开发高效、可再生且低成本的电化学储能系统是向碳中和全球经济转型过程中的关键挑战。尽管传统的无机电池技术已经成熟，但它们依赖于稀缺且昂贵的材料，这引发了日益严重的环境问题[1]、[2]。近年来，人们越来越关注探索有机材料（如染料及其衍生物）作为电化学储能设备的潜在组件[3]、[4]。有机染料因其结构多样性、可调性质和环境友好性而受到关注[5]、[6]。这些化合物传统上用于纺织品、印刷和涂料领域，包含多种化学结构，如偶氮染料、蒽醌、硝基化合物和酞菁[7]、[8]。各类有机分子具有不同的性质，从偶氮染料的鲜艳色彩到酞菁的热稳定性和光稳定性[9]、[10]。有机染料的多样性为先进电化学设备的分子工程提供了便利。
水基电化学储能（AEES）技术作为一种可持续且安全的替代方案，受到了广泛关注[11]、[12]。AEES系统包括金属离子电池、电化学电容器和流动电池，它们使用水基电解质，从而提高了安全性和环保性[13]、[14]。然而，高性能AEES系统的实现受到水基电解质电解的限制，这限制了能量密度并导致pH值波动[17]、[18]。因此，开发在水溶液中具有优异电化学性能的活性材料对于AEES技术至关重要[19]、[20]。为了解决这些问题并满足需求，需要在分子尺度上进行材料工程创新。
有机染料及其衍生物在AEES系统中的应用显示出巨大潜力[21]、[22]。这些染料根据其在水中的溶解度进行分类，这是其功能性的关键因素[23]。高溶解度的染料（如酸性染料、直接染料和反应性染料）含有离子或极性基团（-SO₃⁻、-COO⁻），易于溶解，适用于纺织品和油墨[24]、[25]；而不溶于水的染料（如 vat 染料、分散染料）缺乏这些基团，需要使用分散剂或溶剂才能应用于塑料和涂料[26]、[27]。对于电化学应用而言，分子结构是关键[25]、[28]。水溶性染料由于体积小和含有极性基团，在电化学和光电化学过程中表现出电子转移行为[10]、[29]、[30]。这一独特性质使它们成为优化水基电解质的理想候选者[31]、[32]。作为电解质添加剂，有机染料可以通过抑制水电解来提高电极稳定性并拓宽AEES电池的电压窗口[33]、[34]。染料的氧化还原行为使其能够参与电子转移过程，从而提高系统的整体能量密度和循环稳定性[35]、[36]。此外，有机染料的分子可调性为根据AEES应用需求设计特定功能提供了可能性[37]、[38]。然而，可溶性染料可能与金属离子形成络合物，导致沉淀[39]。这些材料可以与粘合剂和导电剂结合，改善电极的电子和结构性能[40]、[41]。此外，已经探索了不含粘合剂的电极中染料-金属配合物的导电行为[42]、[43]。当这些材料掺入电极时，可以促进AEES系统内的电荷动态传输[44]、[45]。值得注意的是，可以通过定制氧化还原分子来提高离子导电性，从而加快固液界面上的离子传输速度[46]、[47]。使用有机染料及其衍生物为设计环保且经济高效的AEES解决方案提供了令人兴奋的机会。利用丰富且可再生资源合成有机材料有助于推动AEES技术的可持续发展。
本文旨在全面概述有机染料在AEES应用中的最新进展和新兴趋势（图1）。我们讨论了各种类型的合成和天然染料，包括阴离子染料、阳离子染料和非离子染料，及其在超级电容器、混合超级电容器、金属离子电池和流动电池中的应用（图1）。我们探讨了这些材料的基本方面，包括官能团、结构特性以及控制其溶剂化行为和电化学性能的原理。文章还介绍了阐明染料在电极和电解质中作用机制的最新进展，研究了电解质配方和电极活性材料的具体作用。当有机染料被引入水基电解质时，可以增强电荷传输并提供功能性。开发具有优异电化学性能的染料基电极是实现可调性和环保设备的重要途径。此外，我们还讨论了这一发展领域的前景和未来方向，重点关注设计和优化氧化还原活性分子的关键挑战和机遇。通过本文，我们希望推动创新，促进可持续和高性能AEES系统的发展。
