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随着能源和环境危机逐渐引起广泛关注，超级电容器作为一种新型能源存储设备成为能源存储领域的研究热点之一。尤其是寻求一种电容大、功率密度和能量密度同时较高、倍率性能稳定、循环性能和安全性良好的超级电容器电极材料是一巨大挑战。ABO3型钙钛矿氧化物材料在适当的电解液中通过可逆的氧化还原反应使电极具备可观的电荷储存能力，并且提供良好的导电性能和较高的赝电容，因此其作为电极材料应用在超级电容器中将具有明显的优势和巨大的潜力。尽管ABO3型钙钛矿氧化物展现了如此突出的性能，但是传统方法制备的产物往往电子传输性较差和比表面积较小，使得它作为电极材料并没有表现出优异的电容性能。通常提高电极材料的电化学性能有两种策略：（I）改善合成方法，控制产物的形貌，从而提高电极材料的比表面积，增加反应活性位点；（II）制备二元或三元复合物，以改善电极材料的电子传导性和循环稳定性。
本论文首先利用静电纺丝法和模板法制备了一系列LaxSr1-xFeO3、GdxSr1-xNiO3纳米纤维和GdNiO3@C复合物，然后从中选出电化学性能最优秀的Gd0.7Sr0.7NiO3纳米纤维进一步制备出还原氧化石墨烯@Gd0.7Sr0.3NiO3@聚对苯二胺三元复合物，并使用静电纺丝法制备的LiCoO2纳米纤维代替活性炭作为正极材料，得到了一种性能优良的非对称超级电容器。主要研究内容如下：
（1）采用静电纺丝技术和在LaFeO3中掺杂Sr来控制产物的宏观形貌和微观结构，制备了一系列LaxSr1-xFeO3（LSF-x，x=0.1、0.3、0.5、0.7、1）钙钛矿型氧化物纳米纤维，系统地探讨了纳米纤维的结构、形貌和电化学性质。研究发现，LSF-0.7的比表面积达到了最大值27.96 m2·g-1，孔径主要分布在5.71 nm左右，纤维内部出现大小不一的不连续介孔结构，在1 M Na2SO4电解液中的比电容值都比其它样品更高，电压窗口宽至-1~1 V，在扫描速率5 mV·S-1时的比电容达到513.0 F·g-1，高于之前报道的LaFeO3及其衍生物。
（2）更换AB位阳离子后用静电纺丝法制备了一系列GdxSr1-xNiO3（GSN-x，x=1、0.9、0.7、0.5、0.3）纳米纤维。通过分析样品的晶体结构、形貌和电化学性能发现，当将 Sr 元素的掺杂含量控制在一定比例之内时（x＞0.3），样品的钙钛矿构型可以保持稳定，并且可以增加样品的氧空穴以及比表面积，而当x=0.3时，纤维中孔洞消失，直径收缩转变成荆棘状纤维。其中 Gd0.7Sr0.3NiO3纳米纤维样品的比表面积最大，且具有完整稳定的纤维形貌和多孔结构，尤其是在中性电解液中的电化学性能比其它样品更高。基于此制备的AC//GSN-0.7非对称型的超级电容器展现出比GSN-0.7//GSN-0.7对称型超级电容器更好的性能，其电压窗口为0~2 V，在电流强度为1 A·g-1时电容为96.9 F·g-1，最大能量密度为53.8 Wh·kg-1，同时相应的功率密度为1000 W·kg-1。对器件进行5000次的循环充放电实验后，其比电容值可仍为初始值的62.7%。
（3）通过静电纺丝法合成了一种内部布满介孔结构的3D网状LiCoO2纳米纤维，分别以1 M Li2SO4、1 M Na2SO4、1 M LiOH、1 M KOH和6 M KOH溶液为电解液，在三电极体系中测试了样品的电化学性能。结果表明，产物是良好的三方层状结构的LiCoO2，纳米纤维是纳米晶体颗粒聚集组成的蜂窝状的介孔网络结构，比表面积和孔径高达58.13 m2·g-1和35.18 nm。在1 M Li2SO4中的电化学活性比其它电解液更卓越，不仅电压窗口宽至-1~1 V，在扫描速率5 mV·S-1时比电容高达583.4 F·g-1。通过一系列表征证明了利用静电纺丝能够实现对样品的宏观形貌和微观结构进行调控，并提高样品的电化学活性。
（4）利用一种以过渡金属Ni和稀土金属Gd为配位金属离子的异核配合物作为模板制备了 GdNiO3@C 复合材料，其形貌是表面粗糙的片层堆叠的介孔网状结构，比表面积和孔径高达61.58 m2·g-1和26.64 nm。研究结果表明，复合物在1 M Na2SO4中的电化学性能不仅高于在Li2SO4、LiOH、KOH电解液中的电化学性能，也比静电纺丝法制备的GdNiO3纳米纤维更优越，其电压窗口为-1.1~1.1 V，在扫描速率5 mV·S-1时比电容高达817.0 F·g-1。组装的非对称电容器LiCoO2//GNO@C在电流强度为1 A·g-1时最大电容为111.7 F·g-1，最大能量密度为52.9 Wh·kg-1，同时相应的功率密度为900 W·kg-1；而在电流强度为 20 A·g-1 时其最大功率密度为 18 kW·kg-1，同时其能量密度为 17.3 Wh·kg-1，对器件进行5000次的循环充放电后仍为初始值的86.7%。
（5）首先选择之前研究工作中电化学性能最好的静电纺丝法制备的Gd0.7Sr0.3NiO3纳米纤维，利用还原氧化石墨烯将其包覆，制备了四种不同质量比1:2、1:4、1:6和1:8的 rGO@Gd0.7Sr0.3NiO3二元复合物。测试结果表明，BET 比表面积和平均孔径也随着GSN-0.7的质量增多逐渐减小，其中GG-4的BET比表面积是82.34 m2·g-1，平均孔直径是27.47 nm，形貌是纳米纤维被rGO完全包覆的多孔网络结构，并且其电化学活性最高。然后选择该二元复合物和聚对苯二胺（PpPD）复合制得 rGO@GSN-0.7@PpPD三元复合物，获得的复合物既保留了配合物模板的多孔多层网状结构骨架，又具备Gd0.7Sr0.3NiO3和聚苯胺聚合物在电化学性能上的优势，在扫描速率5 mV·S-1时比电容高达1410.2 F·g-1。最后制备了对称电容器GGP//GGP、混合电容器AC//GGP和不对称电容器LiCoO2//GGP，三者的工作电压均为-1~1 V，最大比电容值依次增大，在实际应用中的循环稳定性也依次增大。非对称电容器LiCoO2//GGP在电流强度为1 A·g-1时最大电容为114.6 F·g-1，最大能量密度为63.6 Wh·kg-1，同时相应的功率密度为1 kW·kg-1，对器件进行 5000 次的循环充放电后仍为初始值的 90.1%，而其在电流强度为 20 A·g-1时最大功率密度为20 kW·kg-1，同时其能量密度为24.2 Wh·kg-1。
本论文首先利用静电纺丝法和模板法制备了一系列LaxSr1-xFeO3、GdxSr1-xNiO3纳米纤维和GdNiO3@C复合物，然后从中选出电化学性能最优秀的Gd0.7Sr0.7NiO3纳米纤维进一步制备出还原氧化石墨烯@Gd0.7Sr0.3NiO3@聚对苯二胺三元复合物，并使用静电纺丝法制备的LiCoO2纳米纤维代替活性炭作为正极材料，得到了一种性能优良的非对称超级电容器。主要研究内容如下：
（1）采用静电纺丝技术和在LaFeO3中掺杂Sr来控制产物的宏观形貌和微观结构，制备了一系列LaxSr1-xFeO3（LSF-x，x=0.1、0.3、0.5、0.7、1）钙钛矿型氧化物纳米纤维，系统地探讨了纳米纤维的结构、形貌和电化学性质。研究发现，LSF-0.7的比表面积达到了最大值27.96 m2·g-1，孔径主要分布在5.71 nm左右，纤维内部出现大小不一的不连续介孔结构，在1 M Na2SO4电解液中的比电容值都比其它样品更高，电压窗口宽至-1~1 V，在扫描速率5 mV·S-1时的比电容达到513.0 F·g-1，高于之前报道的LaFeO3及其衍生物。
（2）更换AB位阳离子后用静电纺丝法制备了一系列GdxSr1-xNiO3（GSN-x，x=1、0.9、0.7、0.5、0.3）纳米纤维。通过分析样品的晶体结构、形貌和电化学性能发现，当将 Sr 元素的掺杂含量控制在一定比例之内时（x＞0.3），样品的钙钛矿构型可以保持稳定，并且可以增加样品的氧空穴以及比表面积，而当x=0.3时，纤维中孔洞消失，直径收缩转变成荆棘状纤维。其中 Gd0.7Sr0.3NiO3纳米纤维样品的比表面积最大，且具有完整稳定的纤维形貌和多孔结构，尤其是在中性电解液中的电化学性能比其它样品更高。基于此制备的AC//GSN-0.7非对称型的超级电容器展现出比GSN-0.7//GSN-0.7对称型超级电容器更好的性能，其电压窗口为0~2 V，在电流强度为1 A·g-1时电容为96.9 F·g-1，最大能量密度为53.8 Wh·kg-1，同时相应的功率密度为1000 W·kg-1。对器件进行5000次的循环充放电实验后，其比电容值可仍为初始值的62.7%。
（3）通过静电纺丝法合成了一种内部布满介孔结构的3D网状LiCoO2纳米纤维，分别以1 M Li2SO4、1 M Na2SO4、1 M LiOH、1 M KOH和6 M KOH溶液为电解液，在三电极体系中测试了样品的电化学性能。结果表明，产物是良好的三方层状结构的LiCoO2，纳米纤维是纳米晶体颗粒聚集组成的蜂窝状的介孔网络结构，比表面积和孔径高达58.13 m2·g-1和35.18 nm。在1 M Li2SO4中的电化学活性比其它电解液更卓越，不仅电压窗口宽至-1~1 V，在扫描速率5 mV·S-1时比电容高达583.4 F·g-1。通过一系列表征证明了利用静电纺丝能够实现对样品的宏观形貌和微观结构进行调控，并提高样品的电化学活性。
（4）利用一种以过渡金属Ni和稀土金属Gd为配位金属离子的异核配合物作为模板制备了 GdNiO3@C 复合材料，其形貌是表面粗糙的片层堆叠的介孔网状结构，比表面积和孔径高达61.58 m2·g-1和26.64 nm。研究结果表明，复合物在1 M Na2SO4中的电化学性能不仅高于在Li2SO4、LiOH、KOH电解液中的电化学性能，也比静电纺丝法制备的GdNiO3纳米纤维更优越，其电压窗口为-1.1~1.1 V，在扫描速率5 mV·S-1时比电容高达817.0 F·g-1。组装的非对称电容器LiCoO2//GNO@C在电流强度为1 A·g-1时最大电容为111.7 F·g-1，最大能量密度为52.9 Wh·kg-1，同时相应的功率密度为900 W·kg-1；而在电流强度为 20 A·g-1 时其最大功率密度为 18 kW·kg-1，同时其能量密度为 17.3 Wh·kg-1，对器件进行5000次的循环充放电后仍为初始值的86.7%。
（5）首先选择之前研究工作中电化学性能最好的静电纺丝法制备的Gd0.7Sr0.3NiO3纳米纤维，利用还原氧化石墨烯将其包覆，制备了四种不同质量比1:2、1:4、1:6和1:8的 rGO@Gd0.7Sr0.3NiO3二元复合物。测试结果表明，BET 比表面积和平均孔径也随着GSN-0.7的质量增多逐渐减小，其中GG-4的BET比表面积是82.34 m2·g-1，平均孔直径是27.47 nm，形貌是纳米纤维被rGO完全包覆的多孔网络结构，并且其电化学活性最高。然后选择该二元复合物和聚对苯二胺（PpPD）复合制得 rGO@GSN-0.7@PpPD三元复合物，获得的复合物既保留了配合物模板的多孔多层网状结构骨架，又具备Gd0.7Sr0.3NiO3和聚苯胺聚合物在电化学性能上的优势，在扫描速率5 mV·S-1时比电容高达1410.2 F·g-1。最后制备了对称电容器GGP//GGP、混合电容器AC//GGP和不对称电容器LiCoO2//GGP，三者的工作电压均为-1~1 V，最大比电容值依次增大，在实际应用中的循环稳定性也依次增大。非对称电容器LiCoO2//GGP在电流强度为1 A·g-1时最大电容为114.6 F·g-1，最大能量密度为63.6 Wh·kg-1，同时相应的功率密度为1 kW·kg-1，对器件进行 5000 次的循环充放电后仍为初始值的 90.1%，而其在电流强度为 20 A·g-1时最大功率密度为20 kW·kg-1，同时其能量密度为24.2 Wh·kg-1。