超级电容器是一种具有超长循环寿命、高功率密度、成本低廉的储能技术,在电网、汽车动力、轨道交通等系统中起到瞬时大功率输出、能量快速回收、负荷调节等作用。然而超级电容器存在能量密度较低的技术瓶颈,限制了其进一步的发展和应用。这一瓶颈的关键在于电极/电解液界面反应局限于电极材料颗粒表面,仅能提供有限的双电层电容或者赝电容,很难发挥其本征的高理论比电容。进一步提升电极/电解液接触面积,丰富氧化还原活性位点,提高电极电子电导及离子扩散系数,是构建更高能量密度超级电容材料的关键点及难点。二维材料具有较大的比表面积和较高的载流子迁移速率,广泛应用于储能电极材料并展现出优异性能。基于此,将过渡金属化合物二维化,利用二维材料的特殊性质以及过渡金属未充满的变价d轨道,可以进一步提升电极材料在实际应用中的比电容。本论文致力于钛基、钴基氧化物、碳化物、磷化物等物质的二维化结构设计及复合改性,并应用在水系及非水系电容器中。深入研究了晶体生长调控机制,复合电极微观及电子结构优化对电化学储能的提升机制等方面,最终构建高能量密度的电容器件。主要研究内容如下:（1）采用一步水热法合成出具有2D-2D分级结构的钴基层状双氢氧化物（layered double hydroxides,LDH）与二维碳化钛（Ti3C2,MXene）的复合材料（钴基LDH-MXene）。在水热过程中,通过调节MXene含量,过渡金属离子种类等组分,可得到钴LDH-MXene（Co-MX10）、钴铁LDH-MXene（Co Fe-MX10）、钴锰LDH-MXene（Co Mn-MX10）等复合材料。研究表明,铁离子和锰离子的加入可有效调节钴基LDH纳米片的微观结构,使其发生超薄化、缺陷化。同时基于MXene超高的载流子迁移率,钴基LDH-MXene在KOH水溶液中的电容性能得到了明显的提升。因此,Co Fe-MX10复合材料在电流密度为0.5 A g-1和10 A g-1时比电容高达808 F g-1和340 F g-1。Co Mn-MX10复合材料在电流密度为0.5 A g-1和10 A g-1比电容分别为562 F g-1和309 F g-1。将Co Fe-MX10与活性炭AC组装成超级电容器Co Fe-MX10//AC,其能量密度最大可达到20 Wh kg-1。（2）相较单金属或双金属复合材料,多元金属复合材料具有丰富的氧化还原活性中心,可有效提高电化学性能。因此,本章采用水热与高温磷化相结合的方法在3D金属镍泡沫表面制备出钴锰铁三元磷化物（CFMP）,钴锰双金属磷化物（CMP）,单金属磷化钴（Co P）以及碳掺杂的钴锰铁三元磷化物（C-doped CFMP）等复合材料。水热过程中,在氟化铵与六亚甲基四胺对晶体生长的共同调控作用以及Fe2+离子诱导钴锰氧化物晶体的各向异性生长机制下,晶粒形成超薄的纳米片（厚度约为15 nm）,并通过竞争性生长导致相邻的纳米片相互交叉,从而在六个不同方向上对称分叉,形成截面为六角星的六棱柱纳米阵列分级结构。后续高温磷化处理造成纳米片表面缺陷化,呈现大量尺寸约为10 nm的纳米颗粒与孔隙。这种独特的结构可显著提高电极/电解液接触面积、丰富氧化还原活性位点并且避免“死体积”的出现,从而有利于金属基磷化物的电容性能得到明显提升。例如,C-doped CFMP在2 A cm-2时的比电容高达4.36 F cm-2,远高于CMP与Co P电极材料。此外,在水热过程中对CFMP复合材料进行碳掺杂可有效地缓冲在快速氧化还原反应中的应变/体积膨胀,从而提高其循环稳定性能。因此,在高电流密度下循环5000次后,C-doped CFMP在20 m A cm-2的电容保持率仍维持100%,而CFMP的电容已衰减到67%。本章通过优化电极材料的电容性能,C-doped CFMP与氮掺杂石墨烯（NG）组装成的非对称超级电容器C-doped CFMP//NG具有更高的能量密度(53.2 Wh kg-1)。（3）电容器能量密度与电极材料的比电容与工作电压窗口均成正比关系,因此在对电极材料结构及性能优化的基础上,可通过扩大电压窗口进一步提高超级电容器的能量密度。本章采用熔融盐法快速制备出具有2D-2D层状分级结构的Ti O2与MXene复合材料（Ti O2/MXene）,并采用非水系电解液扩大工作电压区间。在熔融盐制备过程中,利用硝酸根的强氧化性与MXene的强还原性,可快速在MXene表面竖直生长出大量的超薄Ti O2纳米片。Ti O2/MXene复合材料具有较大的比表面积与孔隙结构。并且这种超薄的Ti O2纳米片厚度仅为4-5 nm,层间距约为0.8 nm,表明该结构特征与MXene较为相似,有利于容纳电解液离子插入层间。同时生成的超薄Ti O2纳米片可避免MXene片层发生再堆叠,有利于电解液离子的扩散与迁移,使得Ti O2/MXene复合材料具有较高的比电容与倍率性能。在非水系电解液中,Ti O2/MXene复合材料的比容量在50 m A g-1电流密度下为130 m Ah g-1,并与活性炭（AC）组装成锂离子电容器,其最大能量密度可达59.66 Wh kg-1。（4）在上一章研究基础上,为了进一步提高电容器的储能性能。本章采用溶剂热法对Ti O2/MXene电极材料进一步优化,制备得到磷酸钛锂（LTP）与Ti O2/MXene复合材料（LTP-Ti O2/MXene）。在溶剂热反应过程中,锂离子、磷酸根离子与Ti O2反应,使部分Ti O2转化成活性物质磷酸钛锂（LTP）纳米晶,并且其均匀生长在Ti O2/MXene层间与表面,导致Ti O2纳米片长度降低,有效缩减锂离子的迁移路径从而提高锂离子迁移速率。并在此过程中,原有的2D-2D层状分级结构仍然维持,可进一步提高复合材料的比容量。因此,与Ti O2/MXene相比,LTP-Ti O2/MXene电极材料展现出更高的比容量,在电流密度为50 m A g-1时可达到204 m Ah g-1。将LTP-Ti O2/MXene与活性炭（AC）组装成锂离子电容器,并采用非水系电解液以扩大工作电压区间从而有效提高能量密度,其最大能量密度可达151.2 Wh kg-1。