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EEM | 先进超级电容器材料设计的最新进展

今日新闻 2025年08月22日 20:59 2 admin
EEM | 先进超级电容器材料设计的最新进展

EEM | 先进超级电容器材料设计的最新进展

近日,韩国光云大学Tae-Jun Ha教授在Energy & Environmental Materials上发表题为:“Recent Developments in Materials Design for Advanced Supercapacitors”的综述型论文。

亮点

1. 本文系统综述了超级电容器电极材料领域的最新进展,重点探讨电极材料与电解质间的协同作用机制。

2. 突破传统碳基材料、导电聚合物和金属氧化物的分类框架,我们聚焦于MXene(金属硫属化合物)、过渡金属二硫属化物(TMDs)、黑磷及量子点等新兴纳米结构体系。

3. 通过离子液体、凝胶基及固态电解质等材料的优化设计,电极-电解质界面工程可显著提升器件性能:拓宽电压窗口、增强循环稳定性、抑制自放电现象。

4. 结合密度泛函理论(DFT)与态密度(DOS)分析的最新研究成果,揭示了原子层面的电荷存储机理。

研究背景

超级电容器(又称超电容器或电化学电容器)是一种通过静电和电化学过程储存能量的装置。随着显示设备、传感器等便携式及可穿戴电子产品的迅猛发展,市场对紧凑型、轻量化且高效能储能解决方案的需求显著增长。凭借高功率密度、快速充放电特性及长循环寿命,这类电容器正成为新一代移动电子设备的关键技术支撑。其发展动力源自材料科学与电化学领域的突破,以及市场对高功率储能方案的持续需求。超电容器的首次实用化开发始于20世纪60年代,由俄亥俄标准石油公司(SOHO)率先研制。该公司在70年代将这项技术授权给日本电气公司(NEC),标志着商用超电容器生产的开端。这些早期设备被称为双电层电容器(EDLC),虽然能量密度有限,但能提供快速爆发式电力输出,因此成为计算机存储系统备用电源的理想选择。然而,其能量密度不足和高昂成本限制了大规模应用。此外,尽管对活性炭等多孔电极材料进行了大量优化研究,但导电性能始终偏低且成本居高不下,阻碍了商业化进程。尽管存在这些局限,学界在理解双电层电容的电化学行为以及优化电极与电解质组合以提升效率方面仍取得了重大突破。

与传统电容器不同,基于法拉第机制的赝电容器通过在电极表面或近表面发生的电子与离子交换反应实现电化学过程。在此过程中,电子和离子会主动参与电化学反应,从而显著提升电容器的比容量和能量密度。这种机制常见于过渡金属氧化物、导电聚合物等电极材料中。不过由于涉及化学转化过程,赝电容器的循环寿命和功率性能通常不如传统电容器(如嵌入式双层电容器)。混合超级电容器融合了两种技术路线,通过整合法拉第型与非法拉第型电极,实现能量与功率性能的双重提升。近年来,复合结构、不对称设计及电池式配置等多样化混合方案已得到广泛探索。当前研究重点在于通过优化先进电极材料和电解质体系,持续提升电池单元性能并提高工作电压。这些差异对于理解不同电极材料的行为特征及其设计潜力具有关键意义。

在电动汽车、便携式电子设备和可再生能源储能系统等需要快速放电与高功率密度的领域,材料设计对提升先进超级电容器的性能、效率及适用性具有关键作用。这些先进材料的独特特性直接影响着超级电容器的电容值、能量密度、功率密度以及循环寿命。因此,创新材料设计对于突破超级电容器的技术边界至关重要。尽管新型电极材料的研发已取得显著进展,但长期稳定性差、合成成本高、体积电容有限以及规模化生产难题等挑战仍未解决。这些瓶颈往往制约着MXene、TMD和量子点等潜力材料的实际应用。本文不仅探讨突破这些挑战的最新策略,更着重揭示材料与电解质协同作用如何从根本上影响器件性能表现。

有效的材料设计策略需要综合考量多个关键因素。这包括选择合适的材料类型、通过工程化高比表面积和分层孔隙结构来提升离子可及性,以及通过结构或成分调控优化导电性能。引入碳纳米管或石墨烯等导电框架可促进电子快速传输,而掺杂金属氧化物或聚合物形成复合材料则能增强氧化还原活性。此外,通过优化材料-电解质界面以降低电阻并提高离子传输效率,在性能表现中起着至关重要的作用。材料的柔韧性、机械完整性以及高压运行稳定性同样是关键要素。这些策略共同决定了材料能否在能量密度、功率密度与循环稳定性之间实现理想平衡。

文章简读

本综述系统梳理了先进超级电容器技术中采用的材料设计特征,涵盖碳基材料、金属氧化物、MXene、过渡金属二硫化物、黑磷(BP)及量子点(QDs)等前沿领域。作者突破传统电极材料分类框架,着重揭示电极材料与电解质间的协同作用机制——这种关键性互动直接影响器件性能。通过整合电极-电解质界面工程、电荷传输机理以及自放电、循环稳定性、电压窗口扩展等实际应用挑战的最新研究成果,本文为超级电容器电极材料设计提供了全面且具有应用价值的视角。该研究方法突破了以往综述的局限,为开发兼具高能量密度、高功率密度、优异机械柔韧性和长期稳定性的新型超级电容器提供了重要指导。

材料设计领域的最新突破显著提升了先进超级电容器的能量密度、功率性能和应用多样性,使其在现代储能解决方案中发挥着越来越重要的作用。通过采用石墨烯、碳纳米管等高比表面积碳材料,以及过渡金属氧化物(如二氧化锰和二硫化钼)和导电聚合物等赝电容材料的创新组合,超级电容器成功填补了传统电容器与电池之间的技术空白。介孔金属有机框架材料(MOFs)与复合材料等混合材料的应用,为实现高容量与优异循环稳定性提供了新思路。离子液体与固态电解质的引入进一步拓宽了工作电压范围,使超级电容器更接近那些既需要大功率输出又要求合理储能容量的实际应用场景。此外,石墨二炔、硼苯和MB烯等新型二维材料近期因其卓越的物理化学特性——包括高导电性、可调孔隙结构和电化学稳定性——而备受关注。尽管这些材料的研究仍处于初期阶段,但它们在下一代超级电容器应用领域展现出巨大潜力。持续探索这些材料或将为器件设计、柔韧性和性能提升开辟全新可能。

然而,技术应用仍面临诸多挑战,特别是在稳定性、生产成本和规模化生产方面。先进超级电容器材料普遍存在生产成本高昂、环境影响大、循环寿命短及环境稳定性差等问题。要实现商业化应用,还需通过研究解决这些瓶颈,重点攻关可持续材料、规模化生产工艺以及实际工况下的耐久性提升。总体而言,超级电容器材料的突破性进展已显著拓展了其应用场景,涵盖便携式电子设备、电网储能系统及电动汽车等领域。未来在材料科学与工程领域的持续投入至关重要,唯有如此才能充分发挥超级电容器的潜力,使其成为可持续能源存储与分配系统的核心组件。

图文赏析

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图1超级电容器发展历程

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图2f)夹层式、平面交叉式和空间交错式超级电容器的结构;以及g)空间交错式超级电容器的制造

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图3路易斯碱(LB)卤化物处理的Ti3C2Tx(LB-Ti3C2Tx)的制备及亲核取代反应机理

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图4a)基于SPEEK-2.5%-f-NbS2的柔性固态超级电容器。b)在2H WS2和层间膨胀的1T-2H WS2异质结构中的电荷存储

文章链接

Abhisikta Bhaduri, Chae-Eun Kim, and Tae-Jun Ha*, Recent Developments in Materials Design for Advanced Supercapacitors.

Energy Environ. Mater.2025.0.e170070

DOI: 10.1002/eem2.70070

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.70070

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