Journal of Materials Chemistry A：电化学储能新领域：多价态离子混合电容器

超级电容器具有可快速充放电、功率密度高、循环寿命长等优势，是一种重要的电化学储能器件，然而低的能量密度限制着其更大规模的应用；包括锂离子电池等在内的二次电池则具有高得多的能量密度，但倍率性能和循环寿命等与超级电容器相比往往不够理想。混合电容器（hybrid capacitors，也称混合超级电容器）将超级电容器与电池“合二为一”，其一极为电池型电极、另一极为电容型电极，理论上兼具有超级电容器的高功率密度、长循环寿命以及电池的高能量密度等优点。早些年研究较多的锂离子混合电容器正是这样一种电化学储能器件。

近些年，基于多价态离子（Zn²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺和Al³⁺等）存储理论发展的多价态离子电池如锌离子电池、镁离子电池、钙离子电池、铝离子电池等，显示出有别于锂离子电池的动力学、热力学特征与电化学性能，逐渐成为电化学储能领域的研究热点；与此同时，作为一种新型的电化学储能体系，多价态离子混合电容器应运而生（如图1）。

图1.多价态离子混合电容器示意图

近日，悉尼滚球体育 大学Guoxiu Wang课题组应邀在Journal of Materials Chemistry A上发表了题为“Multivalent metal ion hybrid capacitors: a review with a focus on zinc-ion hybrid capacitors”的综述文章，在团队成员对多价态离子混合电容器研究基础上（Energy Storage Materials, 2018, 13, 96；Energy Storage Materials,https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.10.020等）、并追踪本领域最前沿研究成果，全面阐述了多价态离子混合电容器、特别是锌离子混合电容器的设计原理、结构、电化学行为和储能机理，并对多价态离子混合电容器发展方向进行了展望。文章第一作者为董留兵博士。

图2.平板式电容器和超级电容器示意图

图3.水系锌离子混合电容器

作者首先简要概述了超级电容器（包括双电层电容和赝电容，如图2）和多价态离子电池（包括锌离子电池、镁离子电池、钙离子电池、铝离子电池）储能体系，对各个体系所涉及到的电极材料、电解质、电化学反应等做了解析。随后，作者依次综述了锌离子混合电容器（ZHCs）、镁离子混合电容器（MHCs）、钙离子混合电容器（CHCs）、铝离子混合电容器（AHCs）。相对来说，锌离子混合电容器研究较多、并显示出高安全性、超长循环寿命等优势：按照电极类别，可分为金属锌基锌离子混合电容器（如图3）和氧化物//碳锌离子混合电容器；按照电解质的不同，可分为水系锌离子混合电容器、有机系锌离子混合电容器等；水系锌离子混合电容器具有的优异电化学性能和安全环保等优点使其有望用于微型器件和柔性可穿戴器件，作者对此一并做了综述和讨论。

文献链接：Liubing Dong, Wang Yang, Wu Yang, Yang Li, Wenjian Wu, Guoxiu Wang. Multivalent metal ion hybrid capacitors: a review with a focus on zinc-ion hybrid capacitors. Journal of Materials Chemistry A, 2019, doi: 10.1039/C9TA02678A.

本文由作者供稿。

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