双电层电容器主要是基于物理吸附将电荷存储在活性材料内部来完成电能存储的一种新型储能器件,具有充放电速度快、功率密度高、循环寿命长等特质。不过,低的能量密度以及大电流密度下容量损失严重等问题限制了双电层电容器的实际应用,相关工作是目前亟需解决的难题之一。针对以上关键科学问题,本文通过调控多孔炭电极的微观尺度,优化孔隙结构,强化电极材料内的离子输运,实现传质动力学与能量密度的双效提升。具体研究内容如下:以多巴胺和层状双金属氢氧化物MgAl-LDH为碳源前驱体和模板,采用碳化耦合KOH活化的技术,制备了具有不同厚度的二维多孔炭纳米片材料。考察了多巴胺反应聚合时间对材料微观结构和形貌的影响。以该二维多孔炭纳米片为实例,研究了二维多孔炭纳米片的厚度对电极内的电解液离子扩散行为的影响;探究了影响离子扩散的关键因素。结果发现,随着多巴胺反应聚合时间的加长,二维多孔炭纳米片的厚度逐渐增加。二维多孔炭纳米片的厚度,电极表面积和Warburg系数共同影响电解液离子在电极内的扩散与输运。二维多孔炭纳米片的厚度与扩散之间存在平衡关系。厚度为99±3 nm的二维多孔炭纳米片具有最大的离子扩散系数。电化学性能测试结果显示,在三电极测试体系下,6 M KOH电解液中,0.5 A g^-1电流密度下,二维多孔炭纳米片的比容量高达280 F g^-1,在100 A g^-1的大电流密度下,容量保持率高达81%。基于该材料组装成了对称超级电容器,以离子液体EMIMBF₄为电解液,当功率密度为1.8 kW kg^-1时,能量密度高达94 Wh kg^-1。以淀粉和三聚氰胺分别为碳源和氮源,采用预碳化和KOH活化的技术,制备了具有不同介孔孔容比例的高比表面积多孔炭。考察了淀粉与三聚氰胺的质量比对多孔炭微观结构和电化学性能的影响;研究了介孔的孔容对多孔炭电极内部的电解液离子扩散行为的影响。结果发现,制备的多孔炭的比表面积最高达3828 m² g^-1,随着介孔孔容比例由0.23逐渐增加到0.70,电极内的离子扩散系数逐渐增大,电极内的传质速率逐渐增强。电化学性能测试结果显示,在三电极测试体系下,6 M KOH电解液中,1 A g^-1的电流密度下,多孔炭的比容量高达351 F g^-1,在100 A g^-1的大电流密度下,容量保持率高达80.4%;1 M H₂SO₄电解液中,1 A g^-1的电流密度下,多孔炭的比容量高达323 F g^-1,在100 A g^-1的大电流密度下,容量保持率高达77.4%。组装成对称电容器,以离子液体EMIMBF₄为电解液,当功率密度为2.0 kW kg^-1时,能量密度高达115 Wh kg^-1,功率密度为47.8 kW kg^-1时,能量密度为16 Wh kg^-1,稳定循环50000圈后,容量保持率高达81.8%。