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石墨烯水凝胶(graphene hydrogel, GH)是利用氢键、官能团作用力和共轭π键将二维的片层石墨烯(graphene sheets, GNS)组装成的宏观的三维结构,并且仍然具有石墨烯的诸多优点：比表面积大、密度小、能导电、韧性高等,有着广泛的应用价值和商业价值。GH作为一种整体的宏观材料用于储能电池电极片比传统的电极片有明显的优点。首先这种电极片不需要涂覆,是将一个薄片夹在集流体中的,所以也就免除了溶剂,导电剂和粘结剂的添加。而且这种材料孔结构突出,倍率性能很好。本文首先利用一步水热法制备得到GH,然后对其进行干燥,对干燥后的样品进行了电容测试。测试结果为在电流密度0.5A/g条件下,300℃、600℃、1000℃热处理的GH的电容量分别为220F/g、100F/g、20F/g,其对应的比表面积分别为3,<3,<3m2/g。我们又比较了常压干燥和冻干干燥得到的GH样品的电容量,都是240F/g左右,而比表面积分别为1.6m2/g、26m2/g。影响双电层电容的因素有比表面积、官能团与缺陷位和边缘位。我们通过对GH官能团含量与比表面积、缺陷位的控制,对比其电学性能,发现在材料的比表面积与边缘位并不是影响GH电容量大小的决定性的因素。对此,我们提出了一个电容模型,由石墨烯片表面上存在的官能团与缺陷位共同影响GH的电容性能。为了提高GH材料的力学性能和导电性能,我们将碳纤维分散在氧化石墨烯(graphene oxide,GO)溶液中,制得石墨烯/碳纤维复合水凝胶(graphene/carbon fiber composite hydrogel,CF-GH).碳纤维能均匀的分布在柱体当中,并且能够和石墨烯片层很好的结合,起到了提高GH柱体的力学性能同时提高电学性能的作用。我们利用一个100g的砝码反复压缩这种材料,压力为3100Pa,20次后材料没有损伤。为了测试这种材料在实际应用中的性能情况,我们利用了双电极测试系统,测试结果为CF为10wt%的电容量为185F/g,循环1000次没有衰减.另外本文除了探究了GH材料的电容性能,还以GH为载体材料,与无机硫单质复合,得到三维的宏观材料,并应用到锂硫电池中。通过控制溶液的酸碱性得到不同形貌的硫单质均匀分散的硫-氧化石墨烯复合材料(sulfur modified graphene oxide,S-GO),然后自组装得到石墨烯/硫复合水凝胶(graphene/sulfur composite hydrogel,S-GH)。这种材料既可以解决锂硫电池的先天缺陷,将硫分散在可以导电的材料中,形成聚硫化物后限制在还原的GO(reduced graphene oxide,rGO)层中,材料本身含有充足的相互连通的孔洞,便于快速充放电的进行。测试结果显示,这种材料抑制飞梭效应效果明显,首次充电容量为1475mAh/g,首次放电1400mAh/g,循环50次容量几乎没有衰减,但是缺点是硫含量太低,造成材料的总能量效率较低,材料的总容量为1300mAh/g。