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本论文针对微型超级电容器中的关键问题,即对高性能微型超级电容器电极材料进行深入的研究,进一步明确提高微型超级电容器能量密度的重要因素,研究结果表明石墨烯材料的高比表面积可以带来更大的双电层电容。沉积赝电容材料如过渡金属氧化物MnFe2O4以及过渡金属硫化物NiCo2S4可以带来更大的比电容。其次,本文通过将电极材料设计成柔性电极,针对微型超级电容器在可穿戴式电子设备应用领域进行了一些初步的性能测试。具体来说,本文的研究内容和结论概括如下:(1)本文首次提出一种制备石墨烯铁酸锰复合物薄膜状微型超级电容器的方法。本研究工作制备得到的MnFe2O4/graphene复合电极在0.3 A g-1的电流密度下表现出的比电容达到300 F g-1,组装后的全固态薄膜状柔性微型器件以0.1 A g-1的电流密度进行测试时,得出最大的比电容为120 F g-1。该器件经过5000次的恒电流充放电实验后,保持初始电容值的105%,表现出非常优异的循环性能。本文所制备的MnFe2O4/graphene微型超级电容器的能量密度达到5.0 Wh kg-1,同时功率密度为0.4 kW kg-1,为了验证该器件的真实可用性,使用两个微型超级电容器串联在一起来成功驱动一个1.5 V的液晶显示器。在本研究中制备的MnFe2O4/graphene复合物薄膜状微型超级电容器具有优异的电化学性能。(2)本文首次提出一种以医用注射器的金属针头作为纺丝头来连续制备石墨烯多孔纤维的方法。所制备的石墨烯多孔纤维比表面积高达839 m2 g-1,在39.7μA cm-2的电流密度下体积比电容高达228 mF cm-2。此外,石墨烯多孔纤维的微型超级电容器显示出长寿命的循环稳定性,在充放电10000次循环后仍然保持初始电容量的98.7%。其面积比能量密度达到7.9μWh cm-2,体积比能量密度达到4.0 mWh cm-3,这一能量密度的数值与薄膜锂电池的性能相当。此外,石墨烯多孔纤维微型超级电容器可以使用商用的柔性太阳能电池来充电。这项研究开拓了制备石墨烯多孔纤维的新方法,所制备的多孔纤维有望作为高性能微型超级电容器的电极材料。(3)本文首次提出一种用NiCo2S4纳米颗粒负载的石墨烯纤维GF/NiCo2S4来制备电压达1.5 V不对称微型超级电容器的方法。通过80℃低温法还原氧化石墨制备石墨烯纤维,该石墨烯纤维质量密度低,仅为0.24 g cm-3,同时具有良好导电性,电导率达到39 S cm-1,其机械拉伸强度也非常出色,达到221 MPa。本文通过溶剂热法进一步将NiCo2S4纳米颗粒沉积在石墨烯纤维的表面。以石墨烯纤维为负极,GF/NiCo2S4为正极的不对称微型超级电容器表现出优异的电化学性能。当使用三电极测试法时,GF/NiCo2S4电极的体积比电容在2 mV s-1的扫速下达到388 F cm-3。当使用两电极测试法时,GF/NiCo2S4电极在电流密度为175.7 mA cm-3时的体积比电容为300 F cm-3。若以电极材料活性物质来计算的话,这种制备的柔性可穿戴式不对称微型超级电容器的能量密度达到12.3 mWh cm-3,最大的功率密度达到1.6 W cm-3。若将电极材料、隔膜和电解质都计算在内的话,其能量密度达到3.0 mWh cm-3,这个数值已经可以和薄膜锂电池相媲美。本研究也展示了不对称微型超级电容器在不同的折叠角度下的电化学性能,从0到180°折叠时电容大小没有明显的变化。为了进一步证明该器件可以应用于柔性可穿戴领域,将一个不对称微型超级电容器编制到一个棉手套中。该微型超级电容器同时表现出优异的柔韧性,有希望应用于可穿戴设备领域。