多环芳烃（PAHs）因其卓越的氧化还原特性、多样化的分子结构以及经济性，已成为未来金属离子电池开发的重要候选材料。本综述系统探讨了PAHs作为锂离子、钠离子、铝离子及双离子电池正负极材料的最新研究进展，重点阐述了其高比容量、长循环稳定性与环境友好性等优异电化学特性。该综述还深入探讨了基于多环芳烃试剂的创新预金属化策略，通过缓解不可逆离子损失和提升初始库仑效率来增强电池性能。此外，文章讨论了机器学习与高通量筛选在优化多环芳烃基材料中的整合应用，为未来设计原则提供了新见解。尽管取得重大进展，但氧化还原活性低、溶解性等问题仍然存在，需要进一步研究以释放多环芳烃在储能技术中的全部潜力。本综述为推进多环芳烃基电池系统走向实际应用提供了发展路线图。

图文摘要

引言

多环芳烃（PAHs）是一类具有独特电子、光学和结构特性的有机化合物，这使其在从有机电子学到材料科学等广泛领域中具有重要应用价值[1][2][3][4]。由于其自组装能力和作为碳纳米结构分子前体的作用，大量研究致力于PAHs的合成与功能化[5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16]。对这些化合物的研究兴趣依然浓厚，近期综述既涵盖了其化学基础特性[17]，又涉及包括现代电化学方法在内的新型合成途径[18][19]，即为明证。
多环芳烃(PAHs)具有独特的物理化学性质，使其适用于能量存储领域。其扩展的ππ共轭体系可促进可逆电子转移和离子嵌入。最低未占分子轨道(LUMO)与最高占据分子轨道(HOMO)的能级决定了其氧化还原行为——低LUMO能级有利于还原反应(负极应用)，而低HOMO能级则利于氧化反应(正极应用)。从电子亲和能到与金属离子的结合能等基本性质，在所有电池组件中均得到实际应用。基于这些特性，过去十年间，多环芳烃（PAHs）在电化学储能技术中的应用研究呈现稳定增长趋势，特别是在金属离子电池领域[20][21]。早期研究主要集中于将PAHs作为负极预金属化组分，用以补偿不可逆离子损失并提升初始库伦效率[22]。与此同时，针对PAHs作为有机阴极材料在创新电池设计（如双离子电池）中的潜在应用研究也已展开，其在该类体系中展现出卓越的电化学性能[23]。
这一不断增长的研究努力背后是显著的市场趋势支撑。预计未来十年间，全球对锂离子电池的需求将呈现大幅增长。据预测，需求量将从2022年的约700吉瓦时攀升至2030年的4.7太瓦时左右[24]。其中绝大部分需求将来自交通运输领域，特别是电动汽车用电池，预计2030年该领域需求量将达到约4300吉瓦时。锂离子电池需求激增已导致金属锂成本大幅攀升。因此，开发采用更廉价金属阳离子作为移动离子的电池体系，以及研制具有更高重量能量密度或体积能量密度的新型电池技术变得至关重要[25][26]。
尽管该领域已取得显著进展，现有综述往往聚焦于这一广阔领域的孤立方面。例如，Su和Chang[22]的综述详尽探讨了多环芳烃（PAHs）在预锂化与预钠化工艺中的应用，但未涉及其作为独立电极材料的作用。Hu及其合作者[23]的工作专注于双离子电池有机正极材料，其中PAHs仅是被考虑的众多化合物类别之一。Stępień等学者[3]的基础性综述虽作为杂环PAHs化学的 exhaustive 指南，但其主要关注点在于合成方法学而非电化学应用。Wang团队[18]的综述则描述了PAH合成的现代电化学方法，这是功能性材料制备前的重要技术环节。
因此，迄今为止尚未有单一、全面的综述能够整合多环芳烃（PAHs）作为金属离子电池所有关键组件（阳极、阴极和预金属化剂）活性材料的最新研究进展。本工作旨在填补这一空白。与既往综述不同，我们提出了将PAHs作为构建高性能和环境可持续能源存储系统多功能平台的整体视角。我们不仅系统梳理了PAHs在锂离子、钠离子、铝离子及双离子电池中作用的最新研究数据，还深入分析了包括预金属化在内的性能提升创新策略。此外，本综述首次在单一文献中探讨了机器学习方法与高通量筛选技术在加速新型PAH基材料设计与优化中的整合应用。通过深入分析当前面临的挑战（如氧化还原活性不足与溶解性问题），我们提出了旨在充分释放多环芳烃（PAHs）在下一代储能技术中潜力的未来研究路线图（见图1）。

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