在可持续发展的大背景下，能源利用正经历着以电力为主要能源的快速而大的转变。随着便携式消费电子产品、电网、电动汽车、医疗设备、可穿戴技术和物联网需求的不断增加，电能的可逆存储和释放已成为不可或缺的技术。如今，锂离子电池以卓越的比能量主导着市场，这项技术可能会在很长一段时间内流行。然而，由于充放电过程中体积变化、相变和扩散速率的固有限制，电池一直存在寿命短和充电速率慢的技术难题。此外，电池的比能量随着尺寸的增大而迅速减小，这限制了微型电池在为可穿戴和微型电子设备供电方面的应用。

    超级电容器具有与电池互补的电性能，是另一种重要的储能系统。它们可以提供比电池高得多的功率密度，但其比能量较低，工作时间从几十秒到几分钟不等。1971年，日本电气公司（NEC）开发了第一个商用超级电容器作为节能系统。超级电容器本质上通过静电或法拉第存储电荷，在工作过程中几乎不会导致电极的体积变化，从而具有较长的寿命（>106次充放电循环）和快速的充电速率。这些优点使它们在微型器件、电力电子、模块和大型设备中的应用非常有价值。此外，它们不仅可以用于电力传输，还可以用于能量收集，这是电池系统无法比拟的。超级电容器还可以应用于电网储能、节能装置、频率调节等，设备的最终重量可能达到几吨。一般来说，当电池在发射或接收功率方面变得较弱时，超级电容器通常与电池一起用于短期能量传输和收集。尽管受到新冠肺炎的影响，全球超级电容器市场仍在持续增长。特别是亚太地区在未来几年有着巨大的市场贡献，而北美和欧洲也占据着较高的市场份额。

    在过去的几十年里，大量的研究工作集中于如何在不牺牲超级电容器优异的功率密度和循环寿命的前提下提高其能量密度，使其接近甚至超越电池。然而，实验室研究与实际应用之间的巨大差距严重阻碍了高性能超级电容器的进一步应用，尤其是电极材料的设计与规模化制备技术。实验室制造的超级电容器和商用超级电容器各部件的成分和电化学性能都非常不同。通常，商业超级电容器的能量密度和功率密度可以通过直接计算器件的重量或体积来量化。但实验室研究中报道的性能，将电化学惰性材料（例如，电解质、集流体和包装材料）的贡献降至最低，导致报道的性能指标对于商业化应用来说基本是无意义的。将基于电极材料的性能扩展到完全封装的器件可能会导致不真实的性能指标，从而传递错误的信息。

基于此，贵州大学材料与冶金学院谢海波教授、黄俊特聘教授在国际顶级期刊Advanced Functional Materials (影响因子:19.924)发表题为“Rational Design of Electrode Materials for Advanced Supercapacitors: From Lab Research to Commercialization”的综述论文。从电极材料角度出发，系统总结了超级电容器从实验室研究到商业化应用的关键因素，并总结了超级电容器领域在能量存储机制、高效超级电容器的构筑方法、商业级负载和高填充密度电极的制备策略、超级电容器集成系统和商业超级电容器应用领域的最新进展。此外，还分析和总结了将实验室高性能超级电容器推向实际应用仍然需要解决的难题与挑战。

该项工作得到了国家自然科学基金（52203083）及贵州省科技厅(批准号: ZK[2016]1402);平台与人才建设项目(批准号 [2016]5652; [2017]5788; [2018]5781;[2019] 5607);贵州大学引进人才项目(批准号: [2017]08)的资助。原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202213095

图文：黄俊