随着便携式电子设备和混合动力汽车的普及,人们对于高能量,大功率能源的需求越发迫切。最近,基于碳材料的超级电容器受到了广泛的关注,因为它们具有高功率密度,高充放电效率,优良的化学稳定性和低成本等特点。目前关于碳电极材料的研究基本上都聚焦在改善电极材料的比表面积以及引入多级次的孔洞结构。然而,由于碳材料本身易聚集从而导致比表面积降低,自身储能机理也以双电层电容为主,从而使其电容存储量很低,因而碳电极材料迟迟难以获得大规模应用。目前,解决低电容问题主要是在传统的双电层储能中进一步引入赝电容储能。此外,从结构设计上考虑制备多维度复合材料（比如零维的纳米中空碳球和一维的纳米管）是改善性能的好方法。基于以上考量,本论文主要研究了中空碳球及其同碳管的复合材料的制备,并探究了系列材料的电化学储能性能,具体内容如下:（1）杂原子掺杂的多孔中空碳球的制备及其在超级电容器中的应用:以聚苯乙烯纳米粒子为核,聚吡咯为壳,通过硬模板法合成聚吡咯@聚苯乙烯核壳粒子并作进一步碳化的处理,最终成功制备了氮、氧掺杂的中空碳球。基于对样品前驱体投料量的调节,并辅以氢氧化钾高温活化,最终得到了三种不同形貌的中空碳球。活化的中空碳球在杂原子含量（29.64%）和比表面积(923 m2 g^-1)上相较于一般的碳材料占据明显优势。重要地是,此中空碳球的电容最高可达535 F g^-1(0.2 A g^-1),并且对于高脉冲电流充放电耐受性好(291 F g^-1,10 A g^-1的电流密度)。同时,这些中空碳球在经历10000次的充放电后其仍具有92%的电容保有量,表明其具备非常优秀的电化学稳定性。（2）杂原子掺杂的管套球（中空碳球@碳管）的制备及其在超级电容器中的应用:基于受限组装的策略,先将二氧化硅纳米粒子在阳极氧化铝孔道中规整组装得到二氧化硅@阳极氧化铝双模板,随后利用气相沉积包覆上聚吡咯,最后碳化并刻蚀掉模板后得到表面多孔的中空碳球@碳管。此种有趣的管套球纳米结构集合了大比表面积,良好的孔隙度和高杂原子含量的优点,协同促进了离子和电子的传输和交换。因此,所制备的中空碳球@碳管在超级电容器中的电容以及导电性均表现优异,且在10000次充放电后几乎没有衰减,优于碳管,中空碳球及其混合物作为电极材料时的电容。（3）表面无孔管套球（中空碳球@碳管）的制备及其作为硫宿主材料在锂硫电池中的应用探索:同上一章区别在于,本章先在阳极氧化铝模板孔道中沉积一层聚吡咯,随后再引入二氧化硅纳米粒子受限组装,辅以吡咯气相沉积及碳化,最终刻蚀得到了表面无孔的中空碳球@碳管。通过热复合法,将硫引入到管内腔中,成功制备了硫@中空碳球@碳管的复合材料。该样品具有78%的高载硫量,并且在0.1 C的电流密度下具有1426 m Ah g^-1的高放电容量。电极也表现出优异的高速循环性能,在0.5 C的电流密度下,50次循环后比容量保持在746 m Ah g^-1左右。