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石墨烯是由单层碳原子构成的六边形蜂窝状结构的二维晶体,其独特的结构使其具有多种优异的性质,在储能和复合材料等领域具有很大的研究价值和应用潜力。然而,石墨烯真正的应用出口还需更多探索。本文以石墨烯应用为出发点,研究了石墨烯及其复合材料对锂离子电池、超级电容器中集流体或电极材料的改性,另外还研究了石墨烯改性聚酰亚胺复合材料的制备、性能和电容器应用探索。第一,石墨烯修饰锂离子电池铝箔集流体。首先制备了石墨烯部分覆盖的铝箔(PG-Al)作为集流体。石墨烯增强了电极材料/集流体的电接触,改善了电池的极化、比容量、倍率性能、内阻性能;同时抑制了电解液对铝箔的腐蚀,增强了电池的循环性能。PG-Al基电池在0.2 C下比容量为168.8 mAh/g,接近磷酸铁锂的理论比容量170 mAh/g,500次1 C循环后容量仍保持91.8%。其次,制备炭黑/石墨烯修饰铝箔(CB/G-A1),炭黑弥补了石墨烯较弱的层间电导,在电极材料和集流体间形成了更加全面的导电网络,进一步提高了电池的性能。CB/G-A1基电池在0.2 C下比容量达169.9 mAh/g,500次1 C循环后比容量保持94.8%。第二,石墨烯改性活性炭超级电容器电极。同时用化学气相沉积法(CVD)生长的石墨烯改性泡沫镍(NiF/G)作集流体和高质量薄层石墨烯作电极导电剂,制备活性炭超级电容器电极(AC@G@NiF/G)。CVD处理的NiF/G表面金属氧化减少,石墨烯增强了电极与集流体的粘附,改善了电接触;与炭黑导电剂相比,石墨烯导电剂实现了用更少添量达到了更高电极性能。两者协同作用使AC@G@NiF/G电极较炭黑导电剂的电极和普通泡沫镍集流体的电极具有更高的性能。而石墨烯片状结构对电解液离子的运动有一定的阻碍作用,当石墨烯添量过多,会导致电极性能减弱。电极的电化学性能的提升,随着石墨烯添量的增大先增大后减小。5%石墨烯添量的AC@G@NiF/G电极在1 A/g下比容量达123.6 F/g,能量密度达17.2 Wh/kg,基于该电极的对称电容器在1 A/g下循环10000次几乎没有容量损失。第三,石墨烯/聚酰亚胺薄膜(G/PI)的改性与电容器应用探索。将高质量薄层石墨烯和聚酰胺酸通过溶液共混法和高温环化制备G/PI复合薄膜。无官能团石墨烯具有本征石墨烯优异的物化性能,实现了用更小的添量达到G/PI薄膜同等或更高的的力学和疏水性能等增强。仅0.1%石墨烯添量的G/PI薄膜的拉升强度可达147 MPa,较纯聚酰亚胺(PI)膜提升30%;0.5%G/PI薄膜的水表面接触角为99.95 °,提升了 20.5%;0.05%和0.1%G/PI薄膜在室温1000 Hz下介电常数分别为4.83和4.96,增大了 41.6%和45.5%。基于0.05%G/PI的电容器在室温102～105 Hz范围内保持较为稳定的电容值,在1000 Hz下电容为0.52 nF,损耗仅0.008。