综述：卤化物钙钛矿作为先进超级电容器电极的新材料：综述

《Journal of Energy Storage》：Halide perovskites as novel materials for advanced supercapacitor electrode: A review

卤化铅钛矿因其高离子电导率、可调结构和优异电化学性能，成为超级电容器电极材料的研究热点，但存在稳定性不足、制备工艺复杂等问题。

　　

Kian Pishvaie | Shayan Soleimani | Majid Saidi

德黑兰大学理学院化学系，邮政信箱14155-6455，德黑兰，伊朗

摘要

近期能源存储技术的发展为超级电容器（SCs）提供了更多关注的机会，因为它们具有高功率密度、长循环寿命和可持续性的潜力。卤化物钙钛矿材料因其卓越的电荷存储能力和电化学性能而成为一类新型的超级电容器材料，同时这些材料还具有低成本、简单的合成路线以及高度结晶的结构，这种结构在组成和结构上具有可调性，这是超级电容器非常受欢迎的特点。尽管如此，在获得具有长期稳定性的可重复设备方面仍存在挑战。本文综述了利用卤化物钙钛矿作为电极的超级电容器的合成技术、表征方法和电化学性能，并讨论了使用钙钛矿的超级电容器的局限性及其发展过程中遇到的潜在解决方案。

引言

随着全球对高效储能技术需求的增加，可持续发展和可再生能源使用的扩大变得尤为重要[1]。超级电容器作为一种储能装置，与传统的电池不同，通常能够提供更高的功率输出；它们通过静电方式存储能量[2]。而电池则是通过化学反应来存储能量，释放能量则需要逆转这些反应。由于反应动力学和离子传输的限制，电池通常表现出较慢的充放电速率、较低的功率密度以及由于化学降解导致的有限循环寿命。相比之下，超级电容器通过在电极-电解质界面物理积累电荷来实现能量的存储，这使得它们能够实现快速充放电、更高的功率密度以及更长的循环寿命。然而，尽管有这些优势，超级电容器的能量密度通常仍然低于电池，这限制了它们在需要紧凑、持久储能的应用场景中的使用[3],[4],[5],[6]。 超级电容器的电化学行为取决于电极材料的组成及其独特性质。导电性、表面积和离子迁移率等关键属性对于决定储能容量、充放电效率以及系统稳定性至关重要[7],[8],[9]。传统的碳基电极材料通常具有较大的表面积和适中的导电性，但在能量密度和充放电效率方面可能存在局限性[10],[11]。因此，科学家们转向了基于过渡金属氧化物、纳米碳基材料以及各种电极材料的混合电子复合材料等新型电极材料。这些新材料有望同时提高超级电容器的电容和能量密度，并加快充放电速度，同时保持长期稳定性[12],[13],[14]。 在新型电极材料中，钙钛矿（特别是卤化物钙钛矿）展现了巨大潜力。这些材料的结构可以从三维（3D）变为二维（2D），或者介于两者之间[15],[16]。通过调整化学组成，钙钛矿还可以改变其电子、离子和电化学性质[17],[18]。因此，钙钛矿被认为是提升超级电容器性能的理想材料。此外，近年来卤化物钙钛矿因表现出优异的导电性、高晶体稳定性以及可以完全针对不同应用进行定制而受到关注。此外，这些材料在充放电循环过程中表现出可逆的离子插层现象，这是它们提高电容和储能能力的基础[19],[20],[21]。 卤化物钙钛矿的一般化学式为ABX₃，其中A和B代表金属阳离子，X代表卤离子[22]。卤化物钙钛矿独特的晶体结构使其具有高离子导电性和强大的电荷存储能力，这为储能应用带来了巨大潜力[23],[24]。虽然卤化物钙钛矿在光伏和光电领域已经得到了广泛研究，但作为超级电容器电极的应用在文献中仍相对较少且研究不系统。使用卤化物钙钛矿作为电极材料的一个主要优势是其可调性：通过改变B位和A位阳离子的组成，科学家可以调节这些材料的离子和电子特性，从而最大化其性能。这种多功能性使得预测具有更大表面积和增强电化学稳定性的新材料变得更加容易[25],[26],[27],[28],[29]。 本工作的目标是研究和解决使用卤化物钙钛矿开发超级电容器时遇到的挑战和局限性，并进一步探索其在推进超级电容器技术方面的潜力，因为卤化物钙钛矿有望成为传统电极材料的替代品，显著提升超级电容器的能量密度、功率密度和可靠性。这些特性使它们成为研究人员关注的重点领域，尤其是那些寻求更高效、经济可行且大规模制造更简单的新型储能技术的研究人员[30],[31]。

钙钛矿的一般结构和性质

钙钛矿是一种高度可适应的材料，其稳定性受化学组成、压力和温度条件等多种因素的影响。这些因素会影响晶体结构中原子的排列，进而影响材料的整体性能[32],[33],[34]。不同类型的钙钛矿（如卤化物钙钛矿和钙钛矿氧化物）具有独特的性质，这些性质对于众多技术应用至关重要。

合成与制备方法

选择用于合成和制备卤化物钙钛矿的方法是为了确保对其性能的精确控制，并提供灵活性以适应特定应用的需求[122],[123]。这些方法对于制备高质量的材料非常重要，这些材料可以加工成粉末或均匀薄膜等多种形式，同时有助于平衡性能、加工规模和可重复性。

卤化物钙钛矿的结构特性

了解卤化物钙钛矿在各种应用中的性能，对其结构表征至关重要，因为这些材料的性质与其原子和分子排列密切相关[160],[161]。常用的先进表征技术用于研究卤化物钙钛矿的晶体结构、分子相互作用和形态。

卤化物钙钛矿作为超级电容器电极

由于卤化物钙钛矿出色的离子导电性和快速的充放电性能，它们正受到作为超级电容器电极的关注[31],[187]。本节探讨了它们在储能应用中的优势。 Popoola等人[188]使用一步法和两步法溶液处理技术合成了$\backslash mi\{MAPbI\}\_3$电极。这些采用准固态电解质的器件获得了21.50 mF/cm²的面积电容，是使用液态电解质的器件的3.65倍。

挑战与未来方向

卤化物钙钛矿在超级电容器（SC）应用中展现出巨大潜力，但要实现大规模商业化应用仍需克服多个障碍。其中一个主要障碍是钙钛矿结构的不稳定性，它们对湿度[209]、温度和光照等环境因素非常敏感，这些条件可能导致材料降解，从而失去结构完整性。

结论

卤化物钙钛矿作为超级电容器（SC）的电极材料表现出显著潜力，这归功于其有利的电化学性质、高结晶度和可调的电子结构。本文综述了基于钙钛矿的超级电容器电极的合成、表征和电化学性能。采用了多种合成方法，包括溶液处理、球磨和溶剂控制结晶等，以优化其结构和性能。

CRediT作者贡献声明

Kian Pishvaie：撰写初稿，进行研究。 Shayan Soleimani：撰写初稿，进行研究。 Majid Saidi：撰写、审稿与编辑，监督工作，制定方法论，进行研究，进行概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。