MnO₂作为一种优秀的超级电容器电极材料,其研究经久不衰,主要原因是理论比容量高、廉价、安全、以及酸碱度中性的水系环境等优势。但是目前对于MnO₂在水系环境中的储能机理研究尚不透彻,主要是缺乏从电化学动力学角度出发的系统性研究。这种对于动力学研究的匮乏,导致了实验中提高其性能的局限性以及实验设计上的盲目性,其具体体现主要为:基于MnO₂的储能器件的循环稳定不好;MnO₂的原子经济性（即MnO₂的使用率）没有得到很好的发挥。因此,明确MnO₂的储能机理,洞悉MnO₂在储能过程中的电化学动力学过程,探究电解质离子参与电化学反应过程中对其微观结构、电子态信息的影响等至关重要的因素,这些对于合理地设计结构,配制恰当的电解质溶液,从而实现为从原理上提升其电化学性能的提高提供重要的理论基础和实验依据。本论文在上述的一些重要问题上,首先通过设计实验对MnO₂电极材料的储能机制进行了系统的研究。基于电化学动力学的指导,详细探究了MnO₂电极材料在中性的水系Na⁺电解液中的结构、形貌、成分与其电化学性能的变化关系。通过研究Na⁺分布和锰元素化学价态的变化,构建了结构重构模型来解释不同电化学阶段MnO₂微观变化的原因,即MnO₂的形态的转变是一个典型的基于Mn²⁺的溶解再沉积的过程,该过程主要受电解液中处于电极和电解质界面附近阳离子的影响。基于对MnO₂电极材料电化学反应动力学探究及优化思路,本论文主要开展了以下四部分研究:（1）基于对MnO₂基超级电容器电极电化学动力学的探究和认识,提出电化学活化的概念,实验中通过改变电化学活化过程中放电电流密度来实现MnO₂形貌结构以及Na⁺的预嵌入含量的调控和优化。研究发现,经过电化学活化处理的MnO₂电极,比电容最高可达～404 F/g,其中嵌入式赝电容在总电容中占比为18%。系统研究揭示这种优异的电化学性能主要归功于电化学活化产生的超薄MnO₂纳米片及其片层中均匀分布的预嵌入的Na⁺离子,这些特性改善了电化学循环过程中受表面和扩散控制的电荷存储动力学过程,从而实现了其比容量性能的提高。（2）通过对电极表面电荷分布的优化,解决了离子嵌入过程中MnO₂电极材料表面电荷分布对电解质离子进一步嵌入的阻力问题,实现了电解质离子在MnO₂中嵌入的有效增强。我们通过引入一种双极性电解质4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基（HTEMPO）,HTMPO在MnO₂电极附近得到电子变为负离子,与Mn²⁺结合而形成中性基团,从而有效降低了Mn²⁺对后续电解质离子Na⁺的排斥作用,促进Na⁺的嵌入,最终实现其嵌入式赝电容在总电容贡献中比例（49.6%）的极大提升,获得了很高的比容量（773 F/g）。（3）通过对多电子反应的储能体系的探索,实现了电化学反应过程中电解质离子在MnO₂电极材料中的能量传递效率的巨大提升。Mg²⁺由于带有两个正电荷,使得MnO₂电极材料在电荷存储过程中一次可以转移两个电荷,相比于Na⁺具有更高的电荷传递效率。实验中通过系统研究在不同充放电电位作用下,MnO₂的电极结构和电子态信息的变化规律,MnO₂电极在电压窗口为0-1.2 V获得了最佳的电化学性能和循环稳定性,其最高比电容可达967 F/g,且嵌入式赝电容在总电容贡献中占比高达48.4%。（4）基于MnO₂基超级电容器电化学反应动力学机制与MnO₂本身结构性质的关联研究,对MnO₂结构通过合理的设计和优化,实验上获得了可面向实际应用的高性能MnO₂电极。实验中通过改进的电沉积法获得了大负载量（约为9.14mg/cm²）的MnO₂微小纳米片组成的自支撑电极,该电极结构可以大大缩短电解质离子的扩散路径,增强Na⁺的嵌入和脱出能力。其面积比电容的最高可达1570mF/cm²,其嵌入式赝电容在总电容中占比达到了惊人的80.8%。