伊姆兰·扎达（Imran Zada）| 马纳布·昆杜（Manab Kundu）| 苏姆琳·阿西姆（Sumreen Asim）| 阿尔穆德娜·冈萨雷斯·冈萨雷斯（Almudena González González）| 胡安·M·佩雷斯（Juan M. Pérez）| 李瑶（Yao Li）
西班牙埃斯特雷马杜拉大学（University of Extremadura）能源存储研究中心（CIIAE）电气能源存储部门，Avda. de las Letras s/n，10004 卡塞雷斯（Cáceres）
**摘要**
可再生能源系统的迅速扩张加剧了对高效、可持续能源存储技术的需求，这些技术能够缓解电网不稳定和频率波动问题。近期发生的事件，包括导致欧洲多个地区短暂停电的频率波动，凸显了现代电网迫切需要具备快速能量缓冲和功率稳定能力的技术。混合超级电容器（Hybrid Supercapacitors, HSCs）作为一种新兴技术，结合了电化学电容器的高功率特性和电池的更高能量密度，显示出巨大潜力。虽然基于生物质材料的超级电容器应用已得到广泛研究，但其他类型的废弃物在其中的利用仍相对不足。本文构建了一个综合框架，将废弃物原料与材料合成、电极设计以及设备级别的HSC性能联系起来，置于循环经济的背景下进行探讨。文章讨论了循环经济的基本原则，并强调了电子废弃物和工业残渣等不同废弃物作为宝贵材料资源的作用。同时，对控制电化学性能的关键合成策略和结构-性质关系进行了深入分析。此外，还分析了支持废弃物价值化的监管、环境和经济因素，并提出了将循环经济理念融入HSC开发的实际策略。最后，指出了目前面临的原料多样性、可扩展性和长期稳定性挑战，为下一代能源系统开发低成本、高性能、环境可持续的HSCs提供了方向。
**引言**
可再生能源系统、电气化交通和便携式电子产品的快速发展，极大地提升了对先进能源存储系统（Energy Storage Systems, ESS）的需求，这些系统需要具备高性能、长循环寿命和运行可靠性[[1], [2], [3]]。尽管锂离子电池（Lithium-Ion Batteries, LIBs）目前占据主导地位，但其长期可持续性受到关键原材料供应有限、制造过程能耗高以及处置和回收环境问题的制约[[4,5]]。此外，与锂、钴、镍和石墨资源相关的地缘政治和供应链风险进一步凸显了可持续和循环能源存储技术的必要性[[6]]。因此，越来越多的人关注基于可回收、低成本、环境友好的替代性ESS概念[[7], [8], [9], [10]]。
在新兴的ESS技术中，HSCs因兼具超级电容器的高功率特性和电池的更高能量密度而受到广泛关注[[11]]。通过整合电容型和电池型电极，HSCs可以实现更快的充放电速率、更好的循环稳定性和更高的能量存储容量，适用于电动汽车、电网储能和可穿戴电子设备等领域[[12]]。然而，许多高性能电极材料仍依赖于昂贵或环境负担重的前体物质，这引发了关于大规模HSC制造可持续性的担忧。为解决这些问题，近期研究探索了使用电子废弃物（e-waste）[[13], [14], [15]]和工业废弃物[[16], [17], [18]]作为功能性电极材料的替代来源。从废弃电子设备或工业副产品中回收的碳基材料、过渡金属化合物和导电金属展现了良好的电化学性能，有助于HSC应用[[13,16,17]]。这些进展不仅支持了循环经济中的废弃物价值化，还提升了资源利用效率。
随着电子废弃物和工业残渣产量的增加，可持续的废弃物管理策略变得尤为重要[[18], [19], [20], [21]]。2022年全球电子废弃物产量达到6200万吨，预计未来几年将继续大幅增长[[22]]。工业废弃物（如粉煤灰、冶金渣和矿山尾矿）含有丰富的碳质和金属成分，适用于能源存储[[23]]。将这些废弃物转化为功能性HSC材料可以减少填埋处理、降低环境污染，并减少对原始资源的依赖。这些做法符合循环经济原则，强调在整个产品生命周期内实现资源回收、再利用和可持续材料利用[[24], [25], [26]]。在HSCs领域，循环经济策略包括从电子废弃物和工业废弃物中回收有价值的金属氧化物和碳质材料用于电极制造，以及开发可回收的设备组件和环境可持续的电解质[[27,28]]。这些实践有助于实现可持续制造，同时支持联合国可持续发展目标（SDGs）等全球可持续发展倡议，并在回收和资源回收领域创造经济机会[[29]]。
尽管在SCs和基于废弃物的电极材料开发方面取得了显著进展，但现有综述主要集中在传统碳材料、生物质资源或通用超级电容器系统上[[30,31]]，对将电子废弃物和工业废弃物整合到HSC技术中的关注较少。目前尚缺乏一个将废弃物资源价值化、材料合成、电极工程、电化学机制、设备级别性能和循环经济原则相结合的综合性框架。因此，本文从循环经济角度全面探讨了从废弃物到HSC的技术，详细分析了电子废弃物和工业废弃物衍生材料、合成策略、电极结构、电解质创新及可持续性方面的内容（见图1）。特别强调了理解控制电化学行为的结构-性质-性能关系，以及与废弃物价值化相关的环境、经济和实际考虑因素。此外，还讨论了原料异质性、可重复性、可扩展性和长期稳定性等关键挑战，并展望了下一代能源存储应用中低成本、高性能、环境可持续HSC系统的未来发展前景。
**HSCs的基础原理与存储机制**
超级电容器（SCs）是一种先进的能源存储设备，介于传统电介质电容器和电池之间，具有高功率密度、快速充放电动力学和优异的循环寿命。与传统电容器不同，SCs利用大面积电极和专用电解质实现更高的能量存储能力。
**循环经济原理与HSC技术**
循环经济代表了能源存储系统可持续管理的新范式，旨在优化资源利用、减少废弃物产生并保持材料在整个产品生命周期中的效用。与传统“获取-制造-处置”的线性工业模式相比，循环经济提倡综合性的减少、再利用、回收和材料回收策略，以建立再生型闭环系统，显著降低环境影响。
**电子废弃物在HSCs中的应用**
电子设备使用的快速增长导致电子废弃物量急剧增加，预计五年内将达到4440万吨[[18]]。尽管全球电子废弃物回收市场预计到2026年将达到658亿美元[[18]]，但目前仅有17.4%的电子废弃物被收集和回收，尤其是在废弃物管理不足的发展中国家[[184]]。根据《2020年全球电子废弃物监测报告》，电子废弃物量预计将继续增长。
**电子废弃物衍生材料的合成与性能**
电子废弃物的不断积累带来了重大的环境和资源挑战，需要创新的回收方案来减轻污染并回收有价值的材料，特别是用于HSCs。一种有前景的方法是将电子废弃物重新用于能源存储技术，尤其是HSCs，这种集成方式有效结合了电池的高能量密度和SCs的高功率密度。
**工业废弃物在HSCs中的应用**
工业活动的迅速扩张产生了大量固体和液体废弃物，既带来了严重的环境问题，也为资源回收提供了机会。来自制造、采矿和冶金过程的工业废弃物越来越被视为先进能源存储应用（尤其是HSCs）的理想原料[[18]]。
**电解质工程与设备集成**
HSCs的性能主要由电极材料、电解质和设备架构之间的相互作用决定。其中，电解质至关重要，因为它们控制着离子在电极间的传输，从而影响特定电容、能量密度、功率密度和循环稳定性。电解质的选择（无论是水基、非水基还是基于氧化还原添加剂和凝胶的先进配方）都必须根据具体应用进行精心设计。
**残留杂质对电化学性能的影响**
使用电子废弃物和工业废弃物作为前体材料不可避免地会引入残留杂质，这些杂质可能显著影响HSCs的电化学性能、稳定性和安全性。根据其化学性质和与电极结构的相互作用，这些杂质可能对设备性能产生不利或有益的影响。
**结论**
本文全面而批判性地评估了HSCs作为循环经济驱动的可持续能源存储技术。通过研究HSCs的基本充电存储机制、设备架构和材料要求，本文指出基于废弃物的碳基材料、金属氧化物和复合材料可以作为传统资源密集型电极材料的可行替代品。电子废弃物和工业废弃物的价值化对于推动HSCs的发展具有重要意义。
**作者贡献声明**
伊姆兰·扎达（Imran Zada）：概念构思、方法论设计、数据收集与分析、初稿撰写及正式分析；
马纳布·昆杜（Manab Kundu）：数据整理、正式分析、修订与编辑；
苏姆琳·阿西姆（Sumreen Asim）：数据验证、可视化处理、修订与编辑；
阿尔穆德娜·冈萨雷斯·冈萨雷斯（Almudena González González）：数据收集与分析、方法论设计、质量控制；
胡安·M·佩雷斯（Juan M. Pérez）：概念构思、资源协调、可视化处理、修订与编辑；
李瑶（Yao Li）：正式分析、可视化处理、修订与编辑。
**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
