混合电容器，也称为不对称电化学电容器，它们旨在将超级电容器的高功率密度的优势和可充电电池的高能量密度特点集成到一个设备中。锌离子混合电容器是锌离子电池和超级电容器之间的权衡，因为其内在的低成本和优越的安全性成为了理想的储能装备选择之一。然而，目前还存在着一些问题阻碍着锌离子混合电容器的发展，比如，由于锌负极的使用，在连续的充放电循环过程中会不可避免地产生锌枝晶，这严重限制了锌离子混合电容器的循环寿命。水系电解液的使用虽然提高了器件的安全性，但水系电解质的冻结通常会导致离子传导的急剧损失，严重阻碍了锌离子混合电容器在低温条件下的应用，并且由于使用这些电解质，锌离子混合电容器的电压窗口被限制在0-1.8V的范围内，这无疑限制了其能量密度。

本文亮点

1.介绍了锌离子混合电容器的历史和优点。

2.介绍了可用作锌离子电容器正极材料的不同维度的碳材料的最新研究进展，讨论了碳材料结构与其电容性能的关系。

3.首次总结了用于锌离子混合电容器的集流体和隔膜的研究成果。

内容简介

锌离子混合电容器(Zincionhybridcapacitors,ZIHCs)集成了超级电容器的高功率和锌离子电池的高能量的特性，是未来电化学储能应用中有前途的候选者。碳基材料因其成本效益、高电子导电性、化学惰性、可控的表面状态和可调孔结构而被广泛用作ZIHCs的正极材料。近年来，为进一步提高ZIHCs的能量密度和循环稳定性，人们进行了大量的研究工作。通过对碳基材料进行合理改性和优化为应对这些挑战提供了解决方案。近日，东北林业大学吴小亮教授广东工业大学张文礼教授等人就目前锌离子混合超级电容器碳基电极材料、机理、集流体和隔膜进行了分析和概括，重点讨论了不同维度碳基正极材料的结构设计和电化学性能之间的关系。此外，文章还阐述了与ZIHCs兼容的集流体和隔膜的研究进展，并且展望未来ZIHCs发展存在的机遇和挑战，希望推动碳基正极材料优化的创新和新型的ZIHCs的开发。

图文导读

1.不同维度结构的碳材料的电荷存储机理

在各种正极材料中，碳材料在ZIHCs中研究和应用最为广泛。结合电化学理论和电极表面反应产物的相变分析，关于碳正极电荷存储机理的讨论成果丰硕。通常，碳材料通过阴离子和阳离子在不同电位下的共吸附机制的协同作用和可逆吸附/解吸来储存电荷。阳离子和阴离子的可逆双离子吸附发生在不同的电位范围内，阳离子(Zn2?,H?)吸附/解吸是低电位下的主要过程，伴随着Zn?SO?(OH)?·5H?O的形成/溶解(4Zn2?+6OH?+SO?2?+5H?O?Zn?SO?(OH)?·5H?O↓)，Zn?SO?(OH)?·5H?O的生成可以提高碳材料Zn2?的存储容量。在高电位下，阴离子(SO?2?)吸附/解吸是主要过程。

图1.近年来锌离子混合电容器领域的突破。

图2.碳材料在不同充放电状态下在ZnSO?电解液中的电荷储存机理。

2.不同维度碳材料

从维度角度看，碳材料可被分为以碳球为代表的零维(0D)碳材料；一维(1D)碳材料，如碳纳米管和碳纤维；二维(2D)碳材料，如石墨烯和碳纳米片以及三维(3D)碳材料如3D多孔碳、3D石墨烯和分级多孔碳。

图3.用于ZIHCs的不同维度碳基正极材料概述。

2.10D碳材料

0D碳纳米材料是指在所有三个维度上都处于纳米级的物质，尺寸在1到nm之间。这里的0D碳纳米材料的形貌是指碳纳米粒子。它们具有纳米尺寸小、球形结构独特、粒径分布可控等特点，可以加速电荷传递速率。碳球是ZIHCs领域中探索最多的0D碳材料。粒径均匀的碳球具有导电性好、孔隙率可调、粒径分布可控等明显优势。因此，这些碳球在用作ZIHCs的电极材料方面表现出巨大的实用价值。根据其结构特征，碳球可分为中空碳球，蛋黄壳结构碳球，核壳结构碳球等。现阶段，中空碳球被广泛用作ZIHCs的正极。其中空结构可以加速传质，有利于电解质离子的扩散，缓解碳材料在反复充放电过程中的体积膨胀。

中空碳球的合成策略多种多样，SiO?硬模板法是常规的合成方法。具体来说，先在SiO?球上涂覆一层碳前驱体，然后在退火后将前驱体转化为碳，最后通过氢氟酸(HF)或氢氧化钠(NaOH)蚀刻除去SiO?。间苯二酚-甲醛(RF)是最近报道的文献中具有代表性的碳前体。

除直接用作电极材料外，中空碳球还可以用作涂层，以调节Zn负极表面上枝晶/突起成核位点的分布，这开辟了一种调节锌沉积的通用方法。目前更值得

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