纳米结构的锰氧化物因其高能量、高安全性、高热力学稳定性、低电势以及低成本等优点,不仅在传统储能器件如锂离子电池等领域备受关注,同时也成为一些新型储能器件如锂离子电容器、锌离子电池等领域的研究热点。然而,纳米结构锰氧化物存在着导电性差、体积变化大以及结构与界面稳定性不佳等问题。具有独特电子结构和空间构型的石墨烯和碳纳米管,不仅能通过在导电性、电荷传输能力、力学性能等方面的突出优势成为解决上述锰氧化物固有问题的“钥匙”,而且能通过其在电学和力学方面的优异综合性能而拓宽和提升锰氧化物在储能器件中的应用。本论文从材料结构和器件结构的设计入手,构建基于碳纳米材料和纳米结构锰氧化物的高性能储能器件,主要研究内容包括:1.针对MnO负极材料存在的反应动力学特性较差以及体积变化带来的界面与结构不稳定等问题,构建一种基于10纳米级超细Mn O纳米线与石墨烯的锂离子电池负极材料。通过系统地研究结构与性能之间的关系发现,二维石墨烯沿Mn O纳米线卷曲对其进行包裹形成一维核壳结构,在提升Mn O的电子传递能力的同时,能够抑制Mn O纳米线的体积变化来提升电极材料的结构和界面稳定性;同时这种一维核壳结构“镶嵌”于二维石墨烯片层中并相互搭接聚集成三维石墨烯气凝胶宏观体,保证了贯穿整个电极的电子传递和离子扩散能力。此外,针对复合电极的形成机理进行分析,并探究了Mn O纳米线径向尺寸对反应动力学尤其是离子扩散动力学的影响。进一步地,将上述结构的电极材料制备成高压实密度、高面载量的自支撑电极,并通过H2O2刻蚀石墨烯造孔处理来改善这种高面载量、高厚度电极存在的离子传输阻滞问题。2.为进一步提升MnO负极材料的反应动力学来满足锂离子电容器对负极材料的要求,制备了一种在三维互联石墨烯卷导电网络上原位负载Mn O纳米颗粒（～45 nm）的自支撑负极。在这种电极中,内部互联的管状石墨烯卷导电网络起到了多功能的作用:充当如“高速公路”一样的电子和离子传输通路,同时能够缓冲Mn O纳米颗粒的体积膨胀并保证其结构稳定性。Mn O纳米颗粒与石墨烯卷导电骨架之间通过一种较强的化学键作用进行结合,在提升电荷转移能力的同时增强活性物质的结构稳定性。基于这种稳定的三维导电网络和快速的电荷转移能力,所构筑的负极表现出超高倍率行为和卓越的循环稳定性。基于此自支撑负极构建了锂离子电容器,其功率密度为139.2 W kg-1时具有高达179.3 Wh kg-1的能量密度,同时具有在5 A g-1下循环5000周后容量保持率为80.8%的循环稳定性。3.为了发展高安全性的储能器件,构建一种水系锌离子电池,针对锌离子电池所用Zn负极面临枝晶生长的问题,采用碳纳米管薄膜作为保护层,制备出一种抑制枝晶、稳定的碳纳米管薄膜/Zn负极。碳纳米管薄膜由内部三维相互连接、具有“Y”型结点的碳纳米管连续网络构成,具有优异的导电性,可以起到均匀Zn负极表面的电荷分布并避免局域的电荷积累的作用。研究结果表明,碳纳米管薄膜保护后的Zn负极表现出更低的沉积/剥离过电势（～50 m V）和更稳定的沉积/剥离时间（超过1000小时）。进一步地,此碳纳米管薄膜/Zn负极与α-Mn O2纳米线正极共同构建的Zn//Mn O2锌离子电池表现出显著改善的循环稳定性。4.进一步发展了一种水系锌离子电池的一体化电池结构,实现了其高柔性和长寿命的双重构建。在这种一体化电池结构中,Zn负极表面涂有一层由三氟甲烷磺酸锌和聚酰胺组成的保护层,这种保护层不仅能抑制负极的枝晶生长和副反应,而且能发挥“胶水”的作用将Zn负极和聚酰胺隔膜紧密地粘合。由多壁碳纳米管与α-Mn O2纳米线相互交联构成的具有高柔性的导电网络负载于聚酰胺隔膜的另一侧并发挥双重作用:既作为正极来容纳Zn2+,又作为集流体发挥集流作用。得益于一体化电池结构中组分间连续无缝的连接,可以防止在不同的机械变形下相邻组分间的相对位移或分离,确保稳定的活性负载和/或电子传输。研究结果表明,这种一体化结构的锌离子电池不仅具有良好的柔韧性（弯曲1000次后的容量保持率>90%）,而且相比传统分离式电极结构具有显著提升的循环稳定性（2 C倍率下循环5000次后的容量保持率为89.4%）。