未来社会实现由油气时代到可再生能源(太阳能、潮汐、风能等)时代的跨越,需要首先解决可再生能源不连续性以及不稳定性所导致的难以大规模利用的瓶颈。高效的储能器件的研制开发是解决这一瓶颈的关键。超级电容器作为一种新型的功率补偿和储能装置,结合了传统电容器与锂离子电池的优势特点,既具有快速的充放电能力又具有较高的能量储存密度,填补了两种传统技术间的空白,是高效储能器件的重点发展对象之一。本论文旨在设计高性能的非对称超级电容器电极材料,保证材料的容量的同时改善材料的循环性能,倍率性能,使其具有一定的应用价值。本文研究内容主要包括以下几个方面:一,通过采用改进的磷化处理,在Co3O4纳米片表面引入了磷酸根离子,有效提升表面反应活性,增强电化学电容性能。二,设计合成了多种石墨烯基电极材料,如分等级多孔石墨烯、三维多孔石墨烯电极。三,基于磷酸根离子改性氧化钴正极和石墨烯负极组装了非对称超级电容器,并研究其电化学性能。本论文研究了一种磷酸根离子(H2PO4-、PO3-)对四氧化三钴电极材料进行表面改性的方法,通过不同磷酸根离子对Co3O4超薄纳米片电极进行表面改性。提出了改性过程中超薄纳米片表面形貌演化机理以及磷酸根离子加快电极反应动力学的机理。经过引入H2PO4-以及PO3-,Co3O4电极比电容量有七倍的提升,在5 mV/s的扫速下获得了 1716 F/g的比电容量。并且,经过10000圈的充放循环依然有85%以上的电容保持率。表面改性所带来的独特形貌的变化,以及不同磷酸根离子对电极反应的积极作用是Co304电极性能提高的主要原因。综合而言,这种电极表面改性方法为获得基于高效赝电容反应的高性能赝电容超级电容器提供了新的思路。利用水热和冷冻干燥制成的三维石墨烯凝胶具有较好的柔性,这为今后的柔性器件提供了思路。PCO/3DPG非对称超级电容器在2A/g的电流密度下可达229 F g-1,在平均功率密度1500 W/kg下,达到了最大71.58 Wh/kg的能量密度。虽然三维石墨烯凝胶电极具有较高的质量比容量,但由于其厚度较大,体积比容量会很低。因此,分等级多孔石墨烯弥补了此缺点。用模板辅助和化学方法合成的分等级多孔结构的石墨烯,将该石墨烯制成电极,电极含有孔径为100纳米的三维大孔和2～3纳米的介孔。分等级多孔氧化石墨烯薄膜电极在1A g-1的电流密度下表现出一个很高的262 F g-1的高比电容和327 F cm-3的体积电容。分等级多孔结构的存在对高容量电容和倍率性能至关重要,因此对实际应用具有很大的帮助。所制备的多孔氧化石墨烯薄膜的由于出色的导电性和离子扩散性能,也可以作为一个很好的支架材料。