阿努·普拉塔普·米拉姆帕尔比尔·乌达扬 | 巴尔温德·考尔 | 阿南达库马尔·桑达拉穆尔蒂 | 基尔坦乔特·考尔 | 巴尔吉特·辛格
印度旁遮普邦莫哈利昌迪加尔大学研究中心，邮编140413
**摘要**
电化学储能设备可分为两类：超级电容器和可充电电池。这些设备旨在储存和释放能量，广泛应用于便携式电子产品和电动汽车中。为了保持竞争力，材料必须具备高能量密度（Ed）和高功率密度（Pd），以实现更长的续航里程、更快的充电速度和更慢的放电速度。另一个关键因素是减轻整体重量/体积以及材料的高机械强度。近年来，具有高机械强度、柔韧性和电学性能的多孔碳基材料和多功能材料受到了广泛关注。本文综述了高表面积多孔材料（包括多孔碳、金属有机框架和纳米多孔材料）在储能设备中的最新进展，强调了它们提高效率和整体性能的潜力，从而支持工业应用和商业化。
**1. 引言**
电池和超级电容器（SCs）具有相同的组成部分，包括正负电极、隔膜和电解质[1]。工作电极通常由纳米材料（碳基纳米材料）制成。作为第一类储能设备，电池通过阳极和阴极材料发生的反应来储存和释放能量[2]。由于材料中的电子传输和扩散受限，这一过程相对较慢，这也是电池具有较高能量密度的原因。电池的例子包括铅酸电池、锂离子电池和镍镉电池。第二类是超级电容器（SCs），其库仑效率为100%（衡量电荷传输和储存的能力）。超级电容器有两种类型：电双层（EDL）和伪电容器（PCs）。EDL电容器依靠静电电荷储存（物理过程）进行能量储存，具有高比表面积（SSA），主要由多孔碳材料构成。碳因其良好的导电性、低密度和可调节的结构而成为常用材料。石墨、活性炭、炭黑、碳纳米管（CNTs）和石墨烯是最常用的碳材料[3]。然而，使用昂贵的金属集流体与碳结合是一个缺点。另一种有前景的选择是碳纤维（CFs），它们具有出色的机械强度和柔韧性，可通过纺织和造纸工艺制成一维、二维和三维编织结构[4]。CFs还可以分为聚合物、石墨烯纤维等类型。伪电容器则依靠氧化还原反应（化学过程）进行能量储存，使用金属氧化物/氢氧化物/硫化物/氮化物和导电聚合物等材料[5][6]。另一种增加电容的方法是结合EDL和伪电容行为[7][8][9]。另一个重要概念是超级电容器可以是对称的或不对称的，即其阳极和阴极可以相同或不同。与对称电容器相比，不对称电容器通常提供更高的工作电压和能量密度。
为了实现高效的电催化（电池和超级电容器中的氧化还原反应），具有高表面积与体积比和机械强度的层次结构至关重要[10][11][12]。这些结构提供了更多的活性位点，增强了电极-电解质界面和离子通道之间的相互作用，同时加速了扩散[13]。催化剂的性能受形状、结晶度和元素组成等因素的影响[14]。形态的变化会改变可利用的活性位点数量，从而影响不同的电荷储存机制。较大的表面积有助于提高能量密度（Ed）和功率密度（Pd）。研究表明，与薄膜电极相比，多孔纳米结构具有更好的Ed和Pd[15]。在粉末样品中，扩散主导电荷储存机制；而在基于薄膜的电极中，电双层电容过程占主导地位。本文旨在激发人们对用于储能应用的多孔材料最新发展和创新的兴趣。通过探讨这些材料的独特性质和特性，本文强调了它们显著提升储能系统性能和效率的潜力。文章将深入讨论各种类型的多孔材料，如多孔碳、金属有机框架（MOFs）和纳米多孔材料，并讨论它们在增强储能容量、提高充放电速率和整体能量效率方面的优势。本文希望通过全面分析这些材料在电池和超级电容器等储能设备技术发展中的作用，促进该领域的进一步研究和开发。
**2. 多孔材料**
块状材料与高表面积材料的区别在于，增加的表面积通过改善电荷储存机制增强了其电催化性能。不同的制备技术可以在高表面积材料中生成孔隙结构。根据孔径大小，多孔材料可分为三种类型：（i）微孔（孔径<2 nm）、（ii）介孔（孔径2–50 nm）和（iii）大孔（孔径>50 nm）[16][17][18][19]。微孔可作为功能位点，介孔有助于物质传输，从而访问功能位点。大孔则使各种分子能够快速扩散。具有高度互联孔隙系统和孔隙性的表面积有利于层次结构中的电催化过程。理解多孔材料对于设计能够提升储能设备性能的新材料至关重要（图1）。以下部分将详细讨论通过调控这些材料的性质（如孔径大小和分布）来开发更高效、更高容量的储能系统的方法，从而提高这些设备的性能和寿命。
**图1. 用于储能的多孔材料。**
具有较大表面积和孔结构对于储能的重要性是深远且多样的。电极材料中的大比表面积直接增加了可用于电化学反应的界面面积，进而增加了可储存的能量。较大的表面积使电解质中的离子或电荷更容易附着在表面上或与其相互作用。这在电池和超级电容器等设备中非常重要。孔结构（如孔径分布和孔体积）也很重要，因为它控制了电解质离子进入和通过电极材料的难易程度[20]。适合任务的孔结构可以加速离子扩散和电荷传输，直接影响功率密度和充放电动力学。例如，微孔虽然表面积大，但由于通道狭窄可能会减慢离子扩散[21]。而介孔和大孔则使离子更容易移动，电解质也能更容易到达所需位置，从而在高电流密度下表现出更好的性能[22]。具有微孔、介孔和大孔的层次结构材料显示出更好的电化学性能。碳具有较大的表面积，并发展出了石墨烯结构，使其非常适合超级电容器应用，因为它们具有高比电容、能量密度和功率密度。这是因为它们可以轻松容纳和传输电解质离子。此外，具有适当孔径和较大表面积的生物衍生活性炭也具有高电容和循环稳定性，这表明孔结构在储能材料中的重要性[23]。三维石墨烯泡沫的孔径小于1 µm，也具有高体积电容和比电容。这是因为它们结合了石墨烯的优异导电性能和稳定的表面积及孔结构，使其成为小型高效超级电容器的理想电极。
**2.1. 材料中的孔生成**
在超级电容器应用中，在电极材料中生成孔隙非常重要，因为这可以通过提供较大的比表面积和良好的离子传输路径来改善其电化学性能。有许多方法可以使碳基和其他电极材料变得多孔：
（i）活化方法：使用KOH和KMnO4等化学物质进行化学活化是常见的方法，尤其是对于生物质制成的碳材料。碳化通常是活化的第一步，之后使用活化剂蚀刻碳结构，形成微孔和介孔。例如，氢氧化钾（KOH）活化通过与碳前驱体反应增加孔体积和表面积[24]。与多种活化剂共活化可以进一步改变表面官能团和孔结构，从而提高电容[25]；
（ii）模板方法：包括硬模板、软模板和自模板方法，其中牺牲模板材料定义孔结构。硬模板如二氧化硅纳米颗粒或金属氧化物嵌入碳前驱体中，然后通过蚀刻去除，形成多孔结构。软模板使用表面活性剂或嵌段共聚物，在其周围形成碳框架。自模板方法是在前驱体内原位形成孔形成剂。模板方法可以精确控制层次孔径（微孔、介孔和大孔），有利于快速离子扩散和储存[26]；
（iii）混合和先进制造：通过结合立体光刻、热解和化学活化等技术，可以制造出孔径从纳米到毫米级的三维层次多孔碳。这种多尺度孔隙结构优化了离子传输和电极表面积，显著提高了超级电容器的性能[27]；
（iv）孔隙预处理和孔结构控制：对于碳化物衍生的碳（CDC），在使用前对其进行加热可以改变孔结构和结晶度，使其更加多孔并提高电化学电容。这种方法可以控制孔径大小和石墨化过程，以实现最佳的电荷储存和离子传输[28]；
（v）来自多孔生物质的碳材料：将玉米芯或巴西莓籽等生物质前驱体碳化后进行活化，可以得到具有大量表面积和稳定孔结构的多孔碳材料。生物质作为天然模板，可控的活化过程可以创建适合电解质离子进入的孔径。
**3. 储能解决方案：电池 vs 超级电容器**
选择电池还是超级电容器取决于具体应用和需求，因为两者各有优缺点。电池提供更高的能量密度和更长的放电时间，适用于长期供电需求。相比之下，超级电容器具有快速充放电、更长的使用寿命以及在极端温度下的更好性能，但储存的能量较少且放电较快（表1）。电池适用于需要持续供电的应用，如智能手机、笔记本电脑和电动汽车。而超级电容器在需要快速能量爆发或频繁充放电循环的情况下表现出色，适用于功率调节、负载均衡和混合能源系统。在某些系统中，电池和超级电容器可以结合使用，超级电容器处理短期功率需求，电池提供长期能量储存。电池和超级电容器是两种关键的电化学储能设备，但它们的电荷储存机制不同，导致能量密度、功率密度和循环寿命存在差异（图2）。本文的其余部分将探讨储能设备所需的高级多孔材料，首先讨论电池，然后是超级电容器。
**表1. 储能设备的性能。**
| 参数 | 锂离子电池 | 超级电容器 |
|--------------|---------|-----------------|
| 功率密度（W·kg⁻¹） | 500–1000 | <10,000 |
| 能量密度（Wh·kg⁻¹） | 70–100 | 1–10 |
| 工作温度 | ∼-40–65 °C | |
| 工作电压 | 2.5 V 和 4.2 V/单元 | 几伏 |
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**图2. 超级电容器和电池中的电荷储存机制。**
**3.1. 电池**
目前有多种类型的电池，其中锂离子电池（LIBs）因其众多优势而脱颖而出。锂离子电池具有更高的能量密度，效率更高，同时更轻，能够产生约4 V的较高电压。它们更安全，抗过充能力更强，并支持快速充放电。此外，与铅酸电池和镉基电池相比，锂离子电池更加环保。因此，本文将主要关注锂离子电池及其工作原理。
锂离子电池由阳极（负电极）、阴极（正电极）、隔膜和电解质组成[30]。锂离子电池的工作原理是在充电和放电过程中锂离子在电解质中在阳极和阴极之间移动，这一过程称为嵌入和脱嵌。放电时，锂离子从阳极流向阴极，产生电流。在充电过程中，离子的运动方向是相反的，锂离子会移回到阳极，储存能量以供后续使用。这种可逆的离子运动使得电池能够高效地储存和释放能量。不同的电荷转移速率会影响电池的能量密度。虽然传统的锂离子电池被广泛使用且效率较高，但它们存在一些局限性，比如能量密度较低以及由于锂和钴等昂贵材料导致的生产成本较高[30]。为了解决这些问题，人们正在探索锂氧（Li-O2）、锂硫（Li-Sulfur）、钠离子（Sodium-ion）和钾离子（Potassium-ion）电池等替代方案（表2）。这些替代方案旨在提高能量密度、降低成本并增强可持续性。锂氧电池具有较高的能量密度；锂硫电池利用丰富的硫资源来降低成本；而钠离子和钾离子电池则使用更常见且成本更低的材料，使其在大规模储能和应用中更加环保和经济。本文还探讨了用于提升这些替代电池性能的多孔材料类型。
表2. 锂离子电池、锂氧电池和锂硫电池的优缺点。
**锂离子（Li-ion）电池**
**锂氧（Li-O2）电池**
**锂硫（Li-S）电池**
**优点**
**缺点**
**优点**
**缺点**
**优点**
**缺点**
**广泛使用且技术成熟，在重量、体积和寿命方面具有显著优势**
**使用昂贵材料且锂资源有限**
**具有超高的能量密度潜力，其比能量密度是商用锂离子电池的三倍**
**氧气还原和释放反应缓慢，导致过电位高和循环稳定性差**
**理论能量密度比锂离子电池高约五倍，具有成为下一代储能技术的潜力**
**存在循环稳定性低、硫利用率有限以及溶解的多硫化物引起的容量不可逆衰减等问题**
**具有较高的能量密度和良好的循环稳定性，可选用多种正极材料如LiFePO4、三元锂电池和LiMnO2**
**容量受锂离子单价性质的限制**
**使用环境空气或氧气作为反应物可以减轻电池重量并增加容量**
**正极材料降解和电解质分解仍是主要问题**
**硫作为正极材料丰富、成本低且对环境友好**
**锂金属阳极的行为存在安全隐患，如枝晶生长**
**适用于需要便携性的应用，如便携式电子设备和电动汽车**
**由于易燃性存在安全问题**
**创新如光辅助锂氧电池旨在通过光催化剂改善反应动力学和能量效率**
**锂阳极与氧气和湿气的高反应性限制了循环寿命**
**使用碳基材料和多功能涂层可以提高导电性并缓解一些固有问题**
**硫正极的体积膨胀、硫的导电性差以及循环过程中的复杂多相转化反应**
**3.2. 锂离子电池中的多孔阳极和正极材料趋势**
锂离子电池中碳阳极的理论容量限制在372 mAh·g⁻¹，这限制了其储能潜力。此外，循环过程中锂在石墨阳极上的枝晶生长可能导致短路，带来安全隐患并缩短阳极寿命。这些挑战阻碍了碳基阳极在先进储能系统中的应用[31]。然而，多孔材料为这些问题提供了解决方案。使用多孔材料的原因是它们能够促进高电子传输、通过大表面积增加与电解质的接触，并在锂化过程中适应体积变化。研究表明，碳球、纳米笼和纳米石墨烯壳等材料由于其大表面积和高石墨化程度，可以储存超过430 mAh·g⁻¹的电荷[32][33][34]。多壁碳纳米管（MWCNTs）和碳纳米纤维（CNFs）也是常用的阳极材料，其比容量可达400 mAh·g⁻¹。研究人员发现，用杂原子掺杂碳骨架可以改善其电子和化学性质。例如，将MoO₂颗粒掺入碳球中后，比容量达到了812 mAh·g⁻¹。氮掺杂提高了电导率[35]。MoO2/C-700在0.2 A·g⁻¹的电流下循环时的放电容量可达812 mAh·g⁻¹；经过400次循环后，MoO2/C-600的容量分别为596 mAh·g⁻¹（0.5 A·g⁻¹）和520 mAh·g⁻¹（1.0 A·g⁻¹）[35]。吡啶基-N和吡咯基-N基团对Li+离子具有更高的吸附能力。Zn2+在ZIF-8中的碳化作用使得N掺杂的多孔碳纳米纤维被用于锂离子电池，表现出典型的IV型等温线特性[36]。这些材料的初始充放电容量分别为1370 mAh·g⁻¹和780 mAh·g⁻¹，库仑效率（CE）为57%。然而，杂原子的掺入会导致碳孔堵塞，限制了其应用。研究人员通过掺杂、涂层和复合材料制备等方法探索了许多先进纳米材料作为阳极材料的应用。基于CNF的阳极材料在解决脱落、体积膨胀和结构塌陷等问题方面表现出色，例如，通过碳化制备的Zn-MOF基多孔CNF的初始放电容量为570 mAh·g⁻¹，远高于原始CNF（90 mAh·g⁻¹），并在100 A·g⁻¹的电流下经过120次循环后仍保持约560 mAh·g⁻¹的可逆容量[37]。这种优异的性能归因于其多孔结构和增强的离子/电子迁移能力。
**3.3. 锂氧（Li-O2）电池**
锂氧电池因其高能量存储密度而受到关注。然而，充电和放电过程中的氧还原反应（ORR）和氧释放反应（OER）会导致过电位，从而限制了能量效率。此外，过氧化锂（Li₂O₂）的形成可能导致堵塞，进而降低循环容量。多孔碳基材料被用作锂氧电池的正极材料以提高性能。石墨烯因其二维结构和孔道而表现出优异的电化学性能。具有微观和纳米尺度互连孔道的分层多孔石墨烯材料实现了高达15000 mAh·g⁻¹的比容量。介孔碳（CMK-3）也显示出良好的电化学性能和循环稳定性，尽管放电产物会堵塞介孔通道，影响电解质传输、气体扩散和催化剂活性[38]。研究人员还报道了一种使用垂直排列的ZnO纳米棒阵列和F127作为软模板的硬模板方法来制备分层多孔碳膜[38]。这种软模板形成了介孔结构，从而提升了电池性能。MWCNTs因其高表面积和导电性也被用作正极材料。此外，氮和钴共掺杂的催化剂在碳布上使用也能改善电池性能并降低充电过电位。
近年来，基于多孔有机聚合物（POPs）的电极材料在电池化学领域受到关注，因为它们具有开放的孔结构和大的比表面积以及π共轭结构。然而，报道的充放电容量低于100 mAh·g⁻¹，限制了其实际应用。最近的一项研究基于含有π共轭结构且含有电子缺陷基团（HATN）和二羰基基团（AQ）的多孔有机聚合物poly（tribenzoyl-hexaazatrinaphthalene-2,6-anthraquinone）pHATN-AQ，显示出改善的导电性[39]。这种催化剂作为正极材料时，初始容量达到294.82 mAh·g⁻¹，是迄今为止报道的锂离子电池中最高的初始容量之一。据报道，该催化剂具有三个含有六个氮原子的螯合位点（图4）。
**3.4. 锂硫（Li–S）电池**
锂硫电池的理论比容量为1680 mAh·g⁻¹，能量密度为2600 Wh·kg⁻¹，远高于商用电池[40]。然而，锂硫电池面临导电性低和多硫化物穿梭效应的挑战，这可能导致活性材料耗尽和电池性能下降。为了解决这些问题，锂硫电池使用高表面积的介孔碳作为隔膜，促进硫的高负载和电解质的高效传输，同时微孔有助于防止多硫化物的穿梭。一维多孔碳（具有微介孔<10 nm和介观孔>10 nm结构）也被用于锂硫电池，其表面附着硫原子以限制多硫化物的穿梭。一种三维多孔碳材料具有1020 m²·g⁻¹的大表面积，在第一次循环中显示出1654 mAh·g⁻¹的比容量。微孔、介孔和宏观孔的结合改善了电荷传输并限制了多硫化物的迁移[41]。一种基于ZIF-8@ZnO@碳纳米复合材料的锂硫电池也被开发出来[42]。锂硫电池的缺点是锂多硫化物（LiPSs）的转化动力学问题。这些材料能够吸附和催化LiPSs的吸附，减少了穿梭效应，从而提高了电子传输效率。该材料在0.1 C和0.2 C下的放电比容量分别为1360.3 mAh·g⁻¹和1191.2 mAh·g⁻¹（图5）。从CV曲线可以看出，ZIF-8@ZnO@碳复合材料的电流高于Carbon@ZIF-8。
**3.5. 其他电池技术**
研究人员正在探索钠离子（Na-ion）和钾离子（K-ion）电池，因为它们资源丰富且成本低。钠离子电池的一个局限性是钠的半径较大，需要更多的存储空间，从而限制了钠的提取。多孔碳是解决这一问题的一个有前景的方案[43]。研究表明，Sn4P3@CNF在200次循环后表现出712 mAh·g⁻¹的可逆容量，在500次循环后仍保持336 mAh·g⁻¹的容量。研究人员指出，三维互连的导电网络改善了电子流动，使电解质更容易到达碳纳米纤维，钠离子也更容易移动。钾离子电池（KIB）是电池家族中的新成员，但由于钾离子（K+）的半径大于钠离子（Na+）和锂离子（Li+），因此存在一些挑战[4]。然而，研究表明使用石墨电极可以使KIB正极更加理想。
**4. 用于超级电容器应用的多孔电极**
活化、碳化和模板化是制备多孔碳的三种合成方法。这些材料可以分为三类：一维（1-D）多孔碳（如碳纳米管）、二维（2-D）多孔碳（如石墨烯片）和三维（3-D）多孔碳（如石墨烯气凝胶）。
**4.1. 活性碳**
活性碳（ACs），也称为3D碳材料，通过氧气处理制备，从而增强其多孔结构[44]。这种多孔性质有助于电解质中的离子更好地吸附到电极上。活化过程可以通过两种方法实现：a) 使用氧化剂如空气、CO2和O2；b) 用碱性金属氢氧化物或酸进行化学活化。活性碳的表面积通常可达4000 m²·g⁻¹。当使用表面积为2652 m²·g⁻¹的活性碳单体与H2SO4电解质结合时，其比容量可达到334 F·g⁻¹[45]。文献表明，增加氮掺杂比例可以提高活性碳的比表面积；例如，氮掺杂的活性碳表面积为2450.6 m²·g⁻¹，而未掺杂的活性碳表面积为1934.8 m²·g⁻¹。使用氮气和硫气活化的姜炭纳米片（DAGC）表现出微介孔结构。纳米片在0–1.8伏的电压范围内工作（图6）。[46] 据报道，氮掺杂的多孔活性炭具有2321平方米每克的表面积，比电容为250法拉每克；而嵌入石墨烯量子点的活性炭具有2829平方米每克的表面积，比电容达到388法拉每克[47][48]。尽管这些材料具有很好的性能，但由于其有限的电压范围和充放电速率能力，以及调节孔径和结构的挑战，它们的广泛应用受到了限制。下载：下载高分辨率图像（380KB）下载：下载全尺寸图像图6。(a) 描述了从生姜中制备的N和S共掺杂多孔碳片的合成过程，(b) DAGC的FESEM图像，以及(c) DAGC在1摩尔硫酸钠电解质中的电化学性能。该图经参考文献[46]许可复制。4.2. 碳纳米管碳纳米管（CNTs）分为单壁（SWCNTs）和多壁（MWCNTs），是具有单层或多层同心结构的圆柱形碳材料。CNTs的比表面积通常较低，约为500平方米每克，这降低了能量密度[49]。研究表明，与SWCNTs相比，MWCNTs通常具有较低的比表面积和比电容。然而，引入杂原子可以显著提高比表面积[50]。研究证明，涂有聚苯胺的CNTs表现出更高的充放电速率和310法拉每克的比电容。最近的报告还发现，加入金属氧化物可以改善电化学性能[51]。例如，涂有RuO2的MWCNTs在5000次循环伏安法（CV）后仍保持383法拉每克的比电容[52]。这种高性能归因于RuO2在MWCNT多孔结构中的分布，使其功率密度达到60千瓦每千克，能量密度达到36.6瓦时每千克。一种PANI/CNT混合超级电容器的核壳纳米结构被报道具有1005法拉每克的比电容；当使用0.02摩尔Fe3+/Fe2+作为电解质时，该值增加到1128法拉每克[53]。尽管关于CNTs应用的文献很多，但其有限的表面积和高制造成本限制了其实际应用。复合结构超级电容器兼具承载负荷和储能功能，最近得到了应用。如今的电动汽车需要轻量化且具有高能量和功率密度的储能装置。最近的一项研究报道了使用碳纳米管改性的碳纤维复合超级电容器（也称为CNT-CSS）作为柔性超级电容器。CNT-CSS表现出333毫法拉每克的比电容，能量密度为416毫瓦时每千克，功率密度为2850毫瓦每千克。该材料具有512兆帕的弯曲强度和15.5吉帕的弯曲模量，并且据报道能够在动态弯曲和冲击条件下保持稳定[54]。4.3. 石墨烯石墨烯是一种具有sp2杂化的二维碳同素异形体，呈六边形。由于其高导电性和大表面积，它作为超级电容器的电极材料受到了关注[55]。石墨烯的不同形式包括氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯（rGO）和石墨烯纳米片[56]。理论计算表明，石墨烯的表面积为2675平方米每克，如果完全利用的话，其比电容可以达到550法拉每克。最近关于基于石墨烯的超级电容器的研究报告了10千瓦每千克的功率密度[57]。Garg等人报道了一种通过热解方法从纸板制备的石墨烯片，其比电容为167.5法拉每克[54]。然而，由于石墨烯层之间的强π-π相互作用导致聚集，石墨烯的电容非常低，这限制了离子的渗透。有一些方法可以获得不相互粘附的单层石墨烯。这些方法包括用导电聚合物和其他纳米材料填充间隙，从而阻止石墨烯层通过范德华力粘在一起。关于向石墨烯中插入氧的研究表明，在0.5安培每克的电流下，电容可提高到300.5法拉每克。研究表明，在超级电容器中添加氧可以大大增加其电容。石墨烯表面的氧官能团通过向双电层电容中添加伪电容来增强储能能力。例如，通过热处理和化学处理制备的不同含氧量的石墨烯片显示，氧官能团显著提高了比电容。从800°C下的还原石墨烯的34法拉每克增加到硝酸氧化后的137法拉每克，这表明氧官能团非常有用[58]。此外，含有孔隙的富氧石墨烯干凝胶表现出更好的伪电容行为，因为它们在平面孔隙周围有更多的含氧官能团。更高的电容是由于更好的润湿性、更好的电解质离子吸附以及由石墨烯表面的羟基、羧基、环氧基和羰基等氧官能团实现的法拉第氧化还原反应[59]。这些氧官能团增加了更多的氧化还原中心，使材料更具亲水性，这对超级电容器的性能至关重要。此外，在Na2SO4电解质中向MnO2中的石墨烯@氧化石墨烯纳米片中添加银（Ag）金属，可以提高性能。科学家们找到了一种分离石墨烯@氧化石墨烯纳米片的方法，使其电容提高了483法拉每克[60]。其中一项研究探索了界面聚合以制备可用于不对称超级电容器的聚苯胺-石墨烯复合材料。这种复合材料的比功率为4.14毫瓦每平方厘米，能量密度为4.14毫瓦时每平方厘米。制造了两个柔性设备，在充电10秒后显示出3.5伏的电压（图7）[61]。这种方法具有高能量存储效率。下载：下载高分辨率图像（450KB）下载：下载全尺寸图像图7。(A) EG-PANI的HRTEM图像，(B) 超级电容器的示意图，(C) 几何形状和尺寸，(D) 充满电的SAsc的输出电压，以及(E, F) 串联连接的设备。该图经参考文献[61]许可复制。4.4. 碳洋葱这些sp2杂化的石墨碳，也称为洋葱状碳（OLCs），呈球形，尺寸范围从4到25纳米。它们的BET表面积通常在400–600平方米每克之间[62]。一项研究报道，在0.5安培每克的电流下，表面积为418平方米每克的OLC的比电容为251.2法拉每克[63]。OLCs的唯一缺点是它们的比电容较低，这限制了它们发挥全部潜力。为了解决这个问题，研究人员通过添加氧化还原活性和伪电容材料来开发复合材料。例如，基于碳纳米洋葱/聚吡咯的复合材料在LiClO4电解质中测试时达到了1320法拉每克的电容[64]。4.5. 中孔碳使用中孔二氧化硅模板（如MCM-48、SBA-1和SBA-15）开发了多种中孔碳材料[65]。这些中孔碳材料具有高表面积和优异的物理特性。例如，中孔碳的估计表面积为426平方米每克，孔体积为0.44立方厘米。Tamai等人报告称，中孔碳电极在保持5×105瓦每千克的高功率密度的同时，实现了30瓦时每千克的高能量密度[66]。此外，通过水热法从D-木糖合成了氮掺杂的中孔碳微球，其比电容为288法拉每克。通过在氧化铝模板中沉积CH4并通过化学气相沉积获得的中孔碳片显示出4.4伏的电池电压[67]。通过热解法在镍泡沫上制备了不对称超级电容器，用于制备中孔MnOx@C[68]。在3毫安每平方厘米的电流密度下，获得了1518毫法拉每平方厘米的比电容。使用了MnOx@C作为正极材料和活性炭作为负极材料，报告了12.2瓦每平方厘米的功率密度和169.4毫瓦时每平方厘米的面积能量密度，并表现出优异的充放电速率能力。获得了一种表面面积为241.46平方米每克的IV型等温线[68]。下载：下载高分辨率图像（153KB）下载：下载全尺寸图像图8. 说明了用于构建ASC设备的中孔催化剂MnOx@C的合成过程。经参考文献[68]许可转载。版权属于Elsevier。4.6. 模板碳对于超级电容器（SCs）的应用，可以合成具有不同孔径的材料。该过程通常涉及将碳前驱体渗透到模板中，然后进行热解[69]。一种通过使用碳酸锌和煤焦油沥青来增加表面积的方法，从1359.88平方米每克增加到2059.43平方米每克，然后通过氢氧化钾进行碳化和活化[70]。这种方法在1安培每克的电流下获得了313法拉每克的电容值。另一种模板方法制备了掺氮和氧的多孔纳米片，其在1安培每克的电流下获得了527法拉每克的电容值[71]。为了生产中孔材料，通常使用两种模板方法：硬模板方法和软模板方法。硬模板如MgO和CaCO3等被用于此目的[72]。例如，使用MgO纳米片作为模板制备了柱状多孔碳，其比电容为289法拉每克，比表面积为883平方米每克[73]。相比之下，软模板依赖于前驱体自组装成纳米结构的能力，从而决定了材料的孔隙率。使用离子液体作为软模板制备了N/O自掺杂的中空碳纳米棒，在472瓦每千克的电源下表现出116.5瓦时每千克的高能量密度[74]。下载：下载高分辨率图像（90KB）下载：下载全尺寸图像图9. 基于煤焦油辅助ZnO模板的多孔碳微球的超级电容器。经参考文献[70]许可转载。版权属于Elsevier。4.7. 金属有机框架（MOFs）MOFs是具有大表面积的多孔材料，常用于合成高表面积碳和类过渡金属复合材料[75]。从MOF衍生的多孔碳能够储存大量电荷，使其适合作为超级电容器电极材料。然而，MOF基材料的主要限制是它们的导电性较低[76]。在各种类型的MOFs中，基于钴的MOFs是最有前途的超级电容器应用候选材料。将碳纳米纤维掺入MOFs已被证明可以改善其电化学性能。研究人员使用不同的金属（包括Zn、Co、Fe、Ni和Mn）制备MOFs以增强其电化学性能。值得注意的是，基于Ni和Co的MOFs经常用于储能系统。从MOFs衍生的多孔碳比原始MOFs具有更好的扩散能力。高温热解功能化的MOFs可以产生具有优异催化性能的金属-氮-碳（M-N-C）结构。例如，使用碳作为负极和Co3O4作为正极制备的SCs，ZIF衍生的纳米多孔Co3O4的比表面积为148平方米每克，而原生的纳米多孔碳的比表面积为350平方米每克。这些超级电容器表现出1.6伏的输出电压和36瓦时每千克的比能量。此外，通过界面聚合方法合成的MOF/聚苯胺（ZIF-8/PANI）纳米复合材料在0.1毫安每平方厘米的电流下表现出610.8平方米每克的比表面积和28.1毫法拉每平方厘米的比电容（图10）。该复合材料在0到2.5伏的宽电压范围内表现出良好的电容性能[77]。下载：下载高分辨率图像（390KB）下载：下载全尺寸图像图10。(a) Ragone图。(b) 带有充放电曲线插图的循环寿命稳定性。(c) 在180°弯曲的设备。(d) 弯曲循环后的电化学性能。(e) 设备的输出电压，以及(f) 为3伏LED供电的设备。经参考文献[77]许可转载。版权属于美国化学学会。表3总结了超级电容器应用中常见材料的优点和缺点，而表4概述了多孔碳及其在储能方面的优势。表5总结了基于超级电容器电极材料的重要电化学参数。表3。各种多孔材料在超级电容器应用中的优缺点
| 多孔材料 | 优点 | 缺点 | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- |
| 多孔碳 | 更大的比表面积（SSA）、更高的孔隙率、易于功能基团掺杂、异原子掺杂、高电导率、良好的能量密度 | 合成过程中会释放气体，需要惰性气氛、功率密度较低 [91] |
| 层状双氢氧化物 | 易于制备、可形成层状孔隙、高比表面积、具有优异的赝电容性能（快速充放电）、高能量密度 | 结构稳定性差、化学稳定性低、团聚率高、电导率低、能量和功率密度低 [92] |
| 过渡金属硫化物 | 制备方法简单、易于电极修饰、氧化态丰富、赝电容性能高、比电容高、能量和功率密度高 | 团聚、材料膨胀、循环稳定性有限、比表面积低、设备性能不佳 [93] |
| 过渡金属氮化物 | 制备方法简单、电极修饰容易、电导率高且热稳定性好、比电容高 | 高温制备、比电容低、功率和能量密度低 [94] |
| 过渡金属磷化物 | 电导率好、氧化还原中心多、比电容高 | 循环和倍率性能较差 [95] |
| 金属有机框架 | 热稳定性、表面稳定性、结构稳定性和氧化还原活性好 | 电导率低、循环稳定性差、在水中的稳定性差 [96] |
| 过渡金属氧化物 | 制备方法简单、成本低、稳定性好、具有多种氧化还原中心、电化学性能良好、充放电性能好、能量密度高 | 功率密度低、设备性能不佳 [97] |
表4. 多孔碳及其在能量存储中的优点
| 能量存储设备 | 多孔材料的优点 | 参考文献 |
| --- | --- | --- |
| 超级电容器 | (a) 微孔：离子存储；(b) 中孔：扩散通道；(c) 大孔：电解质离子储存库；(d) 电极/电解质界面形成的双电层可产生EDLC；(e) 表面修饰可赋予赝电容性能；(f) 高电导率 [6] |
| 锂离子电池（LIBs） | (a) 分层结构具有相互连接的孔隙，能够阻止锂枝晶的形成；(b) 多孔通道可实现快速电催化动力学；(c) 多孔结构可以克服锂离子的插层/脱层应力；(d) 比表面积激活的位点增加了电解质的润湿面积；(e) 碳的电导率有利于电子传输 [98] |
| 硫化物/氮化物基超级电容器 | (a) 抑制了锂离子的穿梭运动；(b) 微孔和中孔可以增加硫含量和多硫化物的扩散 [99] |
| 钠离子电池/钾离子电池（NIBs/KIBs） | (a) 石墨碳框架可以增强Na+/K+的存储；(b) 高比表面积使脱层过程更容易 [100] |
表5. 文献中报道的各种超级电容器的性能
| 电极材料 | 电解质 | 比电容（F/g） | 稳定性 | 能量密度（Wh/kg） | 功率密度（W/kg） | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| Co3Se4/CoNi2Se4@AKC | 3M KOH | 314 | 86.36% | 416 | 56 [101] |
| 多孔碳 | 6M KOH | 453.7 | 88.8% | 35.3 | 90 | 00 [102] |
| 生物质碳@NiS | 6M KOH | 115 | 7.7 | 694.3 | 2% | 85.1 | 214 | 94 [103] |
| Ni(OH)2/锥形花 | 1M KOH | 91 | 6.4 | 89.5% | -- | [104] |
| ZnFe2O4/活性炭纤维 | 2M KOH | 192 | 92.7% | 7.6 | 52 | 3.6 | [105] |
| Ni-Co-S/AC | PVA-KOH | 239 | 282% | 30.1 | 80 | 00.2 | [106] |
| AC/聚苯胺/Mn3O4 | 6M KOH | 352 | 90% | 33.8 | 152 | [107] |
| 稻草-AC/NiCo2S4/稻草-ACPVA/KOH | 64 | 3.4 | 90% | 24.5 | 70 | 00 [108] |
| N,S共掺杂多孔碳 | 6M KOH | 109 | 78 | 3.2% | 131 | 105 | 8.8 | [109] |
| AC/GO/TiO2 | 3M KOH | 149 | 1.6 | 61.8% | 99 | 357 | 2 [110] |
| 稻壳AC | 6M KOH | 371 | 89 | 1.3% | 10.1 | 70 | 00 | [111] |
| 氮/硫共掺杂银杏叶 | 6M KOH | 330 | 58.5% | 43.6 | 40 | 00 | [112] |
| MnCo2O4/AC | WH3M KOH | 392 | 90.8% | -- | [113] |
| NiS/ACNTs//AC | 3M KOH | 126 | 683% | 368 | 06 [114] |
| ZFO/FLGR/AC | 3M KOH | 156 | 965 | 424 | 99 | 2 [115] |
| HAC//HAC-Ni3S2 | 6M KOH | 279 | 743 | 83.4% | 55.3 | 210 | 53.7 | 1 [116] |
| AC/MWCNTs/ZnFe2O4 | 3M KOH | 609 | 991% | -- | [117] |
| 橙皮衍生AC | 2M KOH | 159 | 84.6% | 12.8 | 360 | 00 | [118] |
4.8. 多孔过渡金属氧化物
多孔过渡金属氧化物因其具有高比电容、大比表面积和多孔结构等特性，被广泛研究作为超级电容器的电极材料。这些氧化物（如锰氧化物、镍氧化物、钴氧化物和混合金属氧化物）表现出赝电容行为，因为不同氧化态的金属离子在电极-电解质界面发生反应[78]。这种赝电容特性加上多孔结构使得离子更容易移动，从而比普通碳材料储存更多电荷。分层多孔结构（如由纳米级构建块连接而成的纳米片、纳米线和纳米管）使离子和电子快速移动，缩短了扩散距离，并增加了有效表面积。例如，直接在导电基底上生长的三维多孔锌-镍-钴氧化物纳米片无需粘合剂即可作为电极，在超级电容器中表现出优异的电化学性能[79]。这种分层多孔性确保了大量的活性位点和电解质接触点，从而提高了电容和循环稳定性。基础过渡金属氧化物（如MnO2、NiO、Co3O4及其混合尖晶石（如NiCo2O4）对环境更友好且成本低于贵金属氧化物（如RuO2和IrO2）[80]。它们还具有良好的电容性能。不同的氧化态促进了多种电荷存储方式（如表面吸附、离子插层和氧化还原反应），有助于提高能量密度和功率能力。然而，通过使用导电聚合物制备复合材料或创建多孔纳米结构可以解决其天然电导率低和表面积小的问题，从而改善电导路径并增加氧化还原活性位点。例如，过渡金属氧化物-导电聚合物复合材料结合了氧化物的赝电容和更好的电导率，制备出高性能电极。此外，具有微孔和中孔的多孔金属氧化物电极设计对于获得最佳功率性能和能量存储容量非常重要，因为这有助于电解质离子的移动，并在电极和电解质之间形成较大的接触面积。纳米多孔框架和具有纳米孔壁的大孔泡沫通过缩短离子扩散路径和增大表面积来提高赝电容。
4.9. 多孔过渡金属硫化物
多孔过渡金属硫化物（TMSs）作为超级电容器电极材料非常有前景，因为它们具有更好的电化学活性、更多的氧化还原位点和更高的电导率。这些特性使它们成为下一代超级电容器的理想选择，具有更好的能量存储和循环稳定性[81]。多孔TMS电极的一个主要优点是它们的纳米结构形状使得离子能够快速移动，并为法拉第反应提供大量活性位点。例如，在非常多孔的镍集流体上制备的多孔Ni3S2电极在10 mA cm⁻²电流下表现出786.5 C g⁻¹的高比电容，具有优异的倍率性能和稳定性，在6000次循环后仍保持93.9%的容量[82]。同样，像CuCo2S4纳米棒阵列这样的多孔三元硫化物与活性炭电极结合使用时，表现出更高的比电容和更长的循环寿命，能量存储速率约为57 W h kg⁻¹[83]。当三元硫化物中含有多种金属时，其氧化还原活性和电导率优于单一金属。这使得超级电容器性能更好。例如，SnNiCoS三元结构在5 mA cm⁻²电流下表现出18.6 F cm⁻²的比电容，并在8000次循环后保持82.9%的循环稳定性[84]。与过渡金属氧化物（约296 F g⁻¹）相比，过渡金属硫化物（如ZnCo2S4）的比电容（约1269 F g⁻¹）更高，因为它们的电荷转移电阻更低，离子扩散速率更快[85]。此外，将TMSs与石墨烯等碳基材料结合可以进一步提高电子导电性和机械稳定性，从而改善电化学反应和能量存储性能[86]。
4.10. 过渡金属氢氧化物
过渡金属氢氧化物作为超级电容器电极材料非常有前景，因为它们价格便宜、易于获取、可以存在于多种氧化还原状态，并且具有多种不同的形状，从而改善电化学电荷存储性能。镍-锰（Ni-Mn）双氢氧化物在这些材料中尤为突出，因为它们具有优异的比电容和循环稳定性。例如，通过电沉积直接在导电基底上生长的纳米结构Ni-Mn双氢氧化物在1 mA cm⁻²电流下具有1364 F g⁻¹的比电容，并在3000次循环后仍保持94%的容量[87]。这表明这是一种可扩展且经济高效的方法来制造能够快速储存大量电荷的超级电容器。镍-钴（Ni-Co）氢氧化物，特别是层状双氢氧化物（LDHs），因其良好的电化学性能而被广泛使用[88]。通过改变温度、反应时间和Ni:Co比例，可以改善比电容（最高可达400.2 C g⁻¹）并获得良好的循环稳定性（10,000次循环后容量保持70%）。这表明这些材料可以用作超级电容器电极。基于钴的金属氢氧化物以其高电导率和稳定性而闻名，在电化学测试中的表现优于其他金属氢氧化物（如铝氢氧化物或铜氢氧化物[89]。电沉积技术可用于制备高电容的钴氢氧化物电极。复合材料的形成有助于克服过渡金属氢氧化物的固有导电率限制。例如，镧氧化物-镍氢氧化物（La₂O₃-Ni(OH)₂）复合材料具有超薄纳米片形态，具有较高的能量密度（约107.8 Wh kg⁻¹）和优异的循环稳定性[90]。这表明向过渡金属氢氧化物中添加镧系元素可以使其作为超级电容器发挥更好的作用。除了单一氢氧化物外，与二维材料（如基于石墨烯的异质结构）的纳米结构化复合也显示出协同效应，增强了电荷传输和导电性，从而改善了电化学性能（如能量和功率密度）。
5. 微型超级电容器和柔性超级电容器
使用多孔材料的微型超级电容器和柔性超级电容器受到了广泛关注，因为它们可以用于小型、可穿戴和可植入的电子设备。当用原子层沉积技术涂覆超薄氮化钛（TiN）时，多孔硅电极表现出高功率密度、稳定性和几乎完美的双电层电容性能[119]。这些基于多孔硅的微型超级电容器具有更高的体积电容和能量密度，适用于微电子系统和能量收集单元，特别是在可穿戴和可植入设备中。其他多孔材料（如二维碳化钛MXenes和还原氧化石墨烯（rGO）也用于制造柔性不对称微型超级电容器[120]。这些设备通过在柔性基底上喷涂涂层制成，具有高能量和功率密度、良好的循环稳定性和弯曲时的机械柔韧性，非常适合柔性电子设备。同样，激光转化技术可以从多孔碳化钼（Mo3C2）制备出可打印的柔性微型超级电容器，具有三维海绵状结构[121]。这些超级电容器具有高比电容，在恶劣环境中表现良好，表明它们可用于各种温度下的柔性能量存储。使用微流控蚀刻技术和基于纤维素纳米材料的电极制造的柔性全固态微型超级电容器具有良好的电容，在弯曲时稳定，并且对环境友好。这些设备适用于微机电系统（MEMS）、可穿戴电子设备和便携式电源，因为它们具有柔韧性、良好的电性能，并由生物相容或低成本材料制成。基于碳的多孔材料（如多孔碳泡沫和碳纳米管（CNTs）也是良好的柔性微型超级电容器电极，因为它们具有更多的电化学活性位点和更高的柔韧性[122]。多孔碳泡沫电极允许离子更容易移动，具有更高的比电容，这意味着它们可以使用更长时间。另一方面，打印在柔性基底上的CNT薄膜具有可调的比电容，并且在多次循环后仍能保持良好的性能，适用于柔性和小型能量存储设备。此外，利用纸张的天然孔隙性制备的纸质柔性超级电容器通过沉积镍微粒和纳米颗粒来制造高表面积电极，成本低廉且具有高能量密度，适用于柔性传感器和诊断应用。
5.1. 多孔电极的降解机制
多孔电极在电池和超级电容器中广泛使用，但随着时间的推移会经历多种降解过程，这些过程会对设备性能和使用寿命产生重大影响。锂氧（Li-O2）电池的一个主要降解原因是放电产物堆积，导致多孔电极结构永久堵塞。这种堵塞使得离子和电子难以移动，减少了反应的有效表面积[123]。最终，这会导致容量衰减。当存在粘合剂降解时，情况会更加严重，因为会在导电表面上形成更多涂层，从而减缓电化学活性。无粘合剂的独立电极（由交联的多壁碳纳米管网络制成）显示出高孔隙率、电导率和柔韧性，使得循环更加容易，并可以通过清洗放电产物来恢复性能。这些创新方法为减缓降解和延长电极寿命提供了可能。在锂离子电池中，多孔电极通常由于电极与电解质界面的电化学反应和电极颗粒内部的结构破坏而降解。固体电解质界面（SEI）层的完整性是一个关键因素，特别是对于硅-石墨复合电极[124]。硅在锂化过程中的体积膨胀以及随后的脱锂过程中的收缩会产生机械应力，导致SEI（固体电解质界面）破裂，并在循环使用过程中发生不可逆的变化，从而导致容量损失。扫描电化学显微镜等技术显示，在循环开始时SEI并不均匀，这表明存在局部退化。基于碳的复合电极由于体积变化、锂沉积以及循环过程中的持续SEI生长而经历化学机械退化。如果不进行如改进涂层或控制孔隙率等设计改进，这可能会导致电极形状改变、电接触丧失以及电极粉碎。对于超级电容器而言，多孔电极的退化情况也是如此。当聚合物电极材料分解成较小的寡聚物时，电极在循环过程中的稳定性和导电性、电容性都会降低。通过与碳纳米管形成共价键以及增加电极的孔隙率等策略可以帮助基于聚苯胺的电极更持久地使用，同时允许体积的变化[125]。由细菌纤维素、多壁碳纳米管和聚苯胺制成的柔性电极利用了它们的多孔结构以及吸收电解液的能力。即使经过数千次循环，这些电极也不会失去太多电容，这表明保持孔隙率和结构完整性对于超级电容器电极的耐用性非常重要。
在电池和超级电容器长期循环过程中，多孔电极退化的主要原因是由于体积变化引起的机械应力、粘合剂和导电路径的丧失、反应副产物的积累堵塞孔隙、固体电解质界面（SEI）的不稳定性以及活性材料的结构重组或相变。专注于不需要粘合剂的网络、更好的机械柔韧性、保持孔隙率以及更有效地检测早期不均匀性的策略对于防止容量衰减和延长循环寿命非常重要。
5.2. 商业化和成本
电动汽车（EV）对高效能量存储的需求、可再生能源的使用以及高功率应用正在推动电池和超级电容器的商业化。目前人们非常关注成本、环境影响和性能之间的平衡。锂离子电池（LiBs）仍然是最受欢迎的电池类型，但在需要大量功率和长寿命的混合系统中，超级电容器变得越来越受欢迎。全球超级电容器市场正在快速增长，复合年增长率（CAGR）为11.43–16.1%。预计到2031年，市场规模将从约20亿美元增长到超过100亿美元（图11）。这是因为电动汽车需要再生制动和电网稳定性。目前，高性能超级电容器的制造成本很高（100美元/千瓦时），比普通锂离子电池（70–132美元/千瓦时）高出约20–30%。这意味着它们只能在某些特定情况下使用。然而，它们的长循环寿命（数十万次循环）从长远来看具有更好的投资回报。预计到2025年，电池组的制造成本将下降约20%。锂离子电池的成本已经低于100美元/千瓦时，这将有助于更多人购买电动汽车。为了使超级电容器更加实用，它们通常与电池结合使用（混合能源存储系统 - HESS）来处理快速功率爆发。这可以减轻电池的负担并延长其使用寿命。超级电容器对环境更有益，因为它们主要使用比锂离子电池更容易回收和处理的碳化合物。为了实现可持续发展目标，人们更加重视通过湿法冶金回收锂、钴和镍等电池材料。欧盟希望到2027年从旧电池中回收50%的锂。研究重点在于寻找安全且丰富的电池电极材料，例如对环境更友好的二氧化锰（MnO2）和用于超级电容器的活性炭。
5.3. 前景和未来展望
高表面积多孔材料的最新突破极大地加速了电化学储能设备的进展。这是因为气候变化和全球能源危机使这些设备比以往任何时候都更加重要。具有天然大比表面积、优异化学稳定性和高电子导电性的多孔碳材料已成为锂离子电池、超级电容器和混合电容器的最佳选择。它们的分子设计、孔结构控制和成分调整带来了前所未有的能量存储性能提升。层次化多孔碳（HPCs）具有从微孔到介孔再到大孔范围的互连孔网络，这使得电子和离子的移动路径得以优化，从而提高了多种类型储能设备的充电存储动力学和循环稳定性。二维（2D）介孔碳是另一个新的研究领域，它们结合了大的表面积和可调的孔结构以及易于电子传输的特点。除了碳之外，多孔金属、金属氧化物和金属有机框架（MOFs）也因其独特的孔结构、导电性和氧化还原性质而受到广泛关注。纳米多孔金属和金属氧化物在超级电容器和锂离子电池中非常有用，因为它们可以加速离子的移动和表面氧化还原反应。基于MOF的材料具有高度可调的三维多孔晶格，可以作为纯材料、复合材料及其衍生物（如金属硫化物和氧化物）来提高电极的导电性和稳定性。三维有序多孔电极可以由碳或不同的过渡金属化合物制成，通过结合良好的几何形状和自身特性来提高电化学活性。这些材料在先进的锂离子电池、锂硫电池和锂氧电池以及超级电容器中表现良好。这是结构设计与电化学性能之间的一个非常有趣的交叉点。在大规模生产这些材料、使其稳定以及将其应用于商业设备方面仍存在一些问题。主要目标是不断改进孔径分布和互连性，直到达到高能量密度和功率输出之间的理想平衡。此外，将多孔碳与金属氧化物、硫化物或聚合物混合的混合材料为同时提高电容率和循环稳定性提供了良好的方法。
6. 结论
本综述强调了超级电容器和电池技术的最新进展。所报道的材料通过突出多孔纳米材料的优点（包括高导电性、高表面积和额外的功能表面）展示了其在工业应用和商业化方面的潜力。基于碳的材料如石墨烯、碳纳米球、碳纳米纤维（CNFs）和碳纳米管（CNTs）由于多孔材料的多样性而在电池和超级电容器中得到广泛应用。此外，碳结构的可调性使得可以制造出微孔、介孔和层状多孔碳，从而增强活性位点、离子和电荷存储机制，最终提高电极动力学。综述进一步探讨了用于超级电容器应用的各种多孔碳材料，这些材料的比表面积范围为1000至3000 m²/g，理论电容率为300–550 F·g⁻¹。然而，由于导电性较低，实际应用往往受到其较低实际电容率（约250 F·g⁻¹）的限制。综述还探讨了在高比表面积多孔碳在可充电电池中的应用。虽然基于碳的材料在商业超级电容器应用中很常见，但其低电导率是一个挑战，而介孔碳有助于解决这一问题。尽管如此，生产介孔碳的难度限制了其更广泛的应用。此外，综述强调用氮、氧和磷等外来元素掺杂可以提高多孔碳的导电性。进一步开发和探索更先进的多孔材料以提高能量密度仍然是提高电池和超级电容器性能的关键方向。
**资助与致谢**
作者Anu Prathap M. Udayan衷心感谢昌迪加尔大学的支持。Balwinder Kaur博士感谢昌迪加尔旁遮普工程学院通过研究启动基金提供的资金，以及从科学技术部（DST）在“促进大学研究和科学卓越”（PURSE）计划下获得的项目资助，批准号为SR/PURSE/2024/350（TPN-105965）。
**CRediT作者贡献声明**
Balwinder Kaur：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、调查、概念化。
Anu Prathap Mylamparambil Udayan：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。
Kirtanjot Kaur：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、方法论。
Anandhakumar Sundaramurthy：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化。
Baljit Singh：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证。
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