随着现代社会绿色经济的倡导,可再生清洁能源的开发成为未来能源发展的趋势。然而像太阳能,风能等可再生清洁能源受地域,气候等因素影响具有间歇性,不稳定等特点,需要大规模储能系统来稳定其能源的输出。其中全钒液流电池由于灵活的结构设计,低廉的成本,较长的循环寿命和环境友好等优势而被广泛应用。而作为氧化还原反应的场所,电极材料由于较差的电催化活性和离子扩散动力极大地制约了全钒液流电池的倍率性能和循环寿命的发挥。基于此研究背景,本论文从分子结构设计的角度出发,构建一系列多级复合结构,提升电极的电催化活性,并优化了复合电极中的电子和离子混合输运行为,实现高倍率性能和长循环稳定的全钒液流电池运行。基于上述的研究目的,本论文首先以聚乙烯醇为前驱体,硼酸钾为交联剂,通过室温聚合反应和高温碳化过程在石墨纤维表面形成高电化学活性的碳片。采用循环伏安和交流阻抗测试对电极反应过程进行分析,结果显示复合电极具有较高的反应可逆性,较低的极化作用和较小的电荷转移阻抗。在250 mA cm^-2的电流密度下,相比于原始石墨纤维电极,改性后的电极组装成电池的能量效率提高5.2%,且在350 mA cm^-2的电流密度下可以保持5.4 Ah L^-1的放电比容量,反之原始石墨纤维电极的最高电流密度仅为250 mA cm^-2,表明倍率性能得到一定的提升。在此研究基础上,本论文在以吡咯为线性聚合物单体,植酸为交联剂,通过低温聚合,水热反应和高温碳化过程在石墨纤维表面包覆二维导电网络,有效地提高电极与电解液的接触面积,增加了反应位点数量,形成的多层网络有利于电极表的离子的扩散和电子的传导,同时多元素的掺杂能够提高电荷转移效率。充放电性能结果显示,改性后的电极在400 mA cm^-2的大电流密度下仍然保持5.0 Ah L^-1的放电容量,表现出优异的倍率性能。在250 mA cm^-2的电流密度下,电池的过电位降低了44.8%,且电池稳定运行200次循环,能量效率表现出良好的稳定性。最后,本论文采用氧化石墨烯为二维平面骨架,植酸为交联剂,通过水热脱水反应,真空冷冻干燥和高温碳化等过程在石墨纤维间构筑三维电子-离子混合输运网络。三维导电网络有利于电极中电荷均匀的分布和较快的离子输运,电化学表征结果表示出较低的电荷转移阻抗,高的电极反应可逆性,较快的电子传导能力和离子扩散动力。在350 mA cm^-2的电流密度下,改性后的电极组装成电池的放电比容量仍然可以达到10.1 Ah L^-1,且在200 mA cm^-2的电流密度下,电池能够在稳定运行1000次循环后没有出现明显的能量效率衰退,显示出优异的倍率性能和超长循环稳定性。