超级电容器是介于传统电容器和电池之间的一种新型储能器件,具有功率密度大、充电速度快、循环寿命长、对环境污染小等优点,鉴于其诸多优点,超级电容器可广泛应用于电动汽车、航空航天、国防科技、信息交通、军事工业等多个领域。然而电极材料的能量密度、功率密度、循环寿命等决定着超级电容器性能的最关键因素,因此提高电极材料的性能是制造高质量超级电容器的核心。本文针对超级电容器的结构设计、电极材料制备和电化学性能分析以及电极材料的力学稳定性等方面进行了研究,主要研究结果和创新点如下：(1)本文在分析超级电容器结构原理的基础上,设计了一种层叠式结构的超级电容器,并以该超级电容器核心电极材料为对象,提出了采用磁控溅射法在镍泡沫上溅射沉积石墨烯的新工艺方法,分别进行了石墨烯/镍泡沫、石墨烯/四氧化三钴/镍泡沫和石墨烯/氢氧化镍/镍泡沫三种电极材料的制备工艺及性能研究。(2)采用磁控溅射工艺在镍泡沫(Ni Foam,简称NF)集流体上溅射石墨烯薄膜,制备得到三维石墨烯/镍泡沫(Dimensional Graphene/Ni Foam,简称3D-G/NF)复合电极材料。研究了不同溅射温度和溅射时间等工艺参数对3D-G/NF电极材料的结构、微观形貌和电化学性能的影响规律。研究结果表明：①射频磁控溅射方法在NF上制备3D-G/NF复合电极材料是一种新的工艺探索,它无需添加任何导电剂、聚合物粘合剂,可直接在NF上制备得到3D-G/NF复合电极材料,相对于传统化学法,制备工艺简单,石墨烯与镍泡沫之间附着力较好；且它相对于传统CVD方法,制备温度低,对基底材料结构没有要求。②在600℃下溅射40min时,得到了性能优异的3D-G/NF复合电极材料,当电流密度为1.0mA/cm2时,所制电极材料的比电容量达到2.45F/cm2,显示了高比容量、良好的倍率性能及循环稳定性的特性。(3)通过水热和煅烧法制得四氧化三钴／镍泡沫i Foam,简称Co3O4/NF)材料,并以Co3O4/NF复合电极材料为基底,进一步采用射频磁控溅射法制得石墨烯／四氧化三钴／镍泡沫(Graphene/Co3O4/Ni Foam,简称G/Co3O4/NF)复合电极材料。研究表明：①生长在镍泡沫上Co304的形貌受反应时间的影响,进而影响其电化学性能,反应10h得到的Co3O4/NF复合电极材料,其C0304为纤维状阵列结构,具有优异的比电容(在电流密度为1.0mA/cm2下,比电容0.45F/cm2)和良好的电化学稳定性(在电流密度为1.0mA/cm2下,经过1000次循环试验后比电容量保持95.6%)。②沉积石墨烯得到的G/Co3O4/NF,比Co3O4/NF复合电极材料性能更优异,在电流密度为1.0mA/cm2,该材料的比电容量为0.67 F/cm2,相对于Co3O4/NF,比电容量提高了近49%。(4)采用水热法及磁控溅射法制备氢氧化镍/镍泡沫(Ni(OH)2/NF)和石墨烯/氢氧化镍/镍泡沫(G/Ni(OH)2/NF)复合电极材料,研究了水热反应时间和磁控溅射石墨烯对其微观结构和电化学性能的影响规律。研究表明：①当水热温度为180℃,水热时间为24h时,在电流密度为1.OmA/cm2下,Ni(OH)2/NF比电容达到1.2F/cm2,并且该材料还具有较好的循环稳定性。②磁控溅射沉积石墨烯后,形成的G/Ni(OH)2/N F复合电极材料的性能大大提高,将石墨烯溅射沉积到水热反应时间为8h的Ni(OH)2/NF的前驱体上,所得到的(/Ni(OH)2/NF8h具有良好的比电容性能和循环寿命,它相对于Ni(OH)2/NF8h复合电极材料,比电容提高了16倍,进一步说明在传统电极材料上沉积石墨烯,可有效提高电极材料的电化学存储性能。(5)以复合材料的层合板理论和有限元模态分析理论为研究基础,探索研究了石墨烯薄膜/镍泡沫(G/NF)复合电极材料的力学稳定性。对不同厚度石墨烯薄膜的G/NF复合电极材料的应力、应变和位移及模态进行了有限元分析。研究表明：①在石墨烯薄膜厚度为100nm电极复合材料上施加0.1N的力载荷,其应力达到171MPa,远大于薄膜的附着力。因此理论分析说明要保证石墨烯薄膜电极材料不受破坏,施加的外力应小于0.03N。②三种不同厚度石墨烯薄膜的G/NF复合电极材料具有很高的固有频率,并且薄膜的厚度对电极材料的固有频率影响很小。