Recent Developments in Materials Design for Advanced Supercapacitors

Abstract

This review presents a comprehensive overview of recent advances in supercapacitor electrode materials, with a particular emphasis on the synergistic interactions between electrode materials and electrolytes. Beyond the conventional categorization of materials such as carbon-based materials, conducting polymers, and metal oxides, we focus on emerging nanostructured systems including MXenes, transition metal dichalcogenides (TMDs), black phosphorus, and quantum dots. We highlight how engineering the electrode–electrolyte interface—through the use of ionic liquids, gel-based, and solid-state electrolytes—can enhance device performance by expanding voltage windows, improving cycling stability, and suppressing self-discharge. In addition, we discuss recent insights from density functional theory (DFT) and density of states (DOS) analyses that elucidate charge storage mechanisms at the atomic level. By integrating materials selection, interface engineering, and application-oriented design considerations, this review provides a forward-looking perspective on the development of next-generation supercapacitors for use in flexible electronics, electric vehicles, and sustainable energy systems.

Keywords

advanced supercapacitors / energy-storage materials / hybrid materials / material design / sustainable energy storage solutions

References

[1] D. P. Dubal, N. R. Chodankar, D. H. Kim, P. Gomez-Romero, Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 2065.

[2] Y. Yang, Y. Han, W. Jiang, Y. Zhang, Y. Xu, A. M. Ahmed, Appl. Sci. 2022, 12, 354.

[3] L. L. Zhang, X. S. Zhao, Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 2520.

[4] O. S. Okwundu, C. O. Ugwuoke, A. C. Okaro, Metall. Mater. Eng. 2019, 25, 105.

[5] P. Simon, Y. Gogotsi, Nat. Mater. 2008, 7, 845.

[6] B. Hedau, T. J. Ha, J. Alloys Compd. 2025, 1010, 178134.

[7] M. A. A. M. Abdah, N. H. N. Azman, S. Kulandaivalu, Y. Sulaiman, Mater. Des. 2020, 186, 108199.

[8] H. Ji, X. Zhao, Z. Qiao, J. Jung, Y. Zhu, Y. Lu, L. L. Zhang, A. H. MacDonald, R. S. Ruoff, Nat. Commun. 2014, 5, 3317.

[9] D. P. Chatterjee, A. K. Nandi, J. Mater. Chem. A 2021, 9, 15880.

[10] Z. S. Iro, C. Subramani, S. S. Dash, Int. J. Electrochem. Sci. 2016, 11, 10628.

[11] D. Kopiec, P. S. Wrobel, U. Szeluga, K. Kierzek, J. Power Sources 2024, 604, 234501.

[12] P. Sayyad, S. Park, T. J. Ha, Biotechnol. Adv. 2024, 70, 108297.

[13] S. Zhang, N. Pan, Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1401401.

[14] Y. Wang, H. Huang, Y. Fang, H. Pan, Z. Shen, Y. Wang, X. Li, Chem. Eng. J. 2022, 445, 136796.

[15] B. Chen, D. Wu, T. Wang, Q. Liu, D. Jia, Chem. Eng. J. 2024, 486, 150353.

[16] Y. A. Haj, A. B. Soliman, J. Vapaavuori, M. Elbahri, Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2313117.

[17] Y. Ma, L. Zhang, Z. Yan, B. Cheng, J. Yu, T. Liu, Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2103820.

[18] G. Chen, F. Han, H. Ma, P. Li, Z. Zhou, P. Wang, X. Li, G. Meng, B. Wei, Nano-Micro Lett. 2024, 16, 235.

[19] N. B. Mohamed, M. F. El-Kady, R. B. Kaner, Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2203101.

[20] Q. Yang, P. Yang, Y. Yu, H. Chen, J. Ren, C. Huang, J. Xie, ECS Adv. 2023, 2, 21003.

[21] W. Lu, B. B. Xie, C. Yang, C. Tian, L. Yan, J. Ning, S. Li, Y. Zhong, Y. Hu, Small 2023, 19, 2302629.

[22] S. P. Lee, G. A. M. Ali, H. H. Hegazy, H. N. Lim, K. F. Chong, Energy Fuel 2021, 35, 4559.

[23] W. Jian, W. Zhang, X. Wei, B. Wu, W. Liang, Y. Wu, J. Yin, K. Lu, Y. Chen, H. N. Alshareef, X. Qiu, Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2209914.

[24] H. Guo, M. Qiao, J. Yan, L. Jiang, J. Yu, J. Li, S. Deng, L. Qu, Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2213514.

[25] H. B. Lee, G. K. Veerasubramani, K. S. Lee, H. Lee, T. H. Han, Carbon 2022, 198, 252.

[26] C. Li, X. Li, G. Liu, W. Yu, Z. Yang, L. Wang, C. Wang, Q. Yang, R. Xiao, F. Huang, H. Tian, C. Wang, X. Chen, J. Shao, Small 2023, 19, 2301533.

[27] L. Wang, H. Yao, F. Chi, J. Yan, H. Cheng, Y. Li, L. Jiang, L. Qu, ACS Nano 2022, 16, 12813.

[28] J. Zhan, Z. Lei, Y. Zhang, Chem 2022, 8, 947.

[29] Z. Abbas, N. Hussain, S. M. Mobin, J. Mater. Chem. A 2024, 12, 20170.

[30] A. Borenstein, O. Hanna, R. Attias, S. Luski, T. Brousse, D. Aurbach, J. Mater. Chem. A 2017, 5, 12653.

[31] M. A. Deshmukh, S. J. Park, H. N. Thorat, G. A. Bodkhe, A. Ramanavicius, S. Ramanavicius, M. D. Shirsat, T. J. Ha, J. Ind. Eng. Chem. 2023, 119, 90.

[32] B. Asbani, G. Buvat, J. Freixas, M. Huvé, D. Troadec, P. Roussel, T. Brousse, C. Lethien, Energy Storage Mater. 2021, 42, 259.

[33] O. Karatum, E. Yildiz, H. N. Kaleli, A. Sahin, B. Ulgut, S. Nizamoglu, Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2109365.

[34] Q. Li, M. Liu, F. Huang, X. Zuo, X. Wei, S. Li, H. Zhang, Chem. Eng. J. 2022, 437, 135494.

[35] M. R. Thalji, G. A. M. Ali, J. J. Shim, K. F. Chong, Chem. Eng. J. 2023, 473, 145341.

[36] K. A. Sammed, A. Kumar, A. Farid, W. Zhang, A. R. Akbar, M. Ali, S. Ajmal, G. Yasin, N. Ullah, L. Pan, W. Zhao, Chem. Eng. J. 2024, 486, 150388.

[37] F. Zeng, X. Song, J. Liang, X. Zhang, X. Sha, X. Wu, H. Zhou, Z. Liu, W. Wu, C. Jiang, J. Mater. Chem. A 2022, 10, 25148.

[38] J. Yashraj, T. G. Senthamaraikannan, D. H. Lim, K. Kim, Small 2025, 21, 2407608.

[39] N. Butt, K. T. Kubra, G. Ali, A. Butt, A. Shahid, U. Hayder, F. Iqbal, A. Salman, J. Alloys Compd. 2025, 1013, 178549.

[40] A. Kanwade, P. M. Shirage, J. Energy Storage 2022, 55, 105692.

[41] S. R. Park, S. J. Park, J. Kim, T. J. Ha, Appl. Surf. Sci. 2024, 674, 160929.

[42] O. J. Kewate, S. Punniyakoti, J. Energy Storage 2023, 72, 108501.

[43] N. K. Chaudhari, H. Jin, B. Kim, D. S. Baek, S. H. Joo, K. Lee, J. Mater. Chem. A 2017, 5, 24564.

[44] X. Li, Z. Huang, C. E. Shuck, G. Liang, Y. Gogotsi, C. Zhi, Nat. Rev. Chem. 2022, 6, 389.

[45] M. Han, C. E. Shuck, R. Rakhmanov, D. Parchment, B. Anasori, C. M. Koo, G. Friedman, Y. Gogotsi, ACS Nano 2020, 14, 5008.

[46] M. Alhabeb, K. Maleski, B. Anasori, P. Lelyukh, L. Clark, S. Sin, Y. Gogotsi, Chem. Mater. 2017, 29, 7633.

[47] S. Patra, N. U. Kiran, P. Mane, B. Chakraborty, L. Besra, S. Chatterjee, S. Chatterjee, Surf. Interfaces 2023, 39, 102969.

[48] X. Zhao, D. E. Holta, Z. Tan, J. H. Oh, I. J. Echols, M. Anas, H. Cao, J. L. Lutkenhaus, M. Radovic, M. J. Green, ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 10578.

[49] H. Zhang, K. Dasbiswas, N. B. Ludwig, G. Han, B. Lee, S. Vaikuntanathan, D. V. Talapin, Nature 2017, 542, 328.

[50] T. Zhang, L. Chang, X. Zhang, H. Wan, N. Liu, L. Zhou, X. Xiao, Nat. Commun. 2022, 13, 6731.

[51] Z. Pan, L. Kang, T. Li, M. Waqar, J. Yang, Q. Gu, X. Liu, Z. Kou, Z. Wang, L. Zheng, J. Wang, ACS Nano 2021, 15, 12975.

[52] S. Pu, Z. Wang, Y. Xie, J. Fan, Z. Xu, Y. Wang, H. He, X. Zhang, W. Yang, H. Zhang, Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2208715.

[53] Z. Xia, H. Dai, J. Chang, J. Yang, H. Wang, Y. Wang, Z. Hui, R. Wang, G. Sun, Small 2023, 19, 2304687.

[54] J. Yan, C. E. Ren, K. Maleski, C. B. Hatter, B. Anasori, P. Urbankowski, A. Sarycheva, Y. Gogotsi, Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1701264.

[55] M. Q. Zhao, C. E. Ren, Z. Ling, M. R. Lukatskaya, C. Zhang, K. L. V. Aken, M. W. Barsoum, Y. Gogotsi, Adv. Mater. 2015, 27, 339.

[56] M. H. Kim, S. J. Park, T. J. Ha, Energy Environ. Mater. 2024, 7, e12675.

[57] X. Yang, Y. Tian, S. Li, Y. P. Wu, Q. Zhang, D. S. Li, S. Zhang, J. Mater. Chem. A 2022, 10, 12225.

[58] J. Li, S. Xu, Y. Li, L. Wan, G. Wei, T. Jiang, Z. Li, Y. Yang, Nano Energy 2023, 115, 108754.

[59] L. Děkanovský, J. Azadmanjiri, M. Havlík, P. Bhupender, J. Šturala, V. Mazánek, A. Michalcová, L. Zeng, E. Olsson, B. Khezri, Z. Sofer, Small Methods 2023, 7, 2201329.

[60] K. A. S. Usman, J. Zhang, S. Qin, Y. Yao, P. A. Lynch, P. Mota-Santiago, M. Naebe, L. C. Henderson, D. Hegh, J. M. Razal, J. Mater. Chem. A 2022, 10, 4770.

[61] W. Fan, Q. Wang, K. Rong, Y. Shi, W. Peng, H. Li, Z. Guo, B. B. Xu, H. Hou, H. Algadi, S. Ge, Nano-Micro Lett. 2024, 16, 36.

[62] J. Zhang, S. Uzun, S. Seyedin, P. A. Lynch, B. Akuzum, Z. Wang, S. Qin, M. Alhabeb, C. E. Shuck, W. Lei, E. C. Kumbur, W. Yang, X. Wang, G. Dion, J. M. Razal, Y. Gogotsi, ACS Cent. Sci. 2020, 6, 254.

[63] P. N. K. Siddu, S. M. Jeong, C. S. Rout, Energy Adv. 2024, 3, 341.

[64] S. Wei, X. Lai, G. M. Kale, ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 33560.

[65] E. Yang, S. Hong, J. Ma, S. J. Park, D. K. Lee, T. Das, T. J. Ha, J. Y. Kwak, J. Chang, ACS Nano 2024, 18, 22965.

[66] X. Li, H. Zhu, J. Mater. 2015, 1, 33.

[67] A. Bagheri, S. Bellani, H. Beydaghi, M. Eredia, L. Najafi, G. Bianca, M. I. Zappia, M. Safarpour, M. Najafi, E. Mantero, Z. Sofer, G. Hou, V. Pellegrini, X. Feng, F. Bonaccorso, ACS Nano 2022, 16, 16426.

[68] P. A. Shinde, N. R. Chodankar, H. J. Kim, M. A. Abdelkareem, A. A. Ghaferi, Y. K. Han, A. G. Olabi, K. Ariga, ACS Energy Lett. 2023, 8, 4474.

[69] P. Bhol, P. B. Jagdale, A. H. Jadhav, M. Saxena, A. K. Samal, ChemSusChem 2024, 17, e202301009.

[70] R. Ramachandran, Y. Wang, S. Chandrasekaran, M. Li, A. Luo, Z. X. Xu, F. Wang, Appl. Mater. Today 2022, 29, 101578.

[71] B. Wang, R. Hu, J. Zhang, Z. Huang, H. Qiao, L. Gong, X. Qi, J. Am. Ceram. Soc. 2020, 103, 1088.

[72] Z. Zhang, W. Liu, W. Zhao, H. Xue, Z. Chen, D. Wang, J. Ji, J. Chem. Eng. 2024, 479, 147551.

[73] L. Wang, S. Zhao, X. Zhang, Y. Xu, Y. An, C. Li, S. Yi, C. Liu, K. Wang, X. Sun, H. Zhang, Y. Ma, Small 2024, 20, 2403078.

[74] L. Liu, H. Li, S. Jiang, Q. Zhao, T. Jiang, J. Power Sources 2024, 606, 234560.

[75] M. Ali, A. M. Afzal, M. W. Iqbal, S. Mumtaz, M. Imran, F. Ashraf, A. U. Rehman, F. Muhammad, Int. J. Energy Res. 2022, 46, 22336.

[76] A. Kumar, D. W. Chang, Polymers 2023, 15, 947.

[77] Y. Zhang, Q. Jiang, P. Lang, N. Yuan, J. Tang, J. Alloys Compd. 2021, 850, 156580.

[78] X. Xin, Y. Xu, H. Wuliji, F. Sun, Q. Liu, Z. Wang, T. Wei, X. Zhao, X. Song, L. Gao, ACS Nano 2023, 17, 657.

[79] Y. Liu, X. Chen, B. Mao, Y. Ying, L. Li, W. Shi, J. Mater. Sci. Technol. 2024, 191, 80.

[80] J. Ge, J. Meng, L. Zhang, J. Qin, G. Yang, Y. Wu, H. Zhu, Y. Huang, E. Debroye, H. Dong, J. Ren, P. He, J. Hofkens, F. Lai, T. Liu, Small 2024, 20, 2312019.

[81] M. Pathak, P. Mane, B. Chakraborty, J. S. Cho, S. M. Jeong, C. S. Rout, Small 2024, 20, 2310120.

[82] K. Namsheer, S. Kapse, M. Manoj, R. Thapa, C. S. Rout, Sustain. Energy Fuels 2022, 6, 4285.

[83] X. Yang, J. Mao, H. Niu, Q. Wang, K. Zhu, K. Ye, G. Wang, D. Cao, J. Yan, Chem. Eng. J. 2021, 406, 126713.

[84] A. A. Kulkarni, N. K. Gaikwad, T. S. Bhat, J. Electroanal. Chem. 2023, 942, 117543.

[85] W. Shao, Z. Wu, Y. Liu, G. Tai, Chem. Eng. J. 2024, 500, 157258.

[86] S. Wang, B. C. Kang, S. J. Park, T. J. Ha, L. K. Jagadamma, J. Phys. Mater. 2023, 6, 24004.

[87] B. Hedau, S. J. Park, B. C. Kang, T. J. Ha, Carbon 2024, 216, 118527.

[88] N. Salah, M. Shehab, J. E. Nady, S. Ebrahim, E. M. El-Maghraby, A. H. Sakr, Electrochim. Acta 2023, 449, 142174.

[89] Q. Yang, Z. Li, B. Xu, Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2300149.

[90] T. Kar, M. Casales-Díaz, J. J. Ramos-Hernández, O. Sotelo-Mazón, J. Henao, S. V. Rodríguez, S. Godavarthi, S. Liu, Y. Yamauchi, M. K. Kesarla, J. Colloid Interface Sci. 2022, 622, 147.

[91] W. Xu, A. Zhao, H. He, Z. H. Liu, Small 2024, 20, 2306562.

[92] J. Xu, H. Guo, Y. Hao, J. Tian, Y. Liu, H. Ren, W. Yang, J. Mater. Chem. C 2023, 11, 15624.

[93] H. Zhou, Y. Sun, H. Yang, Y. Tang, Y. Lu, Z. Zhou, S. Cao, S. Zhang, S. Chen, Y. Zhang, H. Pang, Adv. Sci. 2023, 10, 2303636.

[94] Y. Yuan, L. Jiang, X. Li, P. Zuo, X. Zhang, Y. Lian, Y. Ma, M. Liang, Y. Zhao, L. Qu, Adv. Mater. 2022, 34, 2110013.

[95] Y. Li, G. Shi, C. Xu, Y. Zhang, B. Liu, P. Huo, J. Power Sources 2024, 619, 235200.

RIGHTS & PERMISSIONS

2025 The Author(s). Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.