综述：基于导电材料与混合材料的柔性超级电容器：材料设计、机械耐受性与稳定性

《Synthetic Metals》：Flexible Supercapacitors Based on Conducting and Hybrid Materials: Materials Design, Mechanical Tolerance, and Stability

　　

• •
  回顾了基于导电及混合导电材料的柔性超级电容器的最新进展。
• •
  着重阐述支配电荷传输与机械耐受性的结构—性质—性能关系。
• •
  讨论了导电聚合物、碳纳米材料、MXene和混合电极在柔性器件中的作用。
• •
  分析了机械和环境应力下的退化机制与稳定性挑战。
• •
  提出了面向稳健、稳定柔性储能系统的未来设计策略。

引言

近期，可穿戴电子设备、柔性显示器和便携生物传感器的兴起，催生了对柔性、轻量且高稳定性导电储能系统的更大需求。尽管现有储能器件（尤其是锂离子电池）具有较高的能量密度，但仍面临安全性、循环稳定性以及柔韧性有限等问题[1]。超级电容器（亦称电化学电容器）因具有高功率密度、较快的充放电速率以及长循环寿命而备受关注[2], [3], [4], [5]。借助柔性设计与材料，这类器件也被称为柔性超级电容器（FSC），成为支撑下一代可穿戴电子设备的潜在候选方案，引发广泛关注。超级电容器的工作原理基于两种本质不同的储能机制：电化学双电层电容（EDLC）[4]与赝电容[6]。EDLC主要存在于高比表面积材料（如碳材料）中，电荷积累局限于电极/电解质界面[7], [8]。相反，赝电容是一种法拉第氧化还原过程，主要涉及过渡金属氧化物和导电聚合物，后者通常被视为类金属合成材料[6]。FSC的性能不仅取决于电极材料的本征电化学特性，还与其电荷传输特性、机械耐受性、环境稳定性以及与柔性基底和电解质的兼容性密切相关。

对可穿戴系统而言，柔性储能至关重要，因为它们会经受反复的机械应力，包括弯曲、扭转、折叠和拉伸。如果材料和设计未针对机械稳健性进行优化，此类条件会显著降低器件性能[9]。除了柔韧性，另一个至关重要的要素是长期电化学与结构稳定性[10]。在实用条件下运行的可穿戴器件需要能够抵御空气、湿度和温度波动可能造成的劣化，同时维持稳定的电子与离子传导路径。

本迷你综述整合了FSC领域的最新进展，重点关注导电与混合材料、机械耐受性及稳定性。文中涵盖电极材料、电解质、器件结构和性能评估策略方面的近期进展。第2节重点介绍碳基材料、MXene、导电聚合物、过渡金属化合物及电解质等材料。第3节聚焦机械耐受性，探讨各类器件构型对弯曲、扭转、拉伸、折叠和压缩载荷抵抗能力的影响。此外，第4节分析了稳定性问题，包括环境耐受性、存储寿命，以及在高温高湿条件下的运行可靠性。最后，第5节概述了面临的挑战与未来研究方向，第6节则总结了关键结论。通过融合材料科学、机械工程和电化学的交叉概念，本综述为FSC的研发提供了一个整体的结构—性质—性能视角，并指出了为大规模推动下一代柔性电子设备所必须解决的关键空白。

章节摘要

碳基材料

石墨烯、碳纳米管（CNT）和活性炭凭借高电导率、稳定性以及可设计的孔隙结构，在FSC电极市场中占据主导地位[11], [12], [13], [14]。石墨烯非常柔韧，且具有约2630  m2 g^-1的高比表面积，可实现EDLC机制。石墨烯可通过激光刻写、化学气相沉积（CVD）和石墨氧化物还原等方式制备，从而能够制造电极[15], [16]。

设计对机械耐受性的影响

柔性超级电容器的结构与材料设计，即器件在经受弯曲、扭转、拉伸和反复形变时仍能保持电化学性能显著衰减的能力，对其机械耐受性影响极大。纤维状、纺织基和纸基等设计由于应力分布方式不同，会影响器件的耐受性[90], [91], [92], [93], [94]。刚性电活性材料的柔韧性

常规环境下的材料退化

限制柔性超级电容器长期稳定性的主要瓶颈是室温条件下的材料退化。将电极材料、电解质和界面暴露于氧气、水分、温度波动和机械疲劳中，都可能导致其退化，进而引起电容降低和循环寿命缩短[113], [114], [115]。例如，过渡金属氧化物和导电聚合物往往会失去电导率和机械

挑战与展望

尽管取得了显著进展，FSC在实现大规模商业化之前仍面临若干挑战：

• 1.
  可规模化性：许多制造方法，如CVD、石墨烯生长和MXene剥离，成本高且难以规模化。
• 2.
  稳定性：MXene氧化、聚合物疲劳和电解质干涸仍是主要瓶颈。
• 3.
  标准化：缺乏针对机械耐受性和稳定性的统一测试规程，使跨研究比较变得复杂。
• 4.
  集成性：生物相容性、可水洗性

结论

柔性超级电容器由于将电化学储能与机械适应性相结合，在可穿戴、便携和可变形电子系统中展现出巨大潜力。本综述表明，没有任何单一材料类别能够同时提供最高电容、机械耐受性和长期循环稳定性。相反，器件性能由电极组成、结构、电解质选择以及界面

未被引用的参考文献

[65]

作者声明

Talal F. Qahtan：概念构思、资金获取、方法论、项目管理、指导、写作—审阅与编辑；Omodele Emmanuel Olubi：概念构思、数据管理、写作—初稿撰写；Taoreed O. Owolabi：形式分析、调查研究、写作—初稿撰写；Idris K. Popoola：数据管理、方法论、写作—初稿撰写；Barakah Olawumi Olowokere：资源、验证、写作—审阅与编辑；Abdellah Kaiba：调查研究、验证、写作—

CRediT作者贡献声明

Talal F. Qahtan：写作—审阅与编辑、指导、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。Omodele Emmanuel Olubi：写作—初稿撰写、数据管理、概念构思。Taoreed O. Owolabi：写作—初稿撰写、调查研究、形式分析。Satam Alotibi：写作—审阅与编辑、验证、形式分析。Fatehia S. Alhakami：写作—审阅与编辑、资源、形式分析。Idris K. Popoola：写作—初稿撰写，

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢沙特宾阿卜杜拉齐兹王子大学通过项目编号（PSAU/2025/01/37565）对本研究工作提供的资金支持。

Talal F. Qahtan|Omodele Emmanuel Olubi|Taoreed O. Owolabi|Idris K. Popoola|Barakah Olawumi Olowokere|Abdellah Kaiba|Satam Alotibi|Fatehia S. Alhakami