《Advanced Science》：Review: Insight on Porous Carbon Positive Electrode for Sodium-Ion Capacitors: Interplay Between Synthesis, Properties, and Performance
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这篇综述（Review）深入探讨了钠离子电容器（Sodium Ion Capacitors, SICs）领域，聚焦于其核心正极材料——多孔碳（Porous Carbons, PCs）。SICs是一种结合了电池高能量密度和电容器高功率密度的混合储能器件。文章系统梳理了2012年至2025年间的研究成果，重点分析了多孔碳的合成方法（如热解、活化、掺杂）如何影响其形貌、孔隙结构、表面化学性质，进而决定其在钠金属半电池及全电池中的电化学性能（如比容量、库仑效率）。文中还详细探讨了电荷存储机制（电容性与赝电容性）、预钠化策略以及构建全电池的挑战与机遇，为优化多孔碳正极性能、推动SICs商业化提供了全面的见解。
在追求高效、可持续能源存储解决方案的征程中，钠离子电容器（Sodium Ion Capacitors, SICs）崭露头角，成为一种颇具前景的技术。它巧妙地将电池型负极的高能量密度与电容器型正极的高功率密度合二为一，为超越传统锂基系统提供了一条成本效益更高的路径。自2012年问世以来，大量的研究精力都倾注在电极材料的优化上，其中，多孔碳（Porous Carbons, PCs）正极材料尤为关键。
1 引言
全球能源消耗严重依赖化石燃料，这加剧了全球变暖、能源短缺和环境污染。开发可再生能源和高效储能技术势在必行。基于能量与功率密度的比较（Ragone图），电化学储能设备主要包括二次电池（如锂/钠离子电池）、超级电容器和燃料电池。锂离子电池（LIBs）虽能量密度高，但功率密度较低、循环寿命有限；而超级电容器功率密度高、循环寿命长，却受限于低能量密度。钠离子电容器（SICs）作为混合电池（或称金属离子电容器，MICs）的代表，旨在同时实现高能量和高功率密度。
钠（Na）因其储量丰富、成本较低以及与锂相似的化学性质，成为后锂时代极具吸引力的替代选择。在SICs的各种构型中，双碳结构（即负极和正极均采用碳材料）因其避免使用贵金属、成本低、原料来源广泛（如生物质）以及物化性质可调等优势，受到了广泛关注。其中，硬碳（Hard Carbon, HC）是优异的负极材料，可提供>300 mAh g-1的放电容量；而多孔碳（如活性炭，AC）是常用的正极材料。然而，商业活性炭正极的放电容量通常≤100 mAh g-1，这已成为限制全电池容量的瓶颈。因此，本综述旨在深入解析多孔碳的合成、性质与性能之间的内在联系，为提升其性能、推动SICs商业化指明方向。
2 基本概念
2.1 SIC构型
SICs的工作机制可根据不对称电极对的类型分为几种构型：
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电池型负极与电容型正极：这是最经典的构型。负极（如硬碳）发生Na+的嵌入/脱出（法拉第过程），而正极（如活性炭）发生阴离子的吸附/脱附（非法拉第过程），从而结合了高能量和高功率特性。
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电容型负极与电池型正极：即“倒置”混合构型。电容材料（如AC）作负极，电池材料作正极，这种构型对正极材料要求较高。
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赝电容型/电池型作为负极或正极：例如，将电池型材料与MXene等赝电容材料配对。赝电容材料通过表面快速法拉第反应存储电荷，能贡献更高的容量。
2.2 双碳SIC的工作原理
典型的双碳SIC由预钠化的硬碳负极和多孔碳正极组成。充电时，电解液中的Na+向负极迁移并嵌入，而阴离子（如PF6-、ClO4-）向正极迁移并被表面吸附；放电过程则相反。预钠化对于补偿首次循环的不可逆容量损失、维持电解液中Na+浓度、提升全电池性能至关重要。双碳SIC结构简单、环境友好，且可使用铝作为两极的集流体，进一步降低了成本和供应链风险。
2.3 商业多孔碳的性能
多孔碳作为正极材料备受青睐，主要归功于其高比表面积、可调的孔隙结构、良好的导电性、可修饰的表面化学以及优异的机械稳定性。尽管商业活性炭（如YP-80F, YP-50F, Kynol等）具有很高的比表面积（常超过2000 m2g-1），但在钠半电池测试中，其放电比容量大多仍≤100 mAh g-1。性能不佳可能源于孔隙分布不均、孔道尺寸与电解液离子尺寸不匹配、孔结构曲折限制电荷传递，以及表面化学性质影响电解液润湿性或导致副反应等问题。采用高电压窗口的电解液可以提升容量，但也可能带来长期循环稳定性方面的风险。
3 从前驱体到多孔碳
多孔碳的制备通常包括前处理、合成（如聚合、静电纺丝、水热碳化）、热处理（热解）以及后处理（如活化、掺杂）等步骤。
3.1 前驱体选择
前驱体主要分为合成前驱体、生物聚合物和生物质三大类。根据文献分析，超过一半的研究采用合成前驱体，如合成聚合物（聚苯胺PA、聚丙烯腈PAN、酚醛树脂PR）、碳材料（石墨烯/氧化石墨烯）以及金属有机框架（MOF）等。合成前驱体纯度高、碳产率相对较高，且能精确调控产物的微观结构和形貌，但部分来源于石化产品，可能涉及有害化学品。生物聚合物（如纤维素、壳聚糖、淀粉）和生物质（如木材、甘蔗渣、稻壳）则来源广泛、可再生、成本低，但成分复杂，碳产率和纯度波动较大，需要更复杂的预处理来获得均一产物。
