《Journal of Alloys and Compounds》：Polymer-based capacitors for high-performance energy storage: materials, mechanisms, and recent advances.
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本文系统综述了导电聚合物基超级电容器的研究进展，重点分析了聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩及其与碳材料、金属氧化物等复合材料的电荷存储机制与性能优化策略，同时探讨了材料稳定性、规模化制备及成本效益等关键挑战，并提出了未来研究方向。
Nermin M. Ali | Mahmoud A. Hefnawy | Shymaa S. Medany | Khaled M. Ismail
开罗大学理学院化学系，埃及吉萨12613
摘要
随着对高性能储能设备需求的不断增长，基于聚合物的电容器和超级电容器受到了越来越多的关注，因为它们具有高功率密度、快速充放电性能和机械灵活性。本文深入探讨了导电聚合物电极的最新进展，重点关注了聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩及其复合材料和三元复合材料。文章讨论了电化学双层电容器、赝电容器和混合系统中的储电机制，并分析了聚合物与碳材料、金属氧化物、磷化物和金属有机框架的集成。文章强调了结构与性能之间的关系，包括电容、能量和功率密度以及循环稳定性。同时，还介绍了柔性、光辅助和混合超级电容器系统的最新发展。最后，指出了材料稳定性、可扩展性和成本方面的关键挑战，并概述了实用的、可持续的基于聚合物的储能技术的未来发展方向。
引言
能源是现代社会的支柱，支撑着经济发展、技术进步和生活质量。从工业生产和运输到通信、医疗保健和数字基础设施，可靠的能源供应对于可持续增长至关重要[1]、[2]、[3]。可再生能源来源于太阳能、风能、水能和生物质等可自然补充的资源，使其成为化石燃料的可持续替代品[4]、[5]。氢能源和燃料电池在清洁发电中发挥着重要作用，氢通常通过电化学水分解产生，并用于燃料电池，包括基于尿素、乙二醇和醇等小分子的电氧化系统，具有高效率和低排放[6]、[7]、[8]、[9]。与此同时，先进的储能技术（如超级电容器）通过提供高功率密度和快速充放电能力，补充了电池的功能，支持可再生能源的有效整合[10]、[11]。
从19世纪中叶至今，储能系统（ESS）的发展和创新在应对可再生能源（RES）的间歇性问题方面发挥了关键作用。太阳能、风能和水能等可再生能源依赖于变化的自然条件，其输出具有间歇性和不可预测性。这种变化性给维持稳定可靠的电力供应带来了重大挑战。为了确保稳定的电力供应，储能系统在高发电期间储存多余的能源，并在发电量下降时释放出来。除了提高电力供应的可靠性外，储能系统还有助于大幅减少温室气体排放，为环境脱碳提供了巨大潜力[12]、[13]。因此，随着可再生能源使用的增加，储能系统已成为当代能源基础设施的关键组成部分。根据工作原理，储能技术可分为机械式、电化学式、热能式、化学式和电磁式系统。每种类型都有不同的机制、效率和应用，以满足多种储能需求。通过促进电网稳定性、负载平衡和高峰需求管理，储能系统提高了能源可靠性，同时支持可再生能源的广泛整合[12]、[13]、[14]。
机械式储能系统（如抽水蓄能、飞轮和压缩空气储能（CAES））以动能或势能的形式储存能量。尽管这些大规模储能方式已经成熟，但往往受到地理因素的限制。电化学储能系统（如锂离子电池、铅酸电池和钠硫电池）通过化学反应储存和释放能量。这些系统因高效、可扩展性和适用范围广而得到广泛应用。热能储能系统使用熔盐或相变材料等材料，以热能或冷能的形式储存能量，适用于供暖、制冷和太阳能热能集成，但在一般电网应用中的效率有限。化学储能系统（如氢储能）具有高能量密度和长期储存能力，但由于需要先进的基础设施，其广泛应用面临挑战。电磁式储能系统直接在电场或磁场中储存能量，包括超级电容器和超导磁能储存（SMES）。这些系统适用于高功率、短时应用，但由于成本高昂和能量容量有限，限制了其更广泛的采用[15]、[16]、[17]。
此外，储能系统在促进可再生能源整合和加强能源管理系统方面发挥着重要作用，通过提高稳定性、效率和可靠性来缓解太阳能和风能的间歇性问题，防止停电和电压波动，使可再生能源更加可靠。此外，这些系统对于推进电动交通、减少对化石燃料的依赖和促进能源安全至关重要。通过负载平衡和提高能源效率，储能系统是向可持续低碳能源系统转型的基本推动者[16]。
在各种储能技术中，电容器（特别是基于聚合物的电容器）因其快速充放电能力、机械灵活性和热稳定性而脱颖而出。这些特性使它们适用于便携式电子设备、电动汽车和下一代能源系统。本文旨在：(a)阐明导电聚合物在基于聚合物的电容器中的作用和优势；(b)总结当前正在研究的材料；(c)解释基本的储电机制；(d)介绍该领域导电聚合物改性和优化的最新进展；(e)讨论现有挑战并提出潜在解决方案[18]。
本文明确关注导电聚合物材料、结构创新和与储能应用相关的性能指标，排除了传统电容器中常用的非导电聚合物作为电介质材料的情况。
电容器类型
在过去二十年里，超级电容器因其独特的性能而获得了全球认可[19]。它们具有高功率密度、快速充放电循环和优异的寿命，适用于从便携式电子设备到电动汽车和电网稳定的广泛应用。尽管具有这些优势，但长期稳定性和有限的能量储存容量仍需解决。
超级电容器通常分为
超级电容器电极材料
超级电容器的电化学性能很大程度上取决于电极材料的性质，这些材料决定了储电机制、充放电速率、能量密度和长期稳定性。一般来说，电极材料可以分为四类：碳基材料、金属氧化物基材料、导电聚合物以及复合或混合系统（图2）。每类材料都有其独特的优势和局限性，这些因素影响了它们的性能。
聚合物电容器
聚合物电容器根据聚合物在其结构中的功能进行分类。主要分为两类：线性介电聚合物电容器和导电聚合物电容器。线性介电聚合物电容器使用聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或聚碳酸酯（PC）等绝缘聚合物作为电介质层。这些电容器通过静电方式储存能量，广泛应用于需要高电压稳定性的场合。
聚合物电容器的应用
柔性、可拉伸储能系统的开发使得基于CP（导电聚合物）的电容器能够集成到各种便携式电子设备中。这些电容器被用于智能纺织品，实现自供电的可穿戴技术。它们还用于自供电传感器，用于实时健康监测和环境监测。此外，使用基于CP的电容器制成的可生物降解储能设备为短期应用提供了可持续的解决方案，减少了
未来与挑战
尽管基于导电聚合物的电极具有有前景的电化学性能，但仍有一些挑战限制了它们在储能设备中的大规模应用。其中一个最关键的问题是导电聚合物在反复充放电循环过程中的内在结构不稳定性。与赝电容行为相关的掺杂和脱掺杂过程会导致显著的体积膨胀和收缩，从而导致机械退化
基于CP的复合材料的可扩展性和经济可行性
针对上述挑战，最近的研究重点在于开发提高基于聚合物的储能系统的稳定性、性能和实际可行性的策略。其中一种有效的方法是复合工程，即将导电聚合物与碳材料、金属氧化物、磷化物或金属有机框架集成。这种混合架构可以适应聚合物体积的变化，提高充电
结论
基于导电聚合物的超级电容器是一种有前景的储能设备，结合了高功率密度、快速充放电行为和机械灵活性。导电聚合物及其复合材料的进步显著提高了电化学性能，包括电容、充放电速率和循环稳定性。
然而，仍有一些挑战限制了其大规模商业化。未来的研究需要关注提高能量密度和延长循环寿命
CRediT作者贡献声明
Khaled M. Ismail：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、项目管理、数据分析、概念化。Shymaa S. Medany：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、方法论、概念化。Mahmoud A. Hefnawy：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、软件开发、资源管理、项目管理。Nermin M. Ali：撰写 – 原初草稿、可视化、软件开发、方法论、数据分析
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
