范壮军

中国石油大学(华东)，材料科学与工程学院，山东 青岛 266580

超级电容器是一种新型的绿色储能装置，具有功率密度高、循环寿命长、充放电速度快、可靠性高、绿色环保等特性，在移动通讯、航空航天、电动汽车和国防等领域有着巨大的应用潜力。近年来，随着超级电容器研究的不断深入、相关技术产业的快速发展，其应用领域正在不断的扩展、市场前景十分广阔1,2。电极材料是超级电容器的关键所在，它决定着该储能器件的主要性能指标，如能量密度、功率密度和循环稳定性等。在众多的电极材料中，多孔碳材料因其价廉易得、电化学稳定、导电性好、比表面积高等优势而成为研究热点并已实现了商业化3。然而，碳基超级电容器的能量密度仍较低，约为商业锂离子电池的1/20，难以满足储能器件实际应用的需求。因此，如何在保持碳基超级电容器高功率、长寿命的前提下有效提升其能量密度是当前亟待解决的难题4。

近年来，随着便携式电子产品、可穿戴设备、电动汽车和轨道交通等储能装置向着轻量化、小型化的快速发展，不仅要求超级电容器具有高质量能量密度，更要有高体积能量密度5。众所周知，多孔碳材料的能量存储机理是基于界面存储的双电层理论。近几十年来，科研人员通过调控碳材料的孔结构、比表面积和导电性能来提高其电化学性能。然而，碳材料在设计上存在电荷存储、离子传输与电子传导之间竞争性矛盾，即孔结构、比表面积与导电性、堆密度、机械强度之间存在“此消彼长”的矛盾关系(图1)，导致碳材料的诸多性能如电化学容量、倍率特性和循环寿命等无法兼顾。随着石墨烯的发现和研究热潮的兴起，由于其具有高的比表面积(来源于固体表面)、优良的导电性和力学性能，克服了传统碳材料存在的上述矛盾问题，被认为是理想的超级电容器电极材料。然而，石墨烯本身具有极强的堆叠趋势，在电极制备或电化学充放电过程中极易发生团聚，会显著地影响其能量存储和循环寿命。此外，石墨烯材料的堆密度很低(＜ 0.5 g·cm-3)，导致其体积容量过低而无法应用于紧凑型储能器件6,7。

图1 碳材料的离子传输、电荷存储与电子传导之间关系图(材料的设计应综合考虑孔结构、比表面积、导电性、堆密度和机械强度间的平衡)。

碳材料的密度和质量比电容是决定其体积电容性能的两大因素，其中碳材料的密度又与其孔尺寸分布、孔体积密切相关。减少大尺寸孔、构筑丰富微孔、杂原子掺杂或赝电容材料复合均能有效提升碳材料的体积电容性能，但要进一步突破，仍面临许多挑战：例如高致密碳材料的制备和孔结构调控、高致密碳孔道内离子迁移扩散速率慢的问题、高比表面积和高堆积密度难以共存的问题、孔道与电解液的界面问题等。

为进一步提高碳材料的储能容量，大量研究工作致力于构建兼具双电层电容和赝电容特性的碳电极材料，例如在碳材料表面引入杂原子(N、O、P、B、S等)、赝电容材料(过渡金属氧化物/氢氧化物、导电聚合物等)来提升碳材料的电荷储存能力。将赝电容材料与碳材料复合可显著增加电极中的赝电容贡献，对提升超级电容器能量密度的作用十分明显。然而，由于赝电容材料的导电性差且只有近表层参与发生氧化还原反应，导致其电容器的高功率特性仍很差8。此外，该复合体系中相界面接触面积小、结合力较弱的问题还会导致赝电容材料在循环充放电过程中发生团聚或脱落，从而大幅度降低超级电容器的能量密度和循环稳定性。因此，提升赝电容电极材料的功率特性和循环稳定性仍面临很大的挑战。

为弥补双电层电容器和赝电容电容器的各自不足，混合型超级电容器(非对称超级电容器)是本领域又一个新兴的研究热点，有望成为未来混合动力系统中的一种解决方案9。以赝电容或电池材料为正极、碳材料为负极构建的混合型超级电容器，其能量密度显著优于双电层电容器、其功率密度和循环稳定性明显优于赝电容器，但其高功率特性和循环寿命与双电层电容器存在较大差距，还有很大的提升空间。设计和构建混合型电容器的关键在于选择相互匹配的正/负电极材料、优化电解液种类和参数。

碳基超级电容器虽然已经初步实现了商业化，但从当前和未来的实际应用需求看，依然存在很多问题，例如：(1)高能量、高功率、长寿命是未来超级电容器的发展方向，而高体积电容特性需要给予更多的重视；(2)碳材料依然是最具研究价值和市场前景的电极材料，未来需要从碳原料选择、制备/活化技术、孔结构调控、成本等方面进一步攻关，从而开发出具有更高质量/体积比电容、优异倍率性和稳定性的碳电极材料；(3)杂原子掺杂、表面功能化、赝电容材料复合、混合型超级电容器构建等是提升碳电极材料能量密度的有效途径，但必须解决随之而来的倍率性和循环稳定性不佳的问题；(4)开发高性能的碳基超级电容器，还需要研发与之相匹配的高电压电解液、集流体和组装技术。

超级电容器未来不仅可单独用在需要高功率输出的通信、轨道交通、启停控制等领域，还可与电池形成互补以同时实现高能量密度和高功率密度的电动汽车、交通运输和可再生能源领域，必将为众多行业的应用提供更为高效的解决方案。

本特刊专辑邀请了国内部分从事超级电容器研究的学者团队，介绍他们近年来在碳基超级电容器方面的研究进展和总结。专辑主要分为三部分：

1 新型碳材料研究

范壮军研究小组10从量子点的储能活性位点有效利用，量子点-赝电容复合材料设计和量子点衍生炭结构设计的角度出发，总结了近年该领域的研究进展，最后对炭-/石墨烯量子点电极材料的发展进行了展望。

张苏研究小组11总结了近年来植物基超大比表面积多孔炭、中孔炭、层次化多孔炭的制备方法和电容储能性能，对植物基多孔炭电极材料存在的问题进行了分析与总结，并展望了其研究前景。

何孝军研究小组12采用氧化镁模板耦合原位氢氧化钾活化法制备了超级电容器用煤焦油基相互连接的类石墨烯纳米片(IGNSs)，为从芳烃分子大规模生产高性能储能用类石墨烯纳米片提供了思路。

陈尧研究小组13综述了新碳源衍生碳材料和器件的最新进展，为超级电容器技术的持续发展助力。

2 赝电容材料及其碳复合体系

王策研究小组14综述了静电纺纳米纤维基无粘合剂电极材料在超级电容器领域的研究进展，阐述了碳材料、碳/金属氧化物、碳/金属硫化物、碳/导电聚合物等不同材料的设计制备过程和提升电化学性能的方法。

刘宗怀研究小组15综述了氧化石墨类碳基二维纳米片层、层状过渡金属碳化物和/或氮化物(MXenes)等二维层状材料的剥离、纳米片层孔洞化策略及组装孔洞化材料在超级电容器电极材料中的应用。

张育新研究小组16系统介绍了以石墨烯为代表的各类二维材料与二氧化锰复合物在超级电容器中的应用研究，并聚焦于这些二维材料与二氧化锰复合后所展现的优异电化学性能。

雷志斌研究小组17以碳海绵(CS)为可压缩基底，通过恒电流沉积及低温热处理技术，在CS骨架上均匀沉积了α-Fe2O3纳米片，研究α-Fe2O3纳米片对CS电容性能的增强机制。

3 混合超级电容器

刘金平研究小组18总结了混合电容器的储能机理和阵列结构作为电极材料的优势，介绍了他们近年来在混合电容器领域的研究工作，针对存在的科学问题提出了相应的解决方案，并阐明了阵列电极混合电容器的应用前景。

阎兴斌研究小组19通过直接利用锌片做阳极和集流体，采用高比表面积三维多孔活性炭(3DAC)做阴极构筑了一种锌离子混合电容器(ZIHC)。

希望《物理化学学报》的广大读者能够喜欢这些文章，阅读愉快，并从中得到启迪。