电动汽车，便携式电子器件和可再生能源方面等众多重要领域对高能量、功率存储/释放技术提出了越来越高的要求，这激励着研究者们对兼具高能量密度和高功率密度的能量存储器件进行研究。锂离子电池和超级电容器由于利用不同的电荷存储机理而分别具有高能量密度和高功率密度的特点近年来成为备受关注的电化学能量存储器件。纳米金属氧化物或氢氧化物由于可在内部和表面发生氧化还原反应而存储电荷，因此在设计兼具高能量和功率密度的能量存储器件中有着重要的应用前景。但是纳米金属氧化物本身的低电导率和在充放电过程中体积膨胀严重等缺点限制了其在高性能能量存储器件中的应用。为此，研究者们通过各种方法，包括减小颗粒尺寸、控制形貌和设计复合材料来缩短电荷的传输距离、加快电荷的传输速率和提供可容纳体积膨胀的空间等方法缓解这些问题从而改善其性能。然而，采用传统的涂布法将纳米活性材料组装成的电极中不仅在集流体、导电组元和活性物质的内部和界面处引入大量电荷传输电阻，而且无法有效地解决在充放电过程中活性物质的稳定性问题，这严重限制了制备高性能能量存储器件的目标。本论文利用纳米多孔金属的高电导率、高比表面积和高孔隙率以及复合材料中界面化学键合的结构特点，发展了在金属集流体上的原位去合金化技术和活性物质在纳米孔道内的可控外延生长的方法，一体化制备了实体/纳米多孔金属/金属氧化物或氢氧化物复合电极结构，获得了高效、稳定的能量存储。本论文的研究内容包括以下三部分：1．纳米多孔铜/二氧化锰复合电极的无缝集成及其性能锂离子存储性能针对通过转化型机制储锂的二氧化锰（MnO2）导电性和循环稳定性差的问题，我们制备了无缝集成一体化的实体铜/纳米多孔铜/二氧化锰（S/NP Cu/MnO2）三维（3D）复合电极结构，优异的电极结构改善了MnO2的锂离子存储能力。一方面，S/NP Cu复合结构同时增强了电子和离子在整体电极中的传输、容纳了MnO2在锂离子插入/脱出过程中发生的体积膨胀。另一方面，外延生长的Cu/MnO2界面增加了电子在界面处的转移、稳定了界面结构。因此MnO2表现出极高的倍率特性并且即使循环1000圈的过程中比容量仍然高达~1100mAh g-1。这一研究有效缓解了活性物质导电性差的问题，利用具有环境友好、低成本的材料开发了一种高性能锂离子电池负极材料。2．镶嵌于三维纳米多孔铜集流体的二氧化锡纳米颗粒的储锂性能为了解决通过合金化/去合金化机制储锂的二氧化锡（SnO2）极化严重和在锂离子插入/脱出过程中体积变化（~300%）大的问题，我们通过将SnO2纳米颗粒生长于S/NPCu中制备出S/NP Cu/SnO2复合电极实现了锂离子的高效、稳定存储。S/NP Cu结构和外延生长的Cu/SnO2界面促进了电子和离子在SnO2颗粒中的传输，使S/NP Cu/SnO2负极具有高达~3695mAh cm-3的体积容量和优异的倍率特性。即使放电倍率增加为原来的160倍（12A g-1），其仍具有~1178mA h cm-3的体积容量。更重要的是Cu/SnO2界面可以缓解充放电过程中Sn颗粒的聚集，NP Cu的多孔结构还可以容纳SnO2大量体积变化，使S/NP Cu/SnO2负极即使在高倍率下也能表现出1000圈的稳定循环。这一研究有效缓解了活性物质充放电过程中的粉化问题，开发了又一种环境友好、低成本的高性能锂离子电池负极材料。3．基于在三维纳米多孔金属表面垂直生长单晶氢氧化镍纳米片的高性能非对称电容器我们在原子尺度上将单晶氢氧化镍（Ni(OH)2）纳米片层结构外延垂直生长于3D纳米多孔金的韧带表面制备出复合电极（NPAu/Ni(OH)2），该电极在非对称电容器应用方面表现出优异的性能。3D双连续的多孔结构、Au/Ni(OH)2的共格界面以及单晶Ni(OH)2片层结构在Au韧带上的垂直生长同时加快了整个电极、Au/Ni(OH)2界面处和Ni(OH)2内部的电荷传输，因此Ni(OH)2的赝电容行为得到显著提升。NPAu/Ni(OH)2复合电极在6.7Acm-3的电流密度下表现出~2911F cm-3的体积容量（Ni(OH)2的比电容相当于~2416F g-1）并且在高达333.3A cm-3的电流密度下容量依然保持初始值的~62%（~1800F cm-3）。用NPAu/Ni(OH)2和活性炭组装的非对称电容器在100kW kg-1的超高功率密度下具有31.4Wh kg-1的能量密度，并且具有优异的循环稳定性。这一研究结果说明可控制备纳米结构是开发高性能超级电容器的有效途径。