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碳纳米管和石墨烯是近30年来最为耀眼的材料“明星”。这些由石墨层片构成的一维或二维结构,展现出独特的性能和广阔的应用前景。它们具有高的导电性和大的比表面积,是一类优异的超级电容器电极材料。它们可以与金属氧化物和导电聚合物复合,通过提高这些赝电容材料的导电性来获得高的容量和倍率性能。此外,这些一维和二维碳纳米材料还具有良好的柔韧性和透光性,被广泛用于制备各类柔性透明电极和器件。因此,针对碳纳米材料在超级电容器中的应用,一方面需要开展电极材料的制备研究,提升超级电容器的性能;另一方面可以利用它们柔性、透光和导电等特点,构筑柔性透明的新型器件,为柔性电子设备提供能源支持。本论文通过石墨烯和过渡金属氧化物、导电聚合物等材料复合,制备了石墨烯/Co3O4、石墨烯/聚苯胺高容量超级电容器复合电极;利用化学气相沉积（CVD）在金属丝上生长高负载量碳纳米管（CNTs）薄膜,研制出CNTs/金属丝复合电极线状超级电容器电极与器件;以CNTs透明电极为构建单元,提出了柔性透明超级电容器的可控组装方法。主要研究进展包括:1.将具有高理论容量的Co3O4（3560 F/g）与石墨烯复合,发挥二者的协同效应,构建出高性能石墨烯复合超级电容器电极。通过调控水热反应条件,制备出Co3O4纳米花瓣结构。所制备的石墨烯/Co3O4纳米花瓣复合物展现出了优异的电化学性能。在1.0 mol/L KOH电解液中,扫速为2 m V/s时,循环伏安测试的比电容可达714 F/g。在充放电测试中,当电流密度为0.1 A/g时,比电容值为841 F/g。在电流密度为0.4 A/g时,充放电1000次后,比容量能保持为初始的96.7%,展示了优异的稳定性。2.利用一步水热方法制备了石墨烯和聚苯胺（PANI）复合水凝胶。该复合水凝胶易于切割加工,并兼具了石墨烯高导电性的和PANI高赝电容的优点,是一种优异的超级电容器电极。在扫速为2 m V/s时,比电容为258.5 F/g;扫速为0.2 A/g时,比电容为307 F/g。在电流密度为1.0 A/g时,充放电1000次后,比容量能保持为初始的90%。这些结果展示了石墨烯/PANI复合水凝胶电极在超级电容器的应用潜力。3.金属线作为载体时存在表面积低这一问题,难以实现碳纳米材料的高负载。为此,在金属线上沉积了三维NiO纳米墙阵列来增加基底的表面面积,然后利用CVD方法在该基底上制备出CNTs薄膜,薄膜的厚度可达6μm。在CNTs生长过程中,NiO纳米墙被还原成Ni粒子。以所制备的CNTs/金属丝为电极,组装成全固态线状超级电容器。该器件在10μA/cm的电流密度下,面积比容量为12.5 m F/cm2。当功率密度在0.064～0.746 m W/cm2范围时,能量密度为1.74～1.43 m Wh/cm2,高于一些前期报道的碳基全固态线状超级电容器。4.CNTs被广泛用于制备柔性透明超级电容器（FTSCs）电极,但在器件组装时,电极间距的精确控制未能得到充分关注。FTSCs通常使用聚乙烯醇（PVA）类凝胶作为电解质和间隔物,这些电解质的流变行为导致它们在弯折时易于被压缩,引起电极间距的变形,造成器件运行的不稳定。为了解决这一问题,以ITO-PET负载的单壁碳纳米管或者多壁碳纳米管负载MnO2复合物为电极,将单分散的聚苯乙烯（PS）微球作为间隔物引入到PVA-Li Cl聚合物凝胶电解质中,以此精准控制FTSCs的电极间距。通过改变PS微球的粒径,电极间距可以精确控制在20,40和80μm。尤为重要的是,在进行弯曲时,PS微球间隔物保护了凝胶电解质不受挤压,保持了FTSCs输出的稳定性。在重复的弯曲测试后,器件的容量保持在95.6%,展示了PS微球的存在提高了器件的稳定性和柔韧性。