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一、锌离子超级电容器的挑战与策略
锌离子超级电容器，这东西用锌金属做阳极，成本低、安全性高，还能存不少电，本来挺好的，可问题也不少。
好多实验都得用厚厚的锌箔，为啥呢？因为在充放电的时候，锌会消耗，得用厚锌箔补一补。但这就导致了一个大问题，负极和正极的容量比（n/p）严重失衡，整个电池的能量就被拉低啦。
n/p理想比例是1的时候，电池容量理论上能比n/p为10的时候大三倍呢！所以，想让这电池好用，就得解决n/p失衡的问题。
研究人员想出了两个超厉害的办法：一是减少阳极对过量锌的依赖，二是提高阴极活性炭的容量，这样就能让n/p比例更平衡啦。
二、阳极优化：控制电结晶取向
先来说说阳极这边的创新操作。
之前有一种“最初无阳极”的设计，刚开始电极只有一个集流体，没有那些能参与电化学反应的材料。充电的时候，电解液或者阴极的金属离子会跑到集流体上，形成一层薄薄的金属，这层金属就是后续反应的“主力军”。这种设计能直接调整阳极容量，听起来挺不错吧？但它有个大麻烦，就是锌阳极容易形成枝晶。这枝晶就像小刺一样，会消耗有限的活性锌，还容易造成短路，让电池直接“罢工”。
那怎么解决这个问题呢？
关键就在于让锌的晶粒朝着平面、紧密的方向生长，特别是Zn(002)这个晶面。以前的方法要么用复杂的三维结构，要么用外延层来控制电结晶取向，可这些方法制作起来太麻烦，很难大规模生产。这次研究人员找到了一个超棒的办法，用射频溅射在集流体上镀上铜纳米颗粒（CuNPs）。这个方法可太牛了，镀得又均匀又快，还能通过调整溅射的功率和时间控制CuNPs的大小。
从这张XRD图就能看出来，在光秃秃的铜集流体上，Zn(002)和Zn(100)晶面的峰强度比I(002)/I(100)最小，镀了CuNPs之后，这个比例就变大了，而且CuNPs越小，这个比例越大。这说明CuNPs能引导锌在(002)平面上结晶，减少在(100)和(101)方向上的枝晶生长。从SEM图也能清楚看到，有了CuNPs，锌的生长更紧凑、更平整啦。
而且，CuNPs还能降低锌沉积的过电位，让锌更容易在表面横向生长，形成(002)水平薄片。你看这电压数据，在有CuNPs的阳极上，锌沉积的过电位只有3mV，比光秃秃的铜集流体小太多了。
不仅如此，提高电镀电流密度也能促进Zn(002)晶面的结晶，让I(002)/I(100)比例从15飙升到94。
经过1000次充放电循环后，阳极的可逆性特别好，库仑效率也超高，而没有CuNPs的阳极200次就短路了。有了CuNPs，阳极的循环稳定性大大提高，就能用更少的锌，让n/p比例更合理啦。
三、阴极优化：氯气活化提升容量
再瞧瞧阴极这边。
研究人员选了便宜的活性炭（AC），虽然它反应快，能大电流充放电，还能抑制枝晶生长，但市面上的AC比那些特殊的碳材料容量低不少。为了给AC提升“战斗力”，研究人员想出了一个独特的办法。在15M的ZnCl2电解液里，给阴极加个超过2V的电压，电解液就会分解产生氯气。这氯气就像小工兵一样，在AC电极上“挖洞”，让AC的孔隙变得更多更大。
从SEM图能看到，经过1000次充放电循环后，AC的表面变得好多孔。BET分析也证实了，AC的表面积增加了3.4倍，孔径也变大了。
这样一来，AC的电容大幅提升，从原来的114F±0.15g−1涨到了417F±2.7g−1。在不同电流密度下，阴极的比容量也有很大提高，低电流密度时能达到256±2.7mAhg−1，高电流密度下也有84mAhg−1，而且循环10000次后容量一点没损失，稳定性超棒！
四、锌离子超级电容器的性能表现
经过阳极和阴极的优化，再加上“盐包水”（WIS）电解液，这锌-活性炭（Zn-AC）超级电容器的性能简直绝了！研究人员做了n/p比为4和2.5的超级电容器，想看看材料的利用率咋样。结果发现，n/p比从4调到2.5的时候，整个电池的面积容量增加了2.87倍，等效比容量也提高了，实际测出来的比容量都快接近理论值的70%啦。
虽然降低n/p比会影响一点循环稳定性，但经过50000次充放电循环后，n/p=4的电池容量保持率还有92%，n/p=2.5的也有84%。
相比之下，没有优化集流体的电池10000次循环后容量就只剩35%了。这就看出CuNPs改性的厉害之处啦，它在不同电解液里都能稳定发挥作用，让锌的电镀和剥离更可逆，延长电池寿命。
这个超级电容器的累计容量达到了19.8Ahcm，比很多锌离子电池都强（展示相关对比图表）。虽然单次充放电的比容量比锌离子电池低，但人家循环寿命长呀，总的累计容量就超过了电池，特别适合那些需要频繁充放电的场景，像能量收集系统，能减少换电池的成本。
而且，这个超级电容器能在-60°C到65°C的超宽温度范围内工作。这得归功于WIS电解液，高浓度的ZnCl2减少了氢键，让电解液在低温下也能保持液态，还有足够的离子电导率。研究人员测试了不同浓度的电解液，发现7.5M时离子电导率最高。在-60°C时，超级电容器内阻低，还能达到一定的比能量；温度升高到65°C，比能量更是涨到了208Whkg，适应温度变化的能力超强。
研究人员还做了个大尺寸的超级电容器，电极面积有4cm×5.5cm，电容和容量都很可观，和市面上的产品比起来，体积比容量还高两倍呢！经过1000次充放电循环后，容量保持率高达95.8%，说明它在大面积上的锌电镀和剥离都很均匀，稳定性特别好，以后大规模生产肯定很有潜力。
和其他锌离子超级电容器、电池比起来，这款超级电容器在高功率输出时优势明显，比能量更高，还能促进致密的Zn(002)沉积，防止锌枝晶生成，延长使用寿命。
五、一起来做做题吧
1、关于锌离子超级电容器中阳极的“最初无阳极”设计，以下说法正确的是？
A.该设计初始电极包含大量活性材料
B.能通过调整沉积时间直接改变阳极容量
C.不会出现枝晶生长问题
D.比其他阳极设计更复杂，难以实现
2、在使用铜纳米颗粒（CuNPs）改性阳极集流体的过程中，下列哪种情况会使Zn(002)晶面的电结晶更显著？
A.增大CuNPs的尺寸
B.降低电镀电流密度
C.减小CuNPs的尺寸
D.使用未改性的铜集流体
3、对阴极活性炭进行氯气活化处理时，会产生以下哪种效果？
A.电极的孔隙减小
B.电极的比表面积减小
C.电极的电容增大
D.电极的稳定性变差
4、关于锌-活性炭（Zn-AC）超级电容器的性能，下列说法错误的是？
A.n/p比从4调整到2.5时，面积容量会增加
B.经过50000次充放电循环后，n/p=2.5的电池容量保持率比n/p=4的高
C.累计容量比许多锌离子电池高
D.能在-60°C到65°C的温度范围内工作
5、在锌离子超级电容器的制备过程中，以下关于材料和操作的说法正确的是？
A.阳极集流体使用的是铝箔
B.活性炭电极制备时无需添加溶剂
C.激活AC电极时使用的电解液是1MZnCl2
D.大尺寸超级电容器用钛箔作为集流体
参考文献：
Yao, L., et al. Engineering electro-crystallization orientation and surface activation in wide-temperature zinc ion supercapacitors. Nat Commun 16, 3597 (2025).
