石油化工高等学校学报, 2025, 38(1): 1-10 DOI: 10.12422/j.issn.1006-396X.2025.01.001

本期推荐

金属单原子在钠离子电容器中的应用进展

张文武,1,2, 张熊,2, 李晨2, 孙现众2, 王凯2, 马向东1

1.中国矿业大学（北京） 机械与电气工程学院，北京 100083

2.中国科学院 电工研究所，北京 100190

Recent Progress of Application of Single-Atom Metals in Sodium-Ion Capacitors

Wenwu ZHANG,1,2, Xiong ZHANG,2, Chen LI2, Xianzhong SUN2, Kai WANG2, Xiangdong MA1

1.School of Mechanical Electronic & Information Engineering，China University of Mining and Technology-Beijing，Beijing 100083，China

2.Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China

通讯作者: 张熊（1981-），男，博士，研究员，博士生导师，从事超级电容器、锂离子电容器等方面的研究；E-mail：zhangxiong@mail.iee.ac.cn。

本文编辑: 喻育红

收稿日期: 2024-10-29   修回日期: 2024-11-11  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  52377218

Received: 2024-10-29   Revised: 2024-11-11  

作者简介 About authors

张文武（1998-），男，硕士研究生，从事锂离子电容器负极材料方面的研究；E-mail：zww198125@foxmail.com。

摘要

钠离子电容器是一种兼具钠离子电池和双电层电容器特点的新型储能器件。然而，钠离子电容器正负极动力学不匹配会导致其功率密度低、循环稳定性差。自单原子催化剂概念出现以来，由于其具备强大的催化活性、高原子效率、高选择性和稳定性，因此在储能器件领域受到广泛关注。首先，阐述了钠离子电容器电极材料所面临的挑战，分析了钠离子电容器的储能机制；其次，介绍了单原子催化剂的特性和碳载金属单原子材料的制备方法；然后，总结了金属单原子材料在钠离子电容器中的应用进展；最后，对金属单原子在钠离子电容器中的应用前景进行了展望。

关键词： 钠离子电容器 ; 单原子催化剂 ; 金属单原子 ; 合成方法

Abstract

Sodium-ion capacitors represent a novel class of energy storage device that integrates the respective advantages of sodium-ion batteries and electric double-layer capacitors. Nevertheless, the mismatch between the positive and negative electrode kinetics of sodium ion capacitors can lead to their low power density and poor cycling stability. Since the advent of single-atom catalysis, single-atom metals have garnered substantial attention in energy storage research due to their high atomic efficiency, exceptional catalytic activity, superior selectivity, and remarkable stability.Firstly, the challenges faced by electrode materials for sodium ion capacitors were elaborated, and the energy storage mechanism of sodium ion capacitors was analyzed. Secondly, the characteristics of single atom catalysts and the preparation methods of carbon supported metal single atom materials were introduced. Then, the application progress of metal monatomic materials in sodium ion capacitors was summarized. Finally, the application prospects of metal single atoms in sodium ion capacitors were discussed.

Keywords： Sodium-ion capacitors ; Single-atom catalysis ; Single-atom metal ; Synthesis method

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本文引用格式

张文武, 张熊, 李晨, 孙现众, 王凯, 马向东. 金属单原子在钠离子电容器中的应用进展. 石油化工高等学校学报[J], 2025, 38(1): 1-10 DOI:10.12422/j.issn.1006-396X.2025.01.001

Wenwu ZHANG, Xiong ZHANG, Chen LI, Xianzhong SUN, Kai WANG, Xiangdong MA. Recent Progress of Application of Single-Atom Metals in Sodium-Ion Capacitors. Journal of Petrochemical Universities[J], 2025, 38(1): 1-10 DOI:10.12422/j.issn.1006-396X.2025.01.001

近年来，传统的化石能源已不能满足国民经济建设快速发展的需求[1]。为实现绿色清洁能源的稳定供应及大规模存储与转化，高效、稳定、经济的储能器件成为研究人员关注的焦点[2]。二次电池和双电层电容器是目前备受关注的储能器件。其中，锂离子电池已成为市场主流储能器件。然而，由于锂离子在固体电极材料中的扩散系数较小，锂离子电池的功率密度往往较低[3]。同时，锂离子的嵌入/脱出会改变材料的结构和体积，从而导致其循环寿命较差，且在高温环境下容易发生热失控[4-5]。双电层电容器虽具有极高的功率密度和数以万次的循环寿命，但受制于双电层结构，其能量密度远不及二次电池。同时，工作电压较低、自放电率高等问题也限制了其在储能领域的大规模应用[6]。钠离子电容器通常由具有高能量密度的电池型负极和具有高功率密度的电容型正极组合而成，兼具二次电池高能量密度和双电层电容器高功率密度的优势，可显著拓宽工作电压窗口和延长循环寿命。近年来，作为新一代储能器件，钠离子电容器引起了广泛关注[7-8]。然而，目前仍有一些关键问题制约钠离子电容器的发展。在电极/电解质界面，基于离子吸附/解吸机制的电容性正极具有高可逆性，反应过程中表现出快速的吸脱附反应动力学，而电池型负极则基于动力学缓慢的法拉第反应，导致正负极之间动力学过程不匹配，限制了钠离子电容器能量密度和功率密度的提高。近年来，单原子催化剂由于其以孤立的单个金属原子负载于载体表面，可最大限度地利用金属原子的特性，在储能领域引起了人们的极大兴趣。相关研究和计算数据表明，单原子催化剂在促进电极表面氧化还原反应、提升碳材料表面活性、降低离子扩散能垒、促进电子转移、提高伪电容、提升能量密度等方面具有重要贡献。本文主要介绍了钠离子电容器的储能机制、单原子催化剂的特性及碳载单原子催化剂的合成方法，并对金属单原子在钠离子电容器中的应用进行了综述，对其未来的发展进行了展望。

1 钠离子电容器

与钠离子电池类似，钠离子电容器主要由正极、负极、隔膜、集流体和含有对应金属离子盐的电解液组成。为了使其兼具高能量密度、高功率密度和长循环性能的特性，正极一般采用高比表面积的多孔碳材料，负极采用具有快速离子/电子传输速率的钠离子电池负极材料[9-10]。钠离子电容器存在双电层电容和法拉第赝电容两种机制。双电层电容机制类似于传统的双电层电容器，当器件充电时，电解液中的阴阳离子分别迁移到正负极表面，形成稳定的双电层结构。该双电层结构具有较大的比表面积，可通过电荷的静电吸附储存大量电荷，能量主要储存在电极与电解液界面形成的双电层中。法拉第赝电容机制通过法拉第反应，即电极材料与金属离子之间快速、可逆的电化学反应完成。这种反应发生在一些过渡金属氧化物或导电聚合物中，通过在电极材料中发生可逆的氧化还原反应来储存电荷[11]。图1为钠离子电容器的工作原理图[12]。由图1可以看出钠离子电容器的充放电过程：当器件充电时，在外加电压的作用下，钠离子迁移到负极材料内，发生相应的氧化还原反应，与此同时，电解液中的阴离子被吸附到正极表面，外电路中则有等物质的量的电子从正极流向负极；当器件放电时，钠离子从负极脱出，伴随着阴离子的脱附，外电路中的电子从负极流向正极以维持电荷平衡。相较于双电层电容器，钠离子电容器通过钠离子在负极的嵌入/脱出获得较高的能量密度；相较于金属离子电池，钠离子电容器可以通过阴离子在正极的吸附/脱附获得较高的功率密度、较长的循环寿命和较高的安全性能[13-14]。

图1

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图1   钠离子电容器的工作原理图[12]

Fig.1   Working principle illustration of sodium-ion capacitors[12]


相较于目前主流的锂离子储能器件，钠离子电容器在成本效益（材料丰富）、环境影响（降低材料开采和生产对环境的影响）、安全性（热稳定性和耐温性）、可扩展性（从小型设备到大型储能系统的广泛可用性）方面具有明显的优势[15]。然而，由于钠离子半径比锂离子大，钠离子电容器的能量密度和循环寿命相较于锂离子储能器件仍有差距。由于钠离子电容器的研究起步较晚，相关技术体系与电极材料的发展也不及锂离子储能器件成熟。自Z.CHEN等[16]报告首例钠离子电容器以来，金属单质[17]、过渡金属氧化物[18]、硫化物[19]等一系列钠离子电容器电极材料都得到了深入研究，极大地促进了钠离子电容器的发展。尽管如此，电容型正极与电池型负极之间容量及动力学不匹配仍限制了钠离子电容器的实际应用。因此，如何通过合理的电极材料设计催化电极表面氧化还原反应，从而促进离子迁移、提高负极材料导电率、优化正极材料容量，已成为推动钠离子电容器进入规模化应用的关键。

2 单原子催化剂

催化剂在电极材料中扮演着至关重要的角色，直接影响电化学反应的速度和效率。负载型金属催化剂因具有优良的催化性能，如高活性、高选择性，广泛应用于工业催化反应中[20-21]。负载型催化剂的催化性能与载体上的金属活性组分的尺寸密切相关[22]。当粒子分散度达到单原子尺度时会产生不同于纳米催化和亚纳米催化的新特性，如表面自由能急剧增大、量子尺寸效应、配位环境不饱和及金属-载体的相互作用等，由此赋予单原子催化剂优异的催化活性、选择性和稳定性[23-24]。

2.1 单原子催化剂的发展

20世纪60-70年代，随着表面化学和催化研究的进展，研究人员逐渐认识到在许多催化反应中只有少数表面活性位点（通常是孤立的原子或少量原子簇）起关键作用[25-27]。2011年，B.T.QIAO等[28]通过共沉淀法将孤立的单个Pt原子固定在氧化铁纳米晶体表面，成功制备了Pt1/FeO x 催化剂。这一实验首次验证了单个金属原子可以作为催化活性位点，并显著提升了原子利用率和催化性能，同时正式提出了“单原子催化”概念。2012年，G.KYRIAKOU等[29]发现，Cu表面单个Pd原子可以大大降低氢在Cu表面吸附和解吸的能垒，从而使苯乙烯和乙炔的加氢反应具有非常高的选择性。2015年，H.YAN等[30]利用原子层沉积技术在石墨烯上制备了原子分散的Pd。结果表明，在1,3-丁二烯的选择性氢化反应中，单原子Pd1/石墨烯催化剂在50 ℃左右的温和的反应条件下，表现出约100%的丁烯选择性和95%的转化率。在随后的几年里，科学家们使用更常见的过渡金属（如Fe和Co）制备了一系列单原子催化剂。2016年，P.Q.YIN等[31]通过热解预先设计的双金属Zn/Co金属-有机骨架，使Co被有机连接剂炭化还原成单原子催化剂，所获得的

Co-N x 单位点表现出优越的氧还原反应性能，同时在电化学催化中表现出优异的化学稳定性和热稳定性。2018年，R.JIANG等[32]制备了一系列具有Fe-N-C纳米结构的材料，通过实验和理论计算证实，单位点与碳基质间的优化使氧还原反应活性更强，稳定性更好，原子利用效率更高，降低了整体氧还原反应的势垒。2019年，X.Y.QIU等[33]采用模板辅助法，以酞菁铁(FePc)为前驱体，合成了锚定在石墨烯空心纳米球(Fe ISAs/GHSs)上的分离Fe单原子复合材料。结果表明，原子级分散的Fe活性位点和高度稳定的空心衬底相结合，使Fe ISAs/GHSs具有出色的氧还原反应性能、增强的活性和长期稳定性，其性能优于先进的商用Pt/C催化剂。

2.2 碳负载单原子催化剂的制备方法

碳负载单原子催化剂通常由碳框架和金属掺杂剂组成，碳纳米材料本身由碳原子之间的强共价键形成，具有尺寸可控、比表面积大、导电性好、孔隙率可控、缺陷丰富、稳定性好等物理化学性质[34-35]。此外，分散良好的单个金属原子与碳衬底之间潜在的强金属支撑作用，不仅可以限制金属原子的聚集，还可以调整活性催化位点的几何结构和电子构型。中心原子的不同配位构型对特定电化学反应的催化活性及催化剂设计具有重要影响[36-38]。碳负载单原子催化剂在能源储存与转换领域潜能巨大。然而，由于其结构和成分的多样性和复杂性，在碳负载单原子催化剂中精确定位原子排列并确定催化活性机理具有挑战性。当金属的尺寸达到单原子尺度时，金属粒子具有高迁移率，表面自由能急剧增加，在制备和参与反应时极易发生团聚耦合，并形成大的团簇，导致催化剂失活[39]。因此，制定完善合理的合成策略以合成具有高稳定性和高密度的高分散单原子，是实现大规模稳定生产的关键所在。目前较为常见的单原子催化剂的制备方法主要有热解法、原子层沉积法、湿化学合成法、球磨法等。

2.2.1　热解法

热解法由于操作简单、金属负载量较高和扩展性良好，已被广泛应用于在受控气氛的保护下对选定前驱体进行高温热解以制备碳负载单原子催化剂[40]。在高温条件下，原子热运动加剧，单原子容易相互靠近并形成团簇，因此前驱体的选择与设计至关重要。前驱体包括聚合物、金属有机框架和其他含有金属的有机化合物。其中，聚合物是应用最广泛的前驱体。H.T.CHUNG等[41]以苯乙烯和聚苯胺为双氮前驱体，合成了具有类似石墨烯形态的Fe-N-C杂化结构。结果表明，苯乙烯作为前驱体不仅可以增强氮掺杂，而且在热解过程中产生的大量气体可以促进基底成孔。除了聚合物外，金属有机框架及其衍生材料因具有可控的金属位点、丰富的有机配体和有序可调节的孔隙结构，也常被用于热解制备碳基底的前驱体[42]。金属有机框架由均匀分布的金属节点和有机连接体组成，因此可以通过预先设计的金属有机框架结构，将目标金属节点引入框架中，从而避免金属原子在高温热解过程中团聚形成纳米颗粒。L.JIAO等[43]在预先设计的卟啉型金属有机框架(Fe x -PCN-222)中，采用含/不含FeⅢ中心的四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)配体，延长FeⅢ在三维金属有机框架网络中的空间距离，有效抑制了铁原子在热解过程中的团聚。作为一种热驱动的化学反应，热解法反应条件难以精确控制，这可能会导致产物的形貌、大小、表面分散性等特性不均一。对于一些精细结构要求较高的材料，热解法往往难以满足生产需求。

2.2.2　原子层沉积法

原子层沉积法通过精确控制化学反应，在基底表面逐层沉积材料，可实现薄膜原子级别的生长，一旦基底表面所有官能团被占据，反应就会自发结束。此外，通过设计原子层沉积循环可以控制金属原子的负载量和团簇大小，具有良好的可控性[44]。在早期研究中，S.SUN等[45]通过原子层沉积技术，将孤立的Pt单原子固定在石墨烯纳米片上，并通过调整循环次数精准控制了催化剂的形貌、尺寸、密度和负载量。H.YAN等[46]通过将还原氧化石墨烯在150 ℃的温度下交替暴露于CoCp2前驱体和O3环境中，不仅消除了前驱体中不需要的有机配体，同时产生了用于锚定下一批Co原子的环氧官能团。此外，他们还通过控制原子层沉积循环次数精确调整了Co单原子的负载量。通过STEM-ADF图像可知，即便在Co质量分数为2.0%和2.5%的高负载量下也没有产生团簇。然而，受制于其高成本和有限的扩展性，原子层沉积法难以大范围应用于催化剂的商业化中。

2.2.3　湿化学合成法

湿化学合成法包括浸渍法[47-49]、共沉淀法[50-51]、静电吸附法[52-54]等。这些方法因操作简单、成本低、有良好的量产潜力而被广泛使用，是目前商业化生产负载型金属催化剂的首选方法。一般来说，湿化学合成法包括三个步骤：金属前驱体吸附、煅烧和活化。传统的湿化学合成法是通过化学反应将已经含有单原子金属的前驱体材料锚定在支架上。为了保证金属原子在表面上的分散，需要很强的金属-载体相互作用。因此，优化前驱体和基底至关重要。两种最常用的吸附金属前驱体策略是通过碳基材料中的杂原子(如N、O和S)进行配位的策略，以及通过设计结构复杂且高度缺陷的碳底物进行原子限制的策略[55-56]。后续处理，如干燥、煅烧、还原、活化等，用于去除不需要的或有毒的配体，增强孤立金属原子和载体之间的相互作用或激活催化剂。Q.QIN等[57]利用配位策略，通过模板辅助法制备了N掺杂多孔碳（NDPCs），然后将其与氯金酸溶液混合，并在还原气氛中进行热处理，使Au原子负载在碳基底上。这种策略确保了Au原子的均匀分布，并避免了颗粒团聚。与未掺杂基底相比，Au原子的负载量和分散性得到显著提高。X射线光电子能谱（XPS）结果显示，AuSAs-NDPCs中N原子的电子密度显著降低，表明Au原子和N原子之间存在强相互作用。湿化学合成法通常反应过程较为复杂，制备周期较长，同时制备过程中会产生大量的废液和副产物，这对在大规模生产中如何避免环境污染提出了挑战。

2.2.4　球磨法

球磨法通过球体的运动打破并重构材料或分子的化学键，使单个金属原子嵌入碳基底表面，该方法广泛应用于合成碳负载单原子催化剂中[58]。球磨法通常无需或仅需少量溶剂，且无需外部能量供给，因此操作流程简单，并可避免因高温烧结导致的原子团聚。在高能机械球磨过程中，金属离子被分离到原子尺度，并嵌入到基底表面的缺陷位点中，形成均匀分散的单原子催化剂[59]。H.Y.JIN等[60]对氯铂酸钾（K₂PtCl₄）和氮掺杂碳（NC）载体进行球磨，再将Pt原子均匀嵌入到氮掺杂碳载体的缺陷位点中，使之形成稳定的Pt-N₂C₂活性位点，成功合成了Pt单原子催化剂（K₂PtCl₄@NC-M）。结果表明，这种结构具有接近于零的氢吸附能，有助于提升析氢反应的催化活性，具有优异的电催化性能，以较低的过电位（11 mV）实现优异的析氢反应活性，其质量活性比质量分数为20%的商业Pt/C高17倍；球磨法在不破坏NC结构的基础上成功地将单原子Pt嵌入其中；球磨可强化NC支架与K2PtCl4的相互作用，从而使K2PtCl4@NC-M中的Pt2+被NaBH4快速原位还原，促进单原子Pt的生成；未经球磨的NC支架与K2PtCl4之间的连接较弱，在还原过程中Pt2+倾向于聚集，形成丰富的Pt团簇。目前，球磨法已被成功应用于多种金属单原子催化剂的合成中，包括铁、锰、钴、镍和铜等单原子催化剂[61]。但是，球磨法耗时较长，通常需要数小时甚至几天，因此在效率方面存在一定的局限性。

3 金属单原子在钠离子电容器中的应用

近几年来，金属单原子在钠离子电池[62]、超级电容器[63-64]、锂离子电容器[53,65]、钾离子电容器[66-67]中的应用得到了广泛研究。相关研究证实，金属单原子可以纳入碳电极，因此可以催化一些表面氧化还原反应，提升碳材料的反应活性，降低离子的扩散能垒，促进电子的转移，提高赝电容，从而为钠离子电容器带来更高的能量密度[68-70]。为了调整金属位点的电子结构以获得优异的电化学性能，目前已开发了多种有效策略，如改变金属类型、优化金属配位、引入相邻杂原子掺杂/缺陷等。

X.HU等[71]采用“一锅法”策略，将醋酸锰、三聚氰胺和聚四氟乙烯（PTFE）均匀混合后，在氩气气氛中煅烧，制备了Mn单原子植入N、F的共掺杂超薄多孔碳纳米片（MnSAs/NF-CNs）。在制备过程中，三聚氰胺和PTFE不仅可作为氮源和氟源，还可形成多孔纳米片以隔离Mn原子。图2为MnSAs/NF-CNs的制备示意图[71]。组装的MnSAs/NF-CNs//MnSAs/NF-CNs在功率密度为100 W/kg时能量密度最大可达197 W·h/kg，而在功率密度为9 350 W/kg时能量密度为89 W·h/kg（以上数值是基于正负极电极材料的质量计算的，下同）。这一性能优于NF-C//NF-C钠离子电容器，甚至超过了一些具有代表性的锂离子电容器。MnSAs/NF-CNs//MnSAs/NF-CNs在电流密度为1 A/g下进行10 000次循环后，容量保持率为85.2%。此外，X.HU等[71]基于系统的机制分析和密度泛函理论计算，将MnSAs/NF-CNs的非凡储钠特性归因于其独特的结构和组件优点：高表面Mn-N4负载不仅可以丰富结构缺陷和电化学活性部位，而且可以提高电导率，加快电子/Na+的快速传输和存储速率；层间间隔增大有利于促进离子的插取和提高耐受体积变化的能力；单原子Mn能够显著增强电解液的亲和力并缩短电子/离子传输路径。

图2

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图2   MnSAs/NF-CNs的制备示意图[71]

Fig.2   Schematic illustration for preparation of MnSAs/NF-CNs[71]


L.LIU等[72]提出一种分子设计策略，合成了具有不对称Zn-N3S配位的高密度锌单原子，并将其嵌入N/S共掺杂的碳材料Zn-N3S-NSC中。该策略的关键在于，通过锌催化三硫氰尿酸分子，缩合生成S掺杂的g-C3N4，在煅烧过程中g-C3N4可以原位与锌源配位形成Zn-N3S基团。图3为Zn-N3S-NSC的合成工艺示意图。由于Zn-N3S基团高度暴露，Zn-N3S-NSC展现出超高的反应活性、有效的电子传递以及较低的离子扩散能垒，从而使Zn-N3S-NSC//AC 钠离子电容器具有215 W·h/kg的能量密度和15 625 W/kg的功率密度。此外，软包电容器在循环4 000次后仍具有279 mA·h/g的高比容量。

图3

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图3   Zn-N3S-NSC的合成工艺示意图[72]

Fig.3   Schematic of the synthesis process of Zn-N3S-NSC[72]


B.LIU等[73]采用非晶调控策略，通过精确的自聚合和退火处理，成功地将非晶Nb-O/N团簇嵌入到N掺杂碳壳中（Nb-O/N@C）。图4为Nb-O/N@C的制备工艺流程[73]。与传统的晶体材料不同，非晶团簇具有丰富的缺陷和离子传输通道。此外，非晶结构相比晶体结构更具柔韧性，能够在离子嵌入/脱出过程中有效缓解体积膨胀和结构应力。这种特性有助于延长电极的循环寿命。密度泛函理论计算结果显示，非对称Nb-O3/N1配位结构通过调节电荷密度、降低离子扩散能垒，可极大地提升反应动力学性能。Nb-O/N@C电极材料具有出色的钠离子存储性能，在电流密度为10 A/g下循环8 000次后仍保持240 mA·h/g的可逆容量。组装的Nb-O/N@C//AC SIC实现了230 W·h/kg的能量密度和4 001 W/kg的功率密度，超过了大多数基于金属氧化物/氮化物及非晶材料的电极。

图4

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图4   Nb-O/N@C的制备工艺流程[73]

Fig.4   Preparation process flow of Nb-O/N@C[73]


综上可知，目前湿化学合成法是较为主流的金属单原子电极材料的制备方法。该方法通过将金属单原子与杂原子形成配位（M-N x ）的策略，可有效地解决制备过程中金属单原子团聚问题，进一步提高金属原子的利用率，在优化电荷结构、降低离子扩散能垒、提高离子快速反应动力学方面具有重要作用。同时，改变金属类型、引入相邻杂原子掺杂等策略也可有效地增加材料缺陷空位，促进钠离子嵌入/脱出，获得优异的电化学性能。表1为金属单原子在钠离子电容器中的应用数据。

表1   金属单原子在钠离子电容器中的应用数据

Table 1  The application data of single-atom metals in sodium-ion capacitors

负极材料正极材料

电压

窗口/V

最高能量密度/（W·h·kg―1）@功率密度/（W·kg―1）最高功率密度/（W·kg―1）@能量密度/（W·h·kg―1）

电流密度/（A·g―1）

@循环次数

容量保持率/%参考文献
MnSAs/NF-CNsMnSAs/NF-CNs0.01~4.00197.00@100.009 350.0@89.001.0@10 00085.20[71]
Zn-N3S-NSCAC0.01~3.80215.00@391.0015 625.0@91.001.0@1 00095.00[72]
Nb-O/N@CAC0.01~4.00431.70@199.204 001.5@230.101.0 @5 00080.00[73]
CrN4SAs/NPCNa3V2(PO4)2F3@C0.01~4.30200.85@-1 133.0@127.500.5@30085.40[74]
Sn-Fe2O3@CNTMnO2@CNT0.01~1.60---85.27[75]

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4 结论及展望

钠离子电容器作为新一代的储能器件，因其同时具有金属离子电池的高能量密度和双电层电容器的高功率密度的优势而备受关注。然而，其正负极动力学失配问题亟待解决。金属单原子因拥有最大化的原子利用效率、超高的催化活性与选择性、优异的稳定性引起广泛关注。本文通过综述近年来单原子催化剂的发展以及用于储能的碳载金属单原子的制备方法，分析了金属单原子在钠离子电容器中的应用，归纳总结了常见的碳载金属单原子的制备方法、金属单原子在钠离子电容器中的作用、目前常见的单原子稳定策略。结果表明，通过构建合理的金属-杂原子配位将金属单原子引入钠离子电容器，可以有效地促进负极材料的离子动力学，降低扩散能垒，增强材料导电性，有效缓解离子嵌入/脱出过程中引起的结构变形，提高循环稳定性。然而，如何解决制备过程中金属原子团聚问题、提高金属负载量，通过绿色、安全、经济、高效的方法规模化制备单原子电极材料仍面临挑战。

在研究金属单原子电极材料的过程中，应主要解决以下几方面的问题。

1）热解法、湿化学合成法是制备金属单原子材料的有效方法，但制备过程相对繁琐且易导致金属单原子发生团聚。如何调整原子配位策略、优化制备工艺是目前的研究热点。

2）原子层沉积法与球磨法都被证实为制备碳载金属单原子电极材料的有效方法。原子层沉积法虽精密高效但成本高，球磨法虽简单经济但效率低。如何通过合理的合成策略弥补各自的不足是二者能否实现规模化制备的关键。

3）相关研究已证实单原子金属的引入可有效解决钠离子电容器正负极动力学失配问题，但相关的理论机制尚不明确，仍需通过相关表征手段与理论计算进一步研究。随着研究的进一步深入，金属单原子在钠离子电容器等电化学储能领域将会占据更重要的地位。

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