研究背景
为应对全球气候变化、推动可持续发展，各国正积极制定“碳中和”目标，驱动能源体系向可再生能源主导转型。然而，风电、光伏等新能源发电的间歇性、波动性对电网稳定与能源高效利用构成严峻挑战，使得储能技术成为实现可再生能源大规模应用的关键支撑。在众多储能技术中，超级电容器以其卓越的功率密度、快速充放电能力和超长循环寿命脱颖而出，成为提升可再生能源存储与利用效率的重要解决方案。尽管其能量密度目前仍低于锂离子、钠离子和锌离子等电池体系，但超级电容器在功率输出、响应速度及循环稳定性方面具有显著优势，尤其适用于高功率、瞬时响应的应用场景。随着“电容-电池混合”技术趋势的发展，各类储能设备性能界限逐渐模糊，超级电容器在跨场景应用中的潜力日益凸显。近年来，相关研究与市场快速发展，但其能量密度提升、自放电控制及内部衰减机制等问题仍是当前瓶颈。为此，深入理解超级电容器电极-电解质界面的动态演化机制尤为重要。
文章信息
该文章发表于期刊Coordin. Chem. Rev.（影响因子：23.5），题为“Supercapacitor dynamics: Mechanisms, architectures, and advanced in-situ characterizations for next-generation energy storage”。
图文解读
该综述围绕超级电容器的发展脉络展开系统分析，首先厘清了超级电容器的三大基本电荷存储机制。其中，双电层电容器储能机制依赖电极-电解质界面双电层的形成实现电荷存储；赝电容器储能机制通过电极表面或近表面的快速法拉第氧化还原反应存储电荷；混合电容器储能机制则融合前两种机制的优势，兼顾功率密度与能量密度需求。三种机制的明确划分，为后续材料设计与性能优化提供了理论基础。
图1 超级电容器的性能、结构、出版情况和市场发展。
图2 超级电容器器件及核心成分（电极、电解质和隔膜）的历史发展重要节点。
为揭示超级电容器运行过程中的动态界面行为，综述重点阐述了先进原位电化学表征技术的应用价值，具体包括：原位X射线技术（包括原位XRD、XPS、XAS、SAXS）、原位光学技术（包括原位Raman光谱、IR光谱、UV-Vis光谱）、原位电学与磁学分析技术（包括EIS、EPR、NMR）、原位重力分析技术（包括EQCM、DEMS、PEMS）、原位显微分析技术（包括TEM、AFM）以及原位中子散射技术（主要为SANS）。以上电化学原位表征技术构成了多维度表征体系，能够在超级电容器操作条件下实时捕捉关键物理化学过程。这些微观层面的关键认知，为高性能电极材料与电解质体系的理性设计提供了直接实验依据，有效推动了超级电容器核心组件性能的突破。
图3 不同电容器系统的储能机制及影响因素。
本综述系统对比了多种表征技术的原位与非原位方法的优缺点；归纳了近年来在原位表征技术方面的重大进展，列出了不同电极材料、所使用的原位技术、超级电容器类型及关键研究发现；此外，总结了各类原位表征技术适用的材料类型、测试内容及面临的技术挑战，为技术选择提供了指导。
图4 先进的超级电容器原位表征技术。
表1 超级电容器的非原位和原位表征技术的优劣势及特点。
总结与展望
本综述系统梳理了超级电容器的储能机制与核心组件，并重点阐述了如何通过六大类原位表征技术（包括X射线、光学、电磁、重力、形态及中子技术）革命性地深化我们对动态过程的理解。这些技术如同精密的“观察窗口”，能够分别从结构、化学、物理等维度，实时捕捉从离子吸附、界面演化到相变反应的复杂行为，从而在微观和纳米尺度上揭示了电荷补偿、离子输运、反应机制等关键过程。通过对这些先进原位方法的集成性综述，本工作为突破超级电容器的性能瓶颈提供了全面的机理洞察与坚实的方法学支撑，填补了现有综述在系统性和前沿性上的空白。
在总结现有研究进展的基础上，综述明确了超级电容器原位表征领域面临的七大关键挑战。其一为空间与时间分辨率的固有局限，难以同时实现原子尺度空间分辨与毫秒级时间响应；其二是可视化能力不足，对低浓度中间体或弱相互作用物种的检测灵敏度有限；其三为多模态技术整合难题，不同表征技术的实验条件差异导致数据难以有效关联；其四是缺乏统一的测试标准化体系，样品制备、电化学参数设定方式的不一致性影响研究结果的可比性；其五为不利环境因素干扰，极端温度、湿度或腐蚀性电解质会降低表征准确性；其六是高通量测试与数据分析需求迫切，海量多维数据的处理效率难以匹配实验进展；其七为原位表征技术的产业化适配困难，实验室尺度的表征方法难以直接应用于工业级超级电容器的性能评估。
针对上述挑战，综述提出了未来发展方向。第一，推进操作型多技术整合，通过设计兼容不同表征原理的原位测试平台，实现多维度数据的同步获取与关联分析；第二，强化机器学习辅助的数据分析，利用物理知情机器学习模型解决多模态数据冲突问题，提升数据解析的效率与准确性；第三，发展可持续材料工程，结合原位表征技术优化生物质基碳材料、可降解电解质等绿色体系的性能，推动超级电容器向环境友好型方向发展。这些方向的实施，将助力超级电容器逐步迈向效率更高、稳定性更强且可规模化应用的下一代储能系统。
文章链接
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ccr.2025.217268
作者简介
万才超，男，博士，中南林业科技大学材料与能源学院教授、博士生导师，国家万人计划青年拔尖人才、国际VEBLEO学会会士、中国科协青年托举工程入选者、国家林草创新青年拔尖人才、湖南省湖湘青年英才、中国科协“科创中国”平台入库专家。2010年至2014年就读于东北林业大学材料科学与工程学院，获木材科学与技术专业学士学位；2014年至2018年于该校同专业攻读博士学位。2018年6月任中南林业科技大学讲师，2019年1月任副教授，2022年9月晋升教授。主要从事生物质基功能材料、木材功能性改良及木竹基微纳结构调控研究。以第一作者/通讯作者在Advanced Energy Materials, Coordination Chemistry Reviews, Advanced Functional Materials, Advanced Science和ACS Nano等期刊发表SCI论文60余篇，其中8篇获封面论文推荐；主编科学出版社专著2部，获授权国际专利1件、国家发明专利4件。主持国家自然科学基金青年项目等课题，获梁希林业科技奖自然科学一等奖、国际先进材料学会 Advanced Materials Award 奖。担任《Frontiers in Materials》等 SCI 期刊编委及《Journal of Leather Science and Engineering》编委。
吴义强院士于中南林业科技大学先后获得木材机械加工专业学士学位与木材科学与技术专业硕士学位，随后赴日本爱媛大学深造，成功取得博士学位。他入选首批“国家万人计划”中青年科技创新领军人才，被聘为“长江学者”特聘教授，同时担任国务院学位委员会林业工程学科评议组成员。长期以来，他致力于木材、竹材及秸秆资源高效利用与人造板绿色低碳制造领域的研究工作。理论层面，他提出了“木材细胞瞬时皱缩及最大瞬时皱缩理论”与“木质材料阻燃抑烟功能叠加耦合理论”。技术与装备突破方面，他攻克了人造板绿色低碳制造、防火防水功能化及秸秆资源物化利用等重大技术难题，并在相关装备领域实现创新性突破。学术成果方面，他以第一作者或通讯作者身份在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Advanced Science和ACS Nano等SCI索引期刊发表论文300余篇，撰写中英文专著8部；主持国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金重大及重点项目、湖南省重大科技项目等科研项目20余项。截至2021年12月，作为第一完成人，他荣获国家科技进步二等奖2项、省部级科技进步一等奖6项，获得授权国际及国家发明专利65项。
