选择合适的电极材料是制造超级电容器的关键因素之一。为了长期获得更多能量，电极的成分应具有化学和机械稳定性。此外，还需要较高的电极/电解质表面积。在用于电极的各种材料中，纳米多孔复合材料在储能应用方面取得了令人振奋的成果。
从这个角度出发，
本综述，伊朗科技大学
Reza Eivazzadeh-Keihan、
Ali Maleki等研究人员在
《Energy
Fuels》期刊
发表名为“
A Comprehensive Review about Employing Nanoporous Structures in Supercapacitors: Nanoarchitectonics, Recent Advances, and Future Perspectives
”的论文，
全面研究了超级电容器应用中的纳米多孔材料。
本文介绍了碳纳米多孔材料、纳米多孔 MOF 衍生材料、纳米多孔金属以及混合多孔材料。
首先，我们探讨了多孔性和其
他重要相关因素对超级电容器性能的影响，然后介绍了这些材料的电化学特性，最后提供了一些最新研究的实例。
此外，我们还对这四种多孔材料进行了拉贡（Ragone）图比较，以讨论能量密度和功率密度更高的复合材料。
此外，还讨论了未来的挑战和前景。
本综述有助于深入了解高效超级电容器电极的设计发展。
本文从化合物的比较角度，特别总结了纳米多孔材料在超级电容器制备中的优势，从而更好地理解了超级电容器应用的材料选择。虽然许多最近的评论提供特定的电极材料及其复合材料，它们通常缺乏专注于大多数纳米多孔材料的研究人员所需的深入解释。通过系统比较不同纳米多孔化合物的优点、局限性和电化学性质，本文对影响能量和功率密度的因素提供了更清晰的理解。这种专注的方法使研究人员能够更有效地驾驭电极材料的复杂情况，最终加速高性能超级电容器的开发。
研究人员发现，在制造电极时仅考虑材料化学结构的差异是不够的。事实上，必须考虑到电极形态的差异是同等显著的。从本质上讲，各种碳基和金属氧化物纳米多孔材料具有不同的孔隙率和形貌，导致不同的曲折度和密度。另一方面，MOF 具有均匀的形态和实质性的更高比表面积。然而，它们的稳定性受到应用条件的巨大影响。因此，如果仔细选择制造方法并优化超级电容器应用的加工条件，MOF 似乎是促进离子扩散的有希望的候选者。
不同的机制在超级电容器中占主导地位。双电层电容器 （EDLC） 通过静电反应发挥作用。在电解质-电极界面处形成双电层离子。由于快速静电吸附，这种类型的电容机制可实现高功率密度。而赝电容器通过氧化还原反应来储存能量。Faradaic提供卓越的电化学性能，但缺乏快速充电时间。另一个缺点是，赝电容器会随着时间的推移而退化，原因有很多，从施加的温度或高电压开始。为了弥合这一差距，研究人员构建了混合电容器。混合电容器的存储机制涉及法拉第和非法拉第反应，这意味着插层/脱嵌发生在阳极，吸附/解吸发生在阴极。因此，可以通过混合超级电容器实现所需的能量密度和功率密度。方案1中显示了三种不同的机制。
方案1.纳米多孔材料的示意图、与孔结构相关的关键因素及其在不同反应机理下的电化学性质发生在超级电容器中。
图3、利用 PCNF/MOF 制备不对称超级电容器。
2.3. Ragone Plot
如前所述，超级电容器具有高功率密度，而电池具有高能量密度。因此，储能系统中的功率/能量权衡需要一个表示图。Ragone 图显示了基于比功率（单位为W kg-1）的比能量（单位为Wh kg-1）。换句话说，拉贡图显示了获得的能量与系统运行功率的关系。该图的右上角是储能领域研究人员关注的重点。(162-165）在该图中，显示了各种复合材料作为超级电容器的大量实例。图中的参考文献及其组成见表 5。MOF 衍生复合材料的分层多孔结构对能量和功率密度产生了影响，并向图中右上方移动。因此，较高的比表面积和优化分布的孔隙率会带来更好的电化学性能。虽然电解质的选择、电解质溶解离子的能力以及温度等操作条件等其他因素可能会影响能量和功率密度，但电极孔隙率的优化可确保离子的高效传输。
图4.文献中各种复合材料的 Ragone 图。
为了更好地利用纳米多孔结构作为超级电容器电极，需要解决以下难题。首先，如何设定电极的孔隙率，以达到高比表面积，同时将运行过程中的损耗降至最低。当孔隙率过高时，充放电循环过程中发生的结构变化会导致相分离。因此，对于不同类型的纳米多孔材料，了解最佳孔隙率至关重要，先进的计算机模拟可能会在未来揭示更多信息。其次，构建低迂回度的多孔结构非常困难。要开发出离子传输路径最短的多孔结构，就必须改进合成方法，在提供低迂回结构的同时保持其在高速性能下的稳定性。因此，采用高精度表征方法的系统实验将揭示这一复杂性。此外，纳米多孔材料与电解质之间的相互作用会影响腐蚀、离子插层和界面反应等因素。因此，专注于超级电容器内的单个组件对于在达到高能量密度的同时保留已优化的方面非常重要。事实上，开发新材料和调整孔隙率可显著提高能量密度，而电解质的选择则会影响超级电容器的功率密度。另一个主要障碍是从实验室规模的研究过渡到商业规模的生产，特别是基于 MOF 的材料，其合成方法复杂且成本高昂。此外，纳米多孔超级电容器与电池的结合可能会产生混合系统，这就为我们开辟了新的思路。为了明确验证多孔结构与增强电化学性能之间的协同关系，探索新合成方法、制造工艺和表征技术的发展策略至关重要。
超级电容器具有高功率密度、低温性能和极短的充电时间，是储能领域的重要元素之一。鉴于该技术的快速发展，电极材料在储能行业中扮演着重要角色。在电极材料方面，孔隙率对超级电容器的电化学性能起着至关重要的作用。因此，全面了解超级电容器中的纳米多孔结构对获得更好的性能至关重要。本综述详细总结了基于纳米多孔材料制造电极的超级电容器的最新进展，包括具有高电化学性能的碳、金属氧化物、MOF 衍生材料和混合复合材料。具体而言，讨论了与孔隙结构有关的几个关键因素，包括孔隙率、迂回度和表面体积比。随后，解释了每个纳米多孔组的电化学特性，这些特性会导致不同的电导率、稳定性和离子扩散率。此外，还系统地总结了各纳米多孔组与同类研究的实质性结果。在这种情况下，纳米多孔碳材料和金属材料各有优缺点，但它们的组合（纳米多孔混合体）由于具有互补性，因此效果更好。此外，具有大表面体积比、分层孔隙率和可调结构的金属有机框架也是很好的候选材料，特别是在用作模板时。最后，还提供了一张拉贡曲线图，展示了获得的能量与系统运行功率的关系。该图阐明了优化电极孔隙率和高效离子传输的效果。总体而言，纳米多孔材料作为电极可以加速离子扩散。此外，分层纳米孔可以提供高表面积、更多的电极-电解质相互作用位点以及更高的能量密度。尽管取得了重大进展，但仍需对电极设计进行更多改进，才能生产出具有高能量和功率密度的超级电容器。
文献：
https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.4c03905
