综述：聚吡咯杂化电极在超级电容器领域的进展：从分子设计到柔性能源存储

《Journal of Energy Storage》：Advances in polypyrrole hybrid electrodes for supercapacitors: From molecular design to flexible energy storage

　　

Sandra Alias|Raneesh Balakrishnan|Sa?a Lazovi?|Karthik Vinodan|Soney C. George|Nandakumar Kalarikkal

印度喀拉拉邦帕塔南姆蒂塔（Pathanamthitta）天主教学院物理系，邮编689645

摘要

对可持续和高效能量存储设备的需求不断增加，这促使人们深入研究同时具有高能量密度、快速充放电响应和耐用循环性能的高性能电极材料。超级电容器越来越被视为一种新兴的能量存储系统，它结合了电池和电容器的优点，比传统电容器具有更高的能量密度，比电池具有更高的功率密度。聚吡咯（PPy）是一种重要的导电聚合物，由于其掺杂状态下的高电导率、高理论电容值、结构灵活性和化学稳定性而受到广泛关注。然而，其实际性能受到循环耐久性的限制，这促使人们开展大量研究，开发结合纳米材料（如碳基材料、过渡金属氧化物、氮化物和MXenes）的PPy基混合系统。本文系统地评估了PPy基纳米复合材料的最新进展，重点介绍了合成策略、界面结构、形态控制以及影响器件性能的电化学机制。最后，讨论了PPy复合材料在柔性、可穿戴和集成式能量存储技术中的前景，并为下一代超级电容器的开发提供了设计指南。

引言

技术进步的加速、城市化以及人口增长导致全球能源消耗量前所未有的增加[1]。传统上，化石燃料一直是主要的能源来源。然而，化石燃料供应的减少及其带来的环境危害促使人们转向可再生能源[2]。尽管可再生能源具有可持续性，但由于环境因素的影响，其输出具有间歇性，因此迫切需要高效的能量存储系统来确保稳定的电力供应[3]。目前，高能量密度的电化学电池是能量存储应用的首选。尽管这些电池应用广泛，但它们存在功率密度低、安全性脆弱以及循环性能差等固有缺点。另一方面，传统电介质电容器在功率输出方面表现出色，但它们的低能量密度严重限制了其在许多实际应用中的用途[4]。

在这方面，超级电容器因其独特的特性和能力而在各个领域得到了认可。虽然电池和电容器都是常见的能量存储设备，但超级电容器的能量密度高于电介质电容器，功率密度高于电池，使其位于这两种技术之间[5]。图1展示了各种存储系统的Ragone图。超级电容器还具有良好的循环性能、较低的维护要求、快速的充放电速率，以及取决于电解质的电压窗口（在水系统中约为1伏特，在有机/离子液体系统中可达约3伏特）[6]。这些特性共同提升了它们在能源存储领域的重要性。

在超级电容器领域，电荷存储主要受两种不同机制的支配：电双层电容（EDLC）和赝电容。EDLC的特点是在电极和电解质之间的界面处发生静电电荷吸附，而赝电容则通过电极和电解质之间的电子转移实现氧化还原反应，从而获得更高的比电容值[7]。导电聚合物由于其高电导率和理论电容值而成为一类重要的赝电容材料。导电聚合物独特的共轭结构促进了电子沿聚合物链的传输，从而提高了赝电容性能[8]。在各种导电聚合物中，聚吡咯（PPy）由于其独特的结构和电化学优势而成为广泛研究的超级电容器电极材料。图2显示了根据Web of Science数据的每年关于PPy基超级电容器的论文数量。然而，PPy也存在机械降解和长期循环稳定性受限的问题，这限制了其单独使用。

本文专注于不断发展的能量存储领域，深入探讨了PPy基纳米复合材料系统，并强调了它们作为超级电容器先进电极材料的作用。首先简要概述了超级电容器的基本原理，包括其分类和性能参数。随后讨论了导电聚合物的赝电容行为，为从分子结构、性质及其在能量存储系统中的重要性等方面对PPy进行全面评估奠定了基础。本文的核心是最近在PPy基混合系统方面的进展，重点关注与金属氧化物、碳基材料、MXenes、过渡金属氮化物和其他导电聚合物的集成，特别强调了过去十年发表的研究成果。此外，还探讨了复合结构、合成技术和形态配置（如薄膜和纤维基电极）的影响。鉴于PPy纳米复合材料研究的动态发展以及不断涌现的复杂电极架构，对这一领域进行及时的重新评估在科学上具有重要意义且非常必要。本文旨在通过总结和批判性分析最新进展，为未来的研究提供有价值的参考。

片段

超级电容器及其分类

超级电容器通常由一对电极和位于其中的电解质组成。一个称为隔膜的离子渗透层将电极分隔开。电解质是正负离子的来源。电极通过集流体板连接到外部电路。电极的材料决定了电荷存储机制，而电解质则决定了设备的可用电位窗口[10]。

根据不同的分类标准，超级电容器可以分为三类...

导电聚合物

导电聚合物是一类独特的有机聚合物，因其独特的电学、光学和电化学性质而在多个领域引起了广泛关注。导电聚合物的电导率来源于其共轭骨架，并通过电化学或化学方法进行掺杂得到显著提升[15]。这种掺杂将正负电荷载体引入聚合物骨架，同时保持整体的电荷平衡...

聚吡咯（PPy）是一种优良的超级电容器材料，因其导电性、比电容、柔韧性和宽电位窗口而受到青睐[58]。然而，其循环稳定性受到机械应力和反复电化学循环过程中发生的化学降解的影响。反复的离子插入和排出以及溶剂的移动会导致聚合物基体的显著膨胀和收缩[59][60]。原子力显微镜（AFM）研究表明，其体积变化可达30-40%

作为代表性的导电聚合物，聚吡咯为下一代超级电容器电极提供了一个高度可适应且化学可调的平台。本文的研究表明，基于PPy的复合材料具有多项内在优势，包括高赝电容、易于合成、结构可调性以及与多种功能材料（如碳纳米结构、过渡金属氧化物/氮化物/MXenes）的良好界面兼容性...

Sandra Alias：撰写——初稿撰写、可视化、方法论设计、数据整理、概念构思。Raneesh Balakrishnan：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法论设计、概念构思。Sa?a Lazovi?：撰写——审稿与编辑、验证、数据整理。Karthik Vinodan：撰写——审稿与编辑、数据整理。Soney C. George：撰写——审稿与编辑、验证。Nandakumar Kalarikkal：撰写——审稿与编辑、验证。

作者声明没有已知的潜在财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。