近些年来,随着电动汽车与便携式电子设备的快速发展,能源存储与转换器件领域面临的技术挑战日益提高。锂离子电池与超级电容器是当前研究与应用最为广泛的储能器件,但因其各有弊端,难以满足市场上对兼具高能量密度和高功率密度性能的储能器件的要求。混合型超级电容器是一种新兴的储能器件,它结合了锂离子电池与超级电容器的双重优势,同时具有很高的能量密度、功率密度与长循环寿命,是最具发展潜力的下一代能量储存系统。但是目前混合超级电容器面临着一个很大的问题,电池型材料较慢的充放电速率严重限制了混合电容器整体的功率密度,使得混合电容器无法像传统的双电层电容器一样,在短时间内完成充放电并且保持较高的能量密度。因此,如何提高电池型材料的倍率性能是一个亟待解决的难题。本课题从锰氧基电极材料的颗粒尺寸、导电性、复合材料、形貌调控、晶面间距调控等方面入手,设计了一系列简单环保的方法,将锰氧基正极材料的倍率性能及比电容、循环寿命等相关电化学性能逐步提升,进而使得锂离子混合电容器的能量密度、功率密度与循环寿命也随之大幅提升。最后,将锰氧基正极材料拓展应用于钠离子与钾离子等元素储量丰富的碱性离子混合超级电容器体系中,并获得了优异的电化学性能。首先,采用一步球磨法将商业用微米级锰酸锂与导电炭黑Super P混合球磨制备高性能纳米复合电极材料。在球磨过程中,微米级锰酸锂在粉碎为纳米颗粒的同时能够均匀分布在由SuperP构成的导电网络中,形成LiMn2O4@SuperP纳米复合材料。这种结构可以为电极反应提供大量的活性位点,大大缩短离子传输路径,并提高活性材料颗粒之间的导电性,使得电极材料具有优异的倍率性能。即使在80倍的速率下充放电时,LiMn2O4@Super P复合材料的比电容仍然可以达到原始商业用锰酸锂的3.5倍。其次,使用导电性良好且电容性能优异的碳纳米管与石墨烯代替SuperP与尖晶石LiMn2O4纳米颗粒进行复合,构成一种由零维LiMn2O4纳米颗粒、一维碳纳米管(CNTs)和二维石墨烯(graphene)组成的具有多维度结构的LiMn2O4@CNTs@graphene纳米复合材料。在这种多维度结构中,一维的碳纳米管、二维的石墨烯纳米片可以与零维LiMn2O4纳米颗粒进行点与线、点与面之间的紧密接触与复合,为锰酸锂颗粒提供全方位的导电网络。并且在复合材料中,除了充当导电剂,石墨烯与碳纳米管二者本身也是容量较高的双电层电容型材料,在充放电过程中可以为复合材料贡献一部分容量。因此,LiMn204@CNTs@graphene纳米复合材料具有优良的比电容与倍率性能。以此为正极的混合电容器最高能量密度可达62.77 Wh kg-1,最高功率密度高达2.92 kW kg-1,且充放电5000次后容量可以保持90.8%。再次,采用水热法合成工艺对锰氧基电极材料纳米颗粒的尺寸与形貌进行调控,同时提供了一种无模板无表面活性剂制备超细超长LixMnO2纳米线的方法。这种LixMnO2纳米线由于其较大的比表面积和较好的结构稳定性,倍率性能与循环性能得到了进一步的提升。以LixMn02纳米线为正极的锂离子混合电容器20000次循环后容量保持率为85.2%。最后,在锰氧纳米线结构中预嵌离子半径更大的钾离子来增加隧道结构中的晶面间距,不仅可以使电解液中的阳离子更加快速有效地在晶格中进行脱嵌,而且可以允许较大离子半径的钠离子与钾离子自由脱嵌。经过晶格调控后的KxMnO2纳米线不仅能够提高锂离子电容的性能,也可以很好地应用于钠离子与钾离子电容器。以KxMnO2纳米线为正极组装的钾离子混合电容器,在4.7 kW kg-1的高功率密度下能量密度依然高达30.2 Wh kg-1,循环7000圈后容量几乎无衰减。本课题为制备高性能混合电容器电极材料提供了高效的方法与有利的指导。未来可在本课题研究的基础上对电极材料的组成与结构进行进一步设计与研究,最终得到低成本、高性能的混合型超级电容器。