全钒液流电池（钒电池）蓄电容量大、服役周期长,适用于大规模储能领域。提高功率密度、消除充放电过程的副反应是促进钒电池高效、安全运行的重要前提。作为储能载体的水相电解液体系,其支持电解质H₂SO₄的浓度对电极副反应（正极析氧和负极析氢）及电池循环稳定性（电解液失衡和容量衰减）都可能产生显著影响。而作为氧化还原反应发生场所的电极,其表面积、润湿性和电化学活性则决定电池的功率密度和能量效率。基于以上认知,本论文首先系统地研究了H₂SO₄浓度对电解液理化性质和电池循环性能的影响规律,得到最佳的H₂SO₄浓度范围。在此基础上,设计、制备了一种高比表面积、超高稳定性、碳层包覆的碳球/石墨毡分级结构电极,结合使用H₂SO₄浓度优化的电解液,获得了钒电池在高能量效率和低容量衰减下的10000次稳定循环。电解液组分优化中,钒活性物质的浓度固定为目前广泛认可的1.5 mol L^-1,支持电解质H₂SO₄的浓度范围为1.5～4.0 mol L^-1。理化性质测试表明,电解液的密度、电导率和粘度均随着H₂SO₄浓度增大而增加;电化学测试发现,高H₂SO₄浓度电解液因具有较高的电导率和质子浓度,其电化学可逆性更好,但析氢副反应也会随之加剧;钒电池测试中,由于电导率、粘度和质子浓度的协同作用,钒离子渗透随H₂SO₄浓度的增加而显著减弱,使得电池的库仑效率提升、容量衰减变缓;对不同价态电解液静态稳定性观察发现,V³⁺在4.0 mol L^-1 H₂SO₄中不稳定,室温下会析出不可逆沉淀。综上,对于1.5 mol L^-1钒电解液,H₂SO₄最佳浓度为3.0 mol L^-1。分级结构电极的制备上,首先将纳米Si O₂球均匀吸附在石墨毡（GF）纤维表面作为硬模板,然后包覆一层酚醛树脂,再通过高温处理将酚醛树脂层变为碳层,最终得到碳层包覆的碳球/石墨毡分级结构电极（CS/GF）。与目前普遍认可的热活化石墨毡（TGF）基准样相比,CS/GF的比表面积、表面缺陷位以及电解液浸润性均得到提升,因此CS/GF电极的电化学活性优于TGF。以上述1.5 mol L^-1 V^3.5++3.0mol L^-1 H₂SO₄的优化电解液进行电池测试,CS/GF电极的能量效率和放电容量都要高于TGF,且随电流密度的增加,优势逐渐增大。在极化曲线测试中,CS/GF电极可获得630 m W cm^-2的最大功率密度。得益于表面碳层包覆结构,CS/GF电极在钒电池超长周期寿命测试中展现出优异的耐久性,在150 m A cm^-2下累计循环测试10000圈（～8个月）后,电池性能保持稳定,电极微观分级结构基本不变。这种碳层包覆保护的方法为研制新型高稳定性分级结构电极提供了有益的借鉴。