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现代社会的发展对储能技术的要求越来越高,特别是对储能器件的倍率特性,比容量和安全性等提出了更高的要求。现有普遍使用的储能器件存在诸多问题,如充电速度较慢,比容量较低,安全性差,制备组装过程复杂,成本高昂等。对于解决这些问题,需要从电极材料这一根本上入手。因此,开发新型的储能材料并应用于储能器件是先进储能技术发展的方向。本文的研究重点是获得具有高比容量,高倍率特性和良好循环性的电极材料,包括正极材料和负极材料。特别是将碳基材料,如石墨烯,碳纳米管和活性炭应用于电极材料中,形成碳基材料的三维纳米复合结构。制备的碳基纳米复合材料可以有效的利用碳基材料极大的比表面积,良好的导电性和丰富的孔隙结构等特点获得优异的电化学性能。碳基材料极大的比表面积作为基底有效的分散了具有纳米尺度的电极主体材料,同时碳基材料构架的导电通道可以有效的降低电极的阻抗,有利于电极工作于高速充放电的状态。本文对正极材料的研究是面向于镍铝水滑石（Ni-Al LDH）材料,镍铝水滑石碳纳米管（Ni-Al LDH/CNTs）复合材料,镍铝水滑石石墨烯（Ni-Al LDH/r GO）复合材料以及氯离子插层的镍铝水滑石石墨烯（Ni-Al LDH-Cl/rGO）复合材料。本文对负极材料的研究是面向于硫掺杂的核壳结构铜碳（S-doped Cu/C）复合材料和硫化铋掺杂的三氧化二铁石墨烯（Bi2S3-doped Fe2O3/rGO）复合材料。本论文主要的研究成果如下:（1）类花状结构的Ni-Al LDH材料作为电化学储能器件正极材料的研究。制备了由二维纳米片自组装形成的类花状结构的Ni-Al LDH材料,特别是对二维纳米片自组装的过程进行了分析。对比分析了表面活性剂十二烷基磺酸钠浓度和镍铝比例对Ni-Al LDH材料形貌结构和电化学性能的影响。制备的类花状Ni-Al LDH材料作为正电极在1 A/g的充放电电流密度下可以获得1297 F/g的比容量,在10A/g的高倍率充放电电流密度下仍可保留80%的比容量。电极材料在1000次循环测试后保留82.9%的比容量。（2）在制备的Ni-Al LDH材料的基础上引入碳纳米管材料,制备并研究了碳纳米管与Ni-Al LDH的复合材料Ni-Al LDH/CNTs材料作为电化学储能器件正极材料的性能。通过在碳纳米管外表面形成二氧化硅的方式使得碳纳米管表面功能化,并将Ni-Al LDH纳米片在碳纳米管的外表面原位生长,形成Ni-Al LDH/CNTs管状核壳结构。Ni-Al LDH/CNTs核壳结构材料一方面利用碳纳米管的一维导电结构形成优良的导电通路,一方面利用碳纳米管极高的比表面积使得原位生长的Ni-Al LDH纳米片得到较好的分散生长。制备的Ni-Al LDH/CNTs材料作为正电极在1A/g的充放电电流密度下,电极材料的比容量为1695 F/g。在10 A/g的高倍率下保持有91%的比容量。电极材料在循环1000次后保持有88.5%的比容量。（3）Ni-Al LDH/rGO材料作为电化学储能器件正极材料的性能的研究。在制备的Ni-Al LDH材料的基础上引入石墨烯材料,形成基于石墨烯的复合结构。相对于Ni-Al LDH/CNTs材料,Ni-Al LDH/rGO材料减少了绝缘材料二氧化硅的使用而理论上具有更低的阻抗和更高的倍率特性。Ni-Al LDH纳米片原位生长于石墨烯的表面,一方面利用石墨烯作为二维导电基底,另一方面利用石墨烯极高的比表面积使得原位生长的Ni-Al LDH纳米片得到较好的分散生长。该结构将更适合工作于高倍率状态下。在此基础上,研究了水滑石层间氯离子插层替换碳酸根离子。发现在氯离子对水滑石层插层处理后,材料的电化学性能得到了很大的提高,并对材料的结构和成分进行了对比分析。电化学性能测试方面,在1 A/g的充放电电流密度下,Ni-Al LDH/rGO材料的比容量为1456 F/g,Ni-Al LDH-Cl/rGO材料的比容量为1885 F/g。且Ni-Al LDH/rGO材料在10 A/g的高倍率下保持有91.6%的比容量,Ni-Al LDH-Cl/rGO材料在10 A/g的高倍率下保持有81.5%的比容量。Ni-Al LDH/rGO电极材料循环1000次后比容量几乎没有衰减,Ni-Al LDH-Cl/rGO材料在循环1000次后保有了83.8%的比容量。（4）硫掺杂的核壳结构多孔活性炭纳米铜（S-doped Cu/C）复合材料作为电化学储能器件负极材料的研究。制备了由一层多孔结构的活性炭材料包覆的纳米铜核壳结构材料,在作为电化学储能器件负极材料使用中,外层包覆的具有丰富多孔结构的炭材料将有助于减少材料在充放电过程中由于可溶离子的扩散问题导致的性能衰减。并对包覆的多孔活性炭层厚度进行优化对比分析,得出了最佳的活性炭包覆层厚度。此外,通过对活性炭铜核壳结构进行硫掺杂形成了S-doped Cu/C材料。硫的掺杂改善了铜负极的钝化,并进一步的减少了铜负极材料的溶解扩散问题,从而可以获得更好的循环特性。制备的S-doped Cu/C材料具有较高的比容量和较好的稳定性。材料在1 A/g的充放电电流密度下获得了369 F/g的比容量和500次循环后保留83%的初始比容量。（5）硫化铋掺杂的氧化铁石墨烯（Bi2S3-doped Fe2O3/rGO）复合结构材料作为电化学储能器件负极材料的研究。制备了由内层石墨烯,中间层Bi2S3材料,外层Fe2O3材料的复合结构材料作为储能器件负极材料。内层石墨烯是具有良好导电性的二维基底材料,为其上原位生长的电极材料提供了良好的导电通路。中间层Bi2S3材料在充放电的氧化还原反应中会形成金属铋和S2-离子,金属铋可以进一步降低外层Fe2O3材料的接触阻抗,S2-离子有助于和在多次循环测试中积累的导电性较差的Fe（OH）2形成FeS材料并降低电极材料的阻抗,使得电极循环性得到提高。Bi2S3-doped Fe2O3/rGO材料在1 A/g的充放电电流密度下获得了669.6 F/g的比容量和500次循环后保留83%的初始比容量。组装由Ni-Al LDH-Cl/r GO材料作为正极和Bi2S3-doped Fe2O3/rGO材料作为负极的软包电池,软包电池单体可以提供最高1.6 V的输出电压和稳定的1.0 V电压长平台,单体的容量为232 F/g或103mAh/g。