Thanigai Arul Kumaravelu,* Ramana Ramya Jayapalan, Han-Wei Chang, Lionel Vayssieres,* and Chung-Li Dong*, Applied Physics Reviews 2024, 11, 031324
儲能化學：洞悉高性能超級電容器之原子與電子結構
在面對全球能源短缺與環境污染等挑戰下，加上移動裝置的大量應用，開發高效能的電化學儲能系統變得尤為重要。超級電容器因其高功率密度、快速充放電能力和優異的循環穩定性，在能源儲存領域佔有重要地位。然而，要進一步提升超級電容器的性能，需要深入了解其在實際工作條件下的電荷儲存機制、電荷/離子傳輸過程以及界面反應等微觀行為。傳統分析技術在直接觀察這些動態過程方面有顯著的局限性，特別是在實際充放電過程中涉及的電子結構和原子結構變化、界面物理與化學性質的調制等。因此，發展和應用先進的原位量測技術，特別是同步輻射X光光譜，近年已成為研究超級電容器運作機制的關鍵技術。
此綜述論文總結了同步輻射X光吸收光譜(XAS)在多種超級電容器研究中的應用，特別聚焦於原位XAS技術在探討電極材料電子結構和局域原子結構演變中的重要作用。通過多個典型研究案例，闡述了這些技術如何有效地揭示電極材料在充放電過程中的活性元素價態變化、局域配位環境調制、活性位點演化等關鍵科學訊息。尤其，雙層電容(EDLC)和贋電容(pseudocapacitive)儲能機制的本質差異可通過原位XAS技術得到直接證實。結合軟X光和硬X光的原位技術更可以全面解析電極材料的電子態和原子結構之關聯與變化規律，上述種種光譜優勢可為設計新型高性能電極材料提供了重要科學根據。此外，此文還展望了未來發展方向，包括超快時間分辨X光光譜技術和空間化學光譜顯微成像(STXM)等前沿技術應用的可能性，這些技術將為更深入了解電化學儲能過程的物理與化學本質提供新視角，有助下一代高性能超級電容器的研發奠定科學基礎。