目前,商业超级电容器的能量密度相对于电池来说还比较低；锂-硫电池较差的循环稳定性是其商业化的主要阻碍。因此,进一步提高超级电容器的能量密度,改善锂-硫电池的循环稳定性具有重要的研究意义。石墨烯,一种由碳原子以蜂窝格子状紧密排列的单原子厚的二维晶体材料,具有超高的理论比表面积,优异的导电性,机械柔性,以及化学和热学稳定性,使其非常适合作为导电负载基底应用到各种储能电极材料制备中。本论文将石墨烯应用到超级电容器、锂-硫电池高性能电极材料制备中,提高了超级电容器的能量密度,改善了锂-硫电池的循环稳定性。此外,我们还首次将氧化石墨烯应用到超级电容器凝胶聚合物电解质改性中,得到了高性能的全固体超级电容器。1.我们以交联的氧化石墨烯/聚乙烯醇水凝胶为前驱体,通过水热碳化、化学活化的过程,制备得到了石墨烯/无定形碳复合碳材料。通过将氧化石墨烯单分散、固定在交联聚乙烯醇水凝胶前驱体中,使石墨烯能够均匀的分散在复合碳材料中,作为导电通道提高了复合碳材料的导电性；由于水热碳化产物具有高化学活化活性,使得得到的复合碳材料具有高的比表面积。由于石墨烯/无定形碳复合碳材料同时具有优异的导电性,高比表面积,和丰富的中孔孔径分布,使其非常适合作为电极材料应用到超级电容器中。通过对超级电容器进行电化学性能表征,证明了其在有机系电解液、离子液电解液中具有优异的比电容性能、功率密度和能量密度。由于该复合碳材料的原料便宜,制备方法简易,性能优异,因此非常适合大规模制备,是一种具有重大应用价值的超级电容器电极材料。2.我们以聚合物(聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(P(VDF-HFP)))为高分子基底,离子液(1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMIMBF4))为支持电解质,氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)为添加剂,通过溶液混合、浇筑的方法制备得到了高离子导电性、宽电压稳定窗口、优异热稳定性的氧化石墨烯掺杂的离子液凝胶聚合物膜(P(VDF-HFP)-5EMIMBF4-1wt%GO)。我们以商业活性炭材料RP20作为电极材料,P(VDF-HFP)-5EMIMBF4-1wt%GO作为凝胶聚合物电解质组装了固体超级电容器,通过电化学性能表征证明了P(VDF-HFP)-5EMIMBF4-1wt%GO固体超级电容器相较于离子液EMIMBF4液体超级电容器具有更为优异的的电化学性能,表现为更高的比电容值,更低的内阻和更优异的循环稳定性。此外,我们利用制备的石墨烯／无定形碳复合碳材料作为电极材料,P(VDF-HFP)-5EMIMBF4-1wt%GO作为凝胶聚合物电解质,制备出了高性能的固体超级电容器。该固体超级电容器在维持高功率密度的同时,能量密度可以和镍氢电池以及铅酸电池相比拟,具有重大的实际应用价值。3.我们通过水热原位聚合、化学活化的方法,设计并成功制备了具有新颖结构的石墨烯层状多孔碳复合碳材料。在层状多孔碳复合碳材料中,一层多孔碳均匀的负载在石墨烯的上下表面,使其同时具有高导电性,高比表面积,丰富的中孔孔径分布,以及高孔容。层状多孔碳复合碳材料新颖的结构和优异的性能使其非常适合作为硫的负载基底应用到锂-硫电池电极材料中。我们通过S/CS2溶液溶剂蒸发和硫高温浸润的方法制备得到了负载量为68wt%的硫碳复合材料。层状多孔碳复合碳材料同时具有的高比表面积、高孔容、以及高导电性,使高负载量的硫能够以无定形态的形式高度分散,提高了硫的导电性和电化学活性,使锂-硫电池具有高比容量；由于在石墨烯的上下表面负载了一层多孔的无定形碳,这些多孔的无定形碳在硫的电化学反应中作为微小的反应容器,能够有效的阻止生成的聚硫化物的扩散,从而提高了锂-硫电池的循环稳定性。通过电化学性能表征,基于层状多孔碳硫复合材料的锂-硫电池具有高比容量,优异的倍率性能,以及好的循环稳定性。