CAT蓄电池锌离子电解质前沿研究的最新进展：释放二维材料在超级电容器和电池中的潜力
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-04-16 20:18:39 点击： 次
图文摘要
引言
随着工业化进程、便携式电子设备以及电动汽车（EVs）普及率的快速提升，全球能源需求急剧增长，这加速了对电化学储能设备（ESDs）的需求[1][2][3][4]。因此，开发可靠、可再生且清洁的能源已成为满足未来能源需求的必要条件[5][6][7]。在此背景下，低成本、清洁且高效的能源将为未来具有高能量密度和功率密度的电化学ESDs提供动力[8][9][10]。在各类电化学储能器件中，超级电容器（SCs）和电池因其高功率密度与高能量密度特性被视为安全可靠且发展迅猛的解决方案[11][12][13][14]。相较于电容器、燃料电池及太阳能电池等传统储能器件，超级电容器与电池展现出显著优势，使其更契合现代能源需求[15][16][17][18]。
超级电容器（SCs）与电池是最优异、最可行且环境友好的可持续电能存储装置（ESDs）[19]-[22]。通过Ragone曲线（图1所示）[23]可直观对比SCs、电池、燃料电池及电容器在能量密度与功率密度方面的性能差异，该图表征了SCs与电池相较于其他储能设备的显著优势[24]-[26]。具体而言，SCs展现出高于电池、燃料电池和电容器的功率密度特性[27]。与超级电容器(SCs)相比，蓄电池展现出极高的能量密度，但其循环寿命有限且充电能力较慢[28][29]。类似地，燃料电池虽具有低功率密度和高制造成本特性，受燃料可获得性限制，但在特定环境条件下表现卓越[30]。此外，传统电容器虽具备高功率密度特性，但其能量密度较超级电容器和蓄电池低数个数量级[31]。蓄电池的高能量密度特性使其在长时储能系统中始终占据核心地位[32][33][34]。而超级电容器则因其快速充放电能力、高功率密度及超长循环寿命，必将在相关应用领域成为不可或缺的组件[35][36][37]。超级电容器与蓄电池的这些特性使其成为储能装置(ESDs)极具前景的选择方案[38][39][40]。
超级电容器与电池的电化学性能取决于电极材料的设计与化学组成[41][42][43]。为此，研究转向了先进电极材料，特别是基于二维（2D）结构的材料——这类材料具有独特的互补特性组合（如机械强度、化学稳定性、可调控表面化学性质），能完美适配优异的电化学性能需求[44][45][46]。该二维材料体系包含石墨烯、六方氮化硼（h-BN）、过渡金属二硫属化物（TMDs）、过渡金属氧化物/氢氧化物（TMOs/OH）、层状双氢氧化物（LDHs）、金属-有机框架（MOFs）、共价-有机框架（COFs）以及MXenes（过渡金属碳化物、氮化物及碳氮化物）[47][48][49][50][51]。这些材料展现出多项关键优势，包括优异的导电性、高理论比表面积（SSA），以及出色的离子吸附与电荷存储能力[52]。较大的比表面积（SSA）增强了电极材料与电解质的接触，促进更快的离子扩散和更短的传输路径，从而降低能量损失并提高整体效率[53]。此外，其机械特性有助于在离子反复嵌入/脱嵌过程中维持电极材料的结构完整性，延长器件寿命[54]。然而在实际应用中，这种SSA常因材料重新堆叠和聚集而受到限制，从而降低了离子的可及性[55][56]。这类材料的多功能性使其能够通过掺杂和复合等策略调整性能以应对上述挑战，从而对超级电容器（SCs）和电池表现出良好的兼容性与适应性[57]（图2）。
然而，传统超级电容器（SCs）的发展受限于其能量密度，而电池则面临功率密度不足的问题[58][59]。此外，持续存在的安全隐患——主要是电解质的易燃性和枝晶形成问题，以及在锂离子体系中关键电解质成分的高成本[60]——阻碍了其安全便捷的部署。更为重要的是，这些基于单价离子的超级电容器与电池常因某些电极材料的结构不稳定性导致容量衰减和使用寿命缩短[61]。因此，为获得优异的超级电容器与电池性能，电解质必须具有卓越的传输特性，能够在充放电过程中实现快速离子扩散，同时具备低毒性、化学稳定性及热稳定性[62]。在此背景下，多价态离子电解质（如锌离子）因其比单价离子更稳定的特性而展现出巨大潜力[63]。锌离子体系凭借其不可燃电解质及潜在更低材料成本的优势，为储能领域提供了极具前景的替代方案[64]。锌离子的双电荷载流子特性提高了存储更多电荷的可能性，从而使得超级电容器具有更高的能量密度，电池具有更高的功率密度[65], [66]。此外，锌离子电解质在充放电过程中能够快速引导电解质离子的嵌入/脱嵌，从而提升整体电容、循环稳定性和使用寿命[67], [68]。近期多项研究聚焦于依赖锌离子电解质的超级电容器和电池，这些器件展现出优异的电化学性能[69], [70]。得益于其引人注目的特性，锌离子电解质在未来高性能超级电容器和电池应用中展现出卓越潜力[71], [72]。
在此研究背景下，二维电极材料与锌离子电解质的组合体系近期取得显著进展，其作为互补组分的策略性选择凸显出突破现有局限的潜力[73]。该Zn2+由于其高理论容量、体积能量密度和在水系电解质中的稳定性[74][75]，Zn²⁺成为理想的电荷载体。这些优势与其固有的安全性、低成本和最小化环境影响[76]相得益彰。然而，其二价特性及与主体材料的强静电相互作用常导致动力学迟缓和性能衰减[77]。这正是选择特定二维材料家族作为电极框架的核心原因。本综述着重探讨具有可调控层间距、丰富活性位点和导电网络的二维材料。这种选择并非随意，而是基于材料缓解Zn²⁺2+-诱导应变、实现快速的界面电荷转移，并在反复循环过程中保持结构完整性。因此，这种组合代表了一种针对性设计范式，包括利用锌的经济性和安全性优势。2+在利用二维材料的可调特性来克服相关动力学和热力学挑战的同时，实现了电化学性能的突破。所选文献涵盖从基础研究到最前沿的创新成果，筛选标准重点考察以下几类研究：锌离子电解质与二维材料的基础电化学特性、针对关键挑战的创新解决方案，以及锌离子电池（ZIB）和锌离子超级电容器（SCs）的器件结构设计。
本综述系统性地概述了锌基电化学ESDs的最新研究进展，首先通过对比分析超级电容器与电池的电荷存储机制，着重阐释了锌离子电解质的关键作用。随后全面评估了各类二维电极材料（包括过渡金属氧化物TMOs、过渡金属二硫化物TMDs、层状双氢氧化物LDHs、石墨烯及MXenes材料，涵盖纯相、掺杂和复合材料体系）在锌离子超级电容器与锌离子电池中的性能表现。通过整合电解质设计与材料创新的分析，本研究阐明了关键电化学特性，并指明了未来研究的潜在路径。这种结构化研究方法使我们能够突破简单的数据堆砌，实现从基础材料到先进结构体系发展脉络的批判性整合与创新性综合。最后，通过总结，本综述针对高性能锌离子超级电容器和电池的设计提出了宝贵见解，这些设计能够满足全球对可靠、可扩展能源解决方案日益增长的需求。
