随着经济的高速发展,人类目前面临严重的能源短缺和环境污染。为此,各国积极开展新型能源器件的研发。其中,以超级电容和化学电池为代表的电化学储能器件因其具有超高的能量密度和功率密度、以及超高的循环寿命及转换效率,被认为是最具可行性的清洁能源器件,在国防、医疗以及新兴产业等领域具有广阔的应用前景。作为储能器件的核心部件,电极材料的性能和其结构的改进则是制约新型储能器件应用的关键。目前,商业化的储能器件一般采用含镉、铅的石墨基电极材料,然而这种器件不仅质量重、毒性大、循环效率差,而且电容量和能量密度偏低。因此,研发超高功率及能量密度、超长循环寿命的轻质新型储能器件具有极高的科学研究价值和应用前景。本文旨在研制基于3D多孔石墨烯结构的新型高性能的电极材料及储能器件,着力解决制约超级电容和化学电池等储能器件性能的容量损失、老化、功率及能量密度受限等关键科学问题。通过研制新型的电极材料、结构和储能模块,建立3D石墨烯基集成电极的结构与功能构筑模型,揭示其储能机理及结构性能对其储能性能的影响机制,为新型3D石墨烯多孔石墨烯的储能应用奠定了必要的理论和实验基础。本文所取得的研究成果和创新点如下：1.系统研究了Cu衬底上石墨烯CVD制备的成核机理、缺陷形成与控制机理,重点揭示了Cu衬底预处理、生长温度、气氛比例及气体流量等关键因素对石墨烯质量和性能的影响机制,建立了晶圆级高质量石墨烯的CVD可控生长模型。在此基础上,本文创新性的提出一种基于低压CVD系统的分步调压法高效制备超大晶畴2D单晶石墨烯的方法,并成功制备单晶畴尺寸超过1 mm、载流子迁移率高于6000 cm2/Vs的石墨烯样品(转移至r面蓝宝石衬底),与国际先进水平相当。2.开展了大面积石墨烯的无损转移和改性研究,分析厘清了各类非晶态、多晶态和晶态衬底的晶体类型、表面平整度、亲水性和极性等特性对转移其上的石墨烯性能的作用机制。针对石墨烯器件制备中的退火修复环节后性能退化问题,深入分析了氢气退火处理中各关键因素对石墨烯性能的影响机制,创新性的提出了氢气退火中的表面清洁效应、非故意掺杂效应和结构缺陷等机制的联合作用模型。同时,提出一种新型的自支撑石墨烯无损叠层转移技术,为石墨烯透明导电薄膜应用提供了新思路。3.基于2D石墨烯的CVD成核机制及可控制备机理,结合电化学沉积与极化腐蚀机理及表面修饰效应,创新性的提出了一种基于3D柔性多孔石墨烯的结构和功能模块构筑技术,系统探讨了平衡电位、液相传输、弗莱德电位等因素对多孔化合金基底结构的作用机制,揭示了3D多孔石墨烯(3DMG)的成核机理。采用这项技术,本文成功制备了具有高比表面积、导电性和浸润性的低缺陷3DMG,并研究了该结构作为新型电极材料,在储能器件中的电化学性质。4.采用3D多孔石墨烯与Ni(OH)2结合的复合材料成功制备储能器件的集成电极,并着重研究了该集成电极的高性能储能机理,以及单晶Ni(OH)2的成核质量与形貌结构对集成电极性能的影响机制。研究表明,该集成电极具备优异的电容性能,当基于全电极的质量时,其比容量高达～1149 F/g：在充放电4000次后,其放电量仅降低2.5%；另外,该集成电极还具有优异的电池性能,当电流密度为1.5A/g时,其放电量高达480 mAh/g。以上结果与国际上已经报道的先进水平相当。5.在厘清3D多孔石墨烯高储能机理的基础上,成功制备了3DMG/Mn3O4集成电极,并深入探究了3D石墨烯与Mn3O4的界面特性和晶粒粒度对该集成电极性能的影响机制、3DMG/Mn3O4的表面形貌对该集成电极电容性能的影响机制。并基于微孔及介孔内的质子扩散、电子转移动力学,揭示了微介孔是氧化还原反应时快速扩散的关键因素。同时,针对常规超级电容的工作电压和能量密度较低这个缺陷,成功研制了3DSG/Mn3O4/3DMG的高性能不对称超级电容,其能量密度高达71.4Wh/Kg,功率密度为300 KW/Kg,在经历3000个循环后,电容的损失量仅为10%,为不对称超级电容的储能应用提供了理论和实验基础。