综述：高性能超级电容器的发展：通过整合电化学机制实现更高效的能量存储

《Journal of Energy Storage》：Advances in high-performance supercapatteries: Bridging electrochemical mechanisms for enhanced energy storage

高能效、高功率密度和长循环寿命的能源存储技术是关键，现有系统因性能和设计限制难以规模化应用。本文通过电极材料、电解质系统和界面设计的创新，揭示其如何提升设备级电化学性能，特别关注超级电容器与电池结合的混合器件。通过解析法拉第和非法拉第过程的作用，提出材料特性和结构工程优化可提升能量密度、功率密度和循环稳定性，为下一代储能系统设计提供框架。

　　

N.F. Mazuki|A.F. Fuzlin|S. Aynharan|C.C. Yang|A.S. Samsudin|Markus Diantoro

印度尼西亚玛琅国立大学数学与自然科学学院物理系，玛琅，65145

摘要

电化学储能（EES）技术的进步对于满足日益增长的高能量容量、优越的功率输出和延长的循环寿命需求至关重要。尽管取得了显著进展，但由于性能和设计上的限制，大多数现有的EES系统仍不适合大规模商业化。本文通过深入探讨电极材料、电解质系统和界面设计的创新如何转化为设备级别的电化学性能提升，独特地弥合了材料工程与设备级优化之间的差距。特别关注了一类新兴的超级电容器——混合器件，这类器件将超级电容器的快速充放电特性与电池的高能量密度相结合。通过阐明法拉第过程和非法拉第过程之间的相互作用，本文展示了如何利用定制的材料属性和结构工程来优化器件架构，从而提高能量和功率密度、循环稳定性和电荷保持能力。这些见解为下一代储能系统的设计提供了全面的视角，并为高性能超级电容器的未来研究和商业化策略提供了支持。

部分摘录

缩写

<>还原氧化石墨烯<>碳纳米管<>活性炭<>聚苯胺<>聚(3,4-乙烯二氧噻吩)<>聚吡咯过渡金属氧化物循环伏安法恒电流充放电电化学阻抗谱布鲁纳-埃梅特-泰勒（比表面积分析）X射线衍射傅里叶变换红外光谱

缩写	全称
EES	电化学储能
EDLC	电双层电容器
SC	超级电容器
IL	离子液体
LIB	锂离子电池
rGO
CNT
AC
PANI
PEDOT
PPy
TMOs
CV
GCD
EIS
BET
XRD
FTIR

超级电容器：概述

在表面上存储电荷的概念可以追溯到古代的静电现象，最初是在摩擦琥珀时观察到的。从那时起，这一现象在18世纪中叶随着对静电的研究以及各种电气机器的开发而得到了进一步研究[30]。1957年，通用电气的工程师在实验多孔碳电极时发现了电双层电容器效应。

超级电容器的组成部分

与电池相比，超级电容器通过快速的载流子转换提供高功率性能，但充电存储能力有限。电双层电容器（EDLC）材料通过非法拉第机制存储电荷，在此过程中，电解质离子在电极表面静电吸附而不会发生任何化学反应。这种物理充电存储过程受到电双层形成的控制。

超级电容器的制造方法

高性能储能设备的进步与创新材料和制造策略的发展密切相关。特别是，先进的介电材料在实现电动汽车（EV）应用中的高性能电容储能系统中起着关键作用[62]。对于像超级电容器这样的混合器件，其制造过程对器件性能至关重要。

超级电容器的先进表征

超级电容器作为超级电容器和电池之间的桥梁，需要先进的表征技术来优化其性能、稳定性和充电存储机制。超级电容器的先进表征结合了结构和电化学分析，以最大化性能。结构表征技术包括用于识别相的X射线衍射（XRD）、用于分析化学键的拉曼光谱以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）等。

挑战与未来前景

电化学储能（EES）设备，包括电池和超级电容器，发展迅速，但两者都存在固有的缺点。电池具有高能量密度，但充放电动力学较慢，功率输出较低。超级电容器可以在循环过程中提供高功率密度和稳定性；然而，它们的能量容量太小。现有技术尚未达到电力传输的高标准，也无法实现大规模集成。

CRediT作者贡献声明

N.F. Mazuki：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、概念化。A.F. Fuzlin：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、资源提供、概念化。S. Aynharan：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、概念化。C.C. Yang：指导。A.S. Samsudin：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、指导、资金获取。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

Markus Diantoro报告称获得了玛琅国立大学的财务支持。A.S. Samsudin报告称获得了马来西亚帕杭苏丹阿卜杜拉大学的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响研究的财务利益或个人关系。