能量存储和转换器件的小型化是当前技术发展的显著趋势之一。超级电容器作为一种重要的新型储能器件,因功率密度高、循环寿命长等特点而备受关注。碳基纳米材料因其高电导率、比表面积和机械强度成为能源存储器件理想的电极材料。但是,因材料间的堆积而导致其与电解液有效接触面积减小等原因,其能量存储性能与理论预期仍相差较远。本文利用原位电镜技术,首次在扫描电镜中搭建了单根纳米碳纤维和少层石墨烯为正负电极、微量固态(PVA/H2S04)或离子液体(EMIMBF4)为电解质的世界上最小的超级电容器。利用此系统我们探索了碳基电容器可能达到的最大比容量、功率密度和能量密度等极限性能;同时,将电解液中离子与石墨烯电极的作用过程以可视化的方式呈现出来,为深入理解以及设计高效超级电容器提供了新的技术路径。主要研究结果如下:利用EDS mapping,直接“看”到了导电离子在电解质和石墨烯电极上的扩散过程。观察表明,由浓度梯度和电场驱动所造成电解质离子在电极上分布明显不同;离子液体和全固态电解质的固化(由于电子束辐照)会对离子输运起阻碍作用。原位电化学性能测试展示出近似长方形的循环伏安曲线,说明该微型超级电容器具有很好的双电层电容器特性;利用恒流充放电曲线初步计算了不同尺寸单个碳基电极的比电容(以离子液体EMIMBF4为电解质),测得单个纳米碳纤维和石墨烯为电极的最大比电容分别为284.55F/g和220.59F/g;发现随着电流密度的增大,比电容减小。由于电解质固化及纳米碳基电极微电容器构建方面还存在的困难,所测得的比电容仍小于预期。尽管如此,我们仍然认为这些开创性的实验将为研究超级电容器提供极有价值的参考。