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随着全球经济的快速发展,化石燃料趋于枯竭以及环境污染的日益严重,人们对高效、清洁、可持续能源以及存储和转变设备非常渴望。在很多应用领域中,最为常用和高效的电化学能量转换和存储设备是锂离子电池,燃料电池和电化学超级电容器。由于超级电容器具有快速充放电、功率密度大、循环寿命长等优点,近年来被广泛的关注。然而,目前商用化的碳基超级电容器能量密度仅为3-5 W h kg-1,比商用化的电池能量密度低(铅酸电池为30-40 W h kg-1和锂离子电池为10-250 W h kg-1)。如此低的能量密度难以满足能量存储的应用需求如:电动汽车、风电场、太阳能电场等领域。因此,提升超级电容器的能量密度并保持高功率密度和良好的循环稳定性是这个领域的研究热点。超级电容器的性能很大程度上依赖于电极材料的选择,为了改善超级电容器的比容量和能量密度,具有高比容量的过渡族金属氧化物成为了理想的选择。与锂离子电池中发生的体相电化学反应不同,超级电容器的电化学反应主要发生在电极表面或近表面,所以其电化学性能与电极表面的微观结构密切相关。为了使活性材料的充分利用,高性能超级电容器电极必须具有快速离子和电子传输通道。另一方面,整体电极的合理设计也是能够有效的提升超级电容器的能量密度的有效手段,例如:避免用粘结剂而是直接在导电材料上生长活性材料成为研究趋势。综上考虑,本论文设计制备具有快速离子和电子传输通道的无粘接剂三维多孔电极,提升了超级电容器的能量密度同时保持了优良的功率密度和循环稳定性。本论文的主要研究结果分为如下三个部分:1.基于有序多孔异质结构的电子相关氧化物电极具有超高功率的超级电容器的研究（1）通过电沉积钒氧化物进入聚苯乙烯（PS）模版阵列中制备出了三维多孔V2O3骨架。随着温度升至室温,通过金属绝缘体转变发生使这种刚玉晶体结构的三维纳米多孔三氧化二钒具有高的电导率。在电化学反应中V2O3与Au、Cu、Ni、C等导电骨架材料相比较具有电导率良好、电化学稳定性好、比容量高等优点。（2）通过脉冲电沉积将MnO2沉积在V2O3导电骨架表面并退火处理制备了三维多孔异质结构电极。在V2O3/MnO2异质结构电极中导电的V2O3骨架能够实现快速的电子传输,并且能够与界面处的MnO2成键,降低MnO2电阻。与此同时,三维多孔的微观结构能够实现快速的离子传输使电解液与MnO2充分接触,因此能显著的改善MnO2的赝电容和倍率性能。该纳米多孔V2O3/MnO2异质结构电极组装成的对称电容器,与3 V-30 F Al电容器比较展现了超高的功率密度(422 W cm-3),同时由于选取了高赝电容材料和不使用粘结剂等结构特点使该电容器保持了类似于薄膜锂离子电池的高能量密度和优良的循环稳定性。2.基于相变产生的三维多孔分层钒氧化物电极具有优异性能的赝电容能量存储的研究该三维多孔分层的钒氧化物(3D NP c-V2O3/r-VO2-x)电极是通过刚玉相V2O3前驱体和并通过热氧化在其表面原位生长的非化学计量数的金红石相VO2-x组成,此电极应用在水系对称的宽电压窗口电容器中。通过相的转变过程能够原位生成夹在高Na+通过率的r-V4O7之间的r-VO2-x层,这有利于能够促进氧化还原和插入反应的发生。与三维连续和多级纳米多孔电极结构相关,在扫描速率5-1000 mV s-1范围内,NP c-V2O3/r-VO2-x电极的的体积和质量容量是原始的r-VO2的5-6倍。由该电极组成对称超级电容器的最大体积能量密度为330 mWh cm-3(基于设备整体体积为13 mWh cm-3,超过4V-500μAh薄膜电池)具与此同时具有类似于碳基材料的超级电容器的功率密度。此外,当电压窗口为1.4 V,这个超级电容器展现出了低的自放电系数和优异的循环稳定性。3.三维纳米多孔电极应用在具有高能量密度和高安全性的Ni/Fe水系非对称超级电容器的研究（1）首先通过电化学沉积将吸附有Fe3+的聚苯胺（PANI）沉积在聚苯乙烯（PS）模板中,随后热解得到了三维多孔结构的混合物。然后通过将其原位的电化学氧化得到纳米多孔氮参杂石墨烯/铁氧化物（NP NDG/FeOx）杂化电极。该方法是通过在NDG上原位生长FeOx产生强的电子转移的独特结构从而改善电化学性能,该电极同时具有低的内阻（5.4 ohms）和高的比容量(1227 F g-1)。（2）首先通过电化学沉积将Ni沉积在聚苯乙烯（PS）模板中,随后热解得到了3D多孔Ni。然后通过将其原位的电化学氢氧化得到三维多孔Ni/Ni（OH）2杂化电极。该电极在扫描速度为5 mV s-1时,比容量高达2110 F g-1（基于Ni/Ni（OH）2总质量计算）。甚至当扫描速率为200 mV s-1时,三维多孔Ni/Ni（OH）2杂化电极的比容量仍为756.14F g-1,表明该电极具有良好的倍率性能。由NP Ni/Ni（OH）2正极与NP NDG/FeOx负极组成镍铁类电池的非对称超级电容器在水溶液中的电压窗口为1.7 V,在功率密度为1.4 kW kg-1达到最大能量密度高达142Wh kg-1（基于两电极活性物质总质量计算）,接近于锂离子电池能量密度远超过镍氢电池和铅酸电池的能量密度。