AEM:电化学超级电容器：从机理理解到多功能应用
雨辰
高功率、长循环寿命的电化学超级电容器在某些领域得到了广泛的研究和应用。然而，大部分的努力都致力于通过新颖的电极/电解质设计来开发性能更好的SCs。尚未实现对基于不同电极材料的SC的完整机理理解。此外，必须加快探索SC的新功能以扩大其应用范围。
有鉴于此，新加坡南洋理工大学Lee Pooi See教授等人，综述了电化学超级电容器在机理研究到多功能应用方面的研究进展。
本文要点
1）使用先进的表征方法(原位X射线衍射，原位X射线散射，原位原子力显微镜,原位核磁共振，原位拉曼/红外光谱、电化学石英晶体微量天平、扫描电化学显微镜等)讨论从不同方面揭示SC的电化学过程。实现可机械变形、低温、颜色可调、自修复和自充电的SC；集成SC检测传感器。还讨论了目前尚存在的问题和未来SCs的发展趋势。
2）通过多种表征技术，可以监测SCs电极材料的性能变化。已经观察到电化学充放电引起的晶体结构膨胀/收缩、纳米孔内离子约束、应变诱导、尺寸膨胀/收缩、化学键形成/断裂、氧化态增加/减少等。然而，对于不同的电极材料，需要仔细选择表征方法。其中一些方法适用于基于非法拉第反应的碳电极材料，例如原位核磁共振、X射线散射等，用于研究离子扩散动力学，包括离子脱溶、限制和纳米孔中的局部重排。其中一些方法更适合于研究涉及法拉第反应的金属氧化物/碳化物基电极材料，例如原位XRD和XAS来监测晶体结构、化学键合和氧化态变化。但是，某些方法适用于两种类型的材料，例如原位eD，AFM，EQCM和SECM，以监控尺寸和电化学性能的变化。
3）“自放电”现象在OCP下会引起自发的电压下降和电容衰减，这是限制和阻碍SCs的广泛应用的瓶颈。然而，“自放电”机制还没有被完全理解。原位拉曼/红外光谱、原位X射线吸收光谱、原位核磁共振等可用于监测OCP作用下电极表面化学键合的变化；利用X射线原位散射技术可以监测OCP作用下孔结构的变化。然而，这方面的文献数量还相当有限，利用现有的表征方法来揭示SCs中的自放电机制还需要更多的努力。
参考文献：
Jingwei Chen et al. Electrochemical Supercapacitors: From Mechanism Understanding to Multifunctional Applications. Advanced Energy Materials, 2020.
DOI: 10.1002/aenm.202003311
https://doi.org/10.1002/aenm.202003311