化学改性石墨烯可以自组装成为具有三维多孔网络结构的材料,适合作为构建高体积比容量石墨烯基复合材料的基体。本文以石墨烯水凝胶作为基体,将其与导电聚合物聚苯胺复合,制备了一种具有高体积比容量的复合电极材料;阐明了聚苯胺在致密无孔复合材料中的质子传输机理;同时研究了复合材料在不同电解液体系下的赝电容特性,揭示了聚苯胺与碳纳米材料之间的协同储能机制。论文提出了高体积比容量复合电极的设计原则和致密化制备方法,制备过程依次包括静态吸附、化学原位聚合和毛细蒸发干燥,可以获得一种高密度聚苯胺/石墨烯复合材料。该复合材料的质量比容量和体积比容量分别能达到691 F/g和1036 F/cm~3。当电极厚度为200μm时,基于整个电极的体积比容量能达到为400F/cm~3。高密度聚苯胺/石墨烯复合材料收缩到致密、无孔的结构,实现了电极材料空间的最大化利用。研究了聚苯胺在复合材料中的质子体相传输机理,质子能够沿着聚苯胺分子链从电极/电解液界面传输到材料内部,在传输过程中极化子和双极化子充当“搬运工”的角色,同时考察了质子体相传输距离和质子浓度对于质子体相传输过程的影响。研究了聚苯胺/石墨烯复合材料在不同pH电解液体系下的电化学特性,揭示了不同电解液体系下的赝电容反应机理以及聚苯胺的结构变化规律;解析了聚苯胺/石墨烯复合材料在不同电解液体系下的电子传递以及离子传输过程,揭示了聚苯胺与碳纳米材料之间的协同储能机制,对于新型高性能电极材料的设计与构建提供了新的思路。