出高度依赖于环境和天气条件）方面，这一作用尤为重要。与通过燃烧过程提供连续且可控电源的传统化石燃料发电方式不同，可再生能源系统需要高效可靠的储能解决方案来确保电网稳定性和不间断的能量供应。目前，可充电电池，尤其是锂离子电池，在能量收集系统、下一代汽车技术和便携式电子设备中得到广泛应用。锂离子电池的主要优势在于其高能量存储能力，使得充电周期相对较少时仍能长时间运行。这些特性尤其适用于需要大量能量存储的应用，例如下一代车辆的电气化。例如，由锂离子电池驱动的电动汽车每次充电可以达到约200英里的续航里程，这得益于其超过100 Wh kg-1的高重量能量密度[1],[2]，远高于大多数其他类型的ESDs。尽管如此，锂离子电池的功率密度较低，这限制了其快速能量传输的能力，需要较长的充电时间[3],[4]。这一限制在需要快速释放能量以补偿供需突然波动的电网级储能应用中尤为有害。因此，锂离子电池在许多高功率应用中的响应缓慢，影响了其可靠性和有效性。从根本上说，这一瓶颈源于法拉第氧化还原反应控制的缓慢充放电机制，这对进一步提高功率密度带来了重大挑战。此外，锂离子电池还存在热失控和爆炸等安全风险、有限的使用寿命以及环境和经济挑战。锂资源成本的上升进一步加剧了这些问题，使得大规模电池制造在经济上不可持续。在这种情况下，超级电容器因其卓越的功率密度、快速充放电能力、长使用寿命和增强的安全特性而成为传统电池的有吸引力的替代品。然而，传统的超级电容器由于依赖于静电电荷积累的非法拉第充放电机制，其能量存储能力较差。通过对超级电容器关键组件（尤其是电极材料和器件结构）的战略性修改，可以在不牺牲功率密度的情况下显著提高能量密度。因此，超级电容器技术的不断发展为弥合传统锂离子电池与传统超级电容器之间的性能差距提供了有力机会，使得开发出同时具备高能量密度、高功率密度和出色耐用性的混合器件成为可能。下一代超级电容器的开发不仅需要发现和改进先进的电极材料，还需要全面理解其基本的充放电原理以及各个器件组件的关键作用。为此，本综述首先建立了超级电容器技术的基本原理，重点介绍了其工作原理、充放电机制和电化学性能指标。随后，对主要类别的电极材料及其相应的合成策略进行了全面评估，从而系统地探讨了材料特性、合成方法与电化学性能之间的关系。与许多仅关注特定电极材料类别或特定合成方法的现有综述不同，本综述采取了一种更广泛和综合的方法，系统地连接了超级电容器的基础知识、电极材料选择、合成技术、材料特性和电化学性能。这种综合方法对于进入该领域的研究人员特别有价值，因为它不仅提供了理解超级电容器基本概念的框架，还指出了解决当前超级电容器技术局限性的多种电极材料和合成策略。特别是，综述强调了如何利用不同的合成技术来定制电极材料的形态、结构、组成、表面化学性质、孔隙率和界面特性，从而优化传统和新兴超级电容器的充放电行为和电化学性能。除了理解电极材料和合成策略外，本文还在“挑战与未来展望”部分讨论了从实验室规模材料验证向实际应用超级电容器转变的关键因素，特别关注了可能显著影响报告性能可靠性和实际意义的关键参数，包括活性材料质量负载、自放电、合成时间、可扩展性、重现性和制造考虑。通过批判性地分析这些参数和传统电化学指标，本文旨在识别实验室规模验证与可扩展器件制造之间的持续差距。最后，为了全面覆盖最新进展，文献调查主要通过Web of Science、ScienceDirect、ACS Publications、RSC Publishing和Wiley Online Library等主要科学数据库和出版平台进行，重点关注过去五年（2021-2026年）发表的期刊文章和书籍章节。搜索策略使用了关键词和布尔运算符的组合，如“supercapacitor” OR “EDLC” OR “hybrid supercapacitor” OR “pseudocapacitor” AND “charge-storage mechanism” AND “electrode materials” AND “synthesis techniques”。此外，还使用了“carbonaceous materials”、“MXene”、“MBenes”、“metal oxides”、“conducting polymers”、“metal sulfides”、“metal phosphates”、“MOFs”、“metal nitrides”、“hydrothermal”、“solvothermal”、“sonochemical”、“laser direct writing”、“biologically mediated synthesis”、“ball milling”、“electrodeposition”、“chemical bath deposition”和“chemical vapor deposition”等术语进行特定材料和合成方法的搜索，并结合了相关衍生词和复合材料。检索到的文献根据其与本文主题的相关性进行了筛选，特别关注提供有关合成-结构关系、电极特性、充放电机制、电化学性能和实际器件考虑的研究。必要时，还考虑了具有基础概念和机制理解的高度相关的重要研究。这种结构化的搜索和选择策略使最新文献得到了批判性讨论，同时明确了合成、材料性质、电极结构、充放电机制和实际超级电容器性能之间的关系。

**超级电容器分类**
超级电容器的历史发展始于赫尔曼·冯·亥姆霍兹提出的双电层（EDL）概念，该概念指出电场可以迫使离子扩散到微孔电极中以储存电荷[5]。随后，在1920年，第一个电解电容器被开发出来，标志着电化学储能技术的重要进展。1957年，通用电气的H. I. Becker研究员取得了进一步突破……

**超级电容器的电化学性能指标**
在超级电容器中，电化学参数是衡量电极材料与充放电机制之间关系以及评估储能效率和传输效率的基本性能指标。这些参数对于评估储能能力、电荷转移动力学和电化学可逆性也至关重要。

**电极材料**
电极材料在决定电化学性能、功率和能量密度以及储能系统的长期稳定性和可靠性方面起着关键作用。根据其化学和结构，电极材料可以通过转换/插层反应、法拉第（伪电容）或静电（双电层电容）过程来储存能量。下文将重点讨论主要类别的电极材料及其作用方式。

**电极材料的制备技术**
形态是提高电化学性能的关键因素，而伪电容通常被认为是与生成电极材料的形态直接相关的界面现象。因此，必须通过调节合成过程中的多个因素（包括生长温度、时间和反应物浓度）来精确调整最佳电极材料的尺寸和形态[147]。研究人员还表明，不同的合成方法可以影响电极材料的形态和性能。

**挑战与未来展望**
超级电容器技术的发展在器件概念和混合策略方面取得了显著进展，旨在克服低能量密度这一固有限制，同时保持传统超级电容器的特征性高功率密度。这些发展显著改善了电荷转移动力学，增加了电活性位点的密度，并提高了这些系统的整体储能能力。尽管如此，未来的研究仍需关注创新材料、混合策略和优化器件架构，以进一步提升储能能力，同时保持快速充放电速率、优异的循环稳定性和卓越的安全特性。

**结论**
过去几十年来，通过开发新型材料、混合策略和优化器件架构，超级电容器应用取得了显著进步，实现了储能能力的显著提升，同时保持了快速充放电速率、优异的循环稳定性和卓越的安全特性。除了电化学性能的提升外，未来的研究还应关注……