超级电容器作为一种电化学储能器件,以其超快的充放电速率、高的功率密度和长的循环寿命等优点在能量储存领域中发挥着至关重要的作用。然而,与锂离子等二次电池相比,低能量密度是超级电容器的主要瓶颈,这使它的实际应用受到了很大的限制。近年来,人们通过使用新的电极材料增加比电容或使用具有宽电位窗口的有机或离子液体电解质来提高其能量密度。但是,相比于水系电解质,其高毒性、易燃性和高成本严重限制了有机或离子液体电解质的广泛使用。因此大量的研究致力于开发具有高比电容、低成本、可大规模生产的新型电极材料。生物质碳材料来源广泛、制备方法相对简单,可以通过植物的光合作用源源不断的获得,是一种绿色环保可持续的材料。这为开发新型高性能电极材料提供了可行的研究方案。在本论文中,我们以天然生物质为碳前驱体通过简单的方法设计合成新型多级孔结构碳电极材料。然后,通过相关物理表征和电化学测试对所制备材料的形貌、结构、组成及电化学性能进行详细的分析。同时,我们以相同的电极材料分别为正、负极组装了对称型超级电容器以评估材料的实际应用性能。具体研究内容如下:1.以农副产品荞麦壳为起始原料,通过碳化、活化和氮掺杂过程同时发生的方法制备了氮掺杂三维多级孔碳材料（BSCN-700）。渗透到植物纤维组织中的内置活化剂氢氧化钾和尿素的协同作用造就了BSCN-700特殊的结构。所制备的材料BSCN-700具有2794.5 m² g^-1的超高比表面积和独特的三维碳骨架。三电极体系下,该电极在1 A g^-1下呈现出326 F g^-1的高比电容和优异的倍率性能(在100 A g^-1下其比电容可保持78.4%)。此外,基于BSCN-700组装的对称型超级电容器在6 M KOH电解液中表现出了优异的储能性能(功率密度为699 W kg^-1时,能量密度达20.4 W h kg^-1)和良好的循环稳定性（循环5000圈后,电容保持95%）。这些结果表明,以生物质为原料制备的环保型碳材料在高性能超级电容器电极材料中具有巨大的应用潜力。2.以柏树衣作为碳源,通过水热碳化和KOH活化相结合的方法制备了分级多孔碳骨架（SHPC-n）。所制备材料的形貌和孔参数在活化阶段可通过调节氢氧化钾与碳的质量比进行控制。优化的样品SHPC-2具有大孔、介孔和微孔组成的多级孔结构,其比表面积高达1325.9 m² g^-1,同时展现出富含氧、氮共掺杂的表面亲水性。电化学测试结果表明,SHPC-2在1 M H₂SO₄和6 M KOH电解液中释放出较高的比电容(在1.0 A g^-1时分别为345 F g^-1、330 F g^-1)和杰出的倍率性能。随后,以SHPC-2组装的对称型超级电容器在1 M Na₂SO₄电解液中可以获得1.8 V的操作电压和30.5 Wh kg^-1的能量密度(功率密度为900 W kg^-1),甚至当功率密度增大到1800 W kg^-1时,能量密度仍能保持22.5 Wh kg^-1。3.以容易获得的蒲棒为原材料,通过简单的碳化和后续的KOH活化方法制备了蜂窝状的三维分级多孔结构（HRPC-800）。所制备的材料HRPC-800不仅继承了蒲棒天然的微管杆状结构,而且还通过不同的活化温度形成了不同的形貌特征。由于特殊的多孔结构有利于电解液离子的扩散,使得该电极材料在电流密度为1 A g^-1下具有308 F g^-1的高比电容。此外,基于HRPC-800组装的对称超级电容器在功率密度为890 W kg^-1时,其能量密度达19.71 Wh kg^-1。随后,在5 A g^-1的电流密度下经过5000次循环后,电容保持了初始值的87.2%。