超级电容器的能量密度E与其比电容Cm成正比,而与其工作电压U的二次方成正比(E=1/2CmU2)。因此,提高工作电压是提高超级电容器能量密度的有效途径。利用储能电位范围不同的正、负极材料组装非对称型超级电容器,可有效提高工作电压,进而提高能量密度。本文研究了氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)的水热还原,构建了三维分布还原氧化石墨烯(reduced Graphene Oxide, rGO),研究了Ni(OH)2纳米片阵列和NiO多孔纳米片阵列的制备。利用X-射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)研究了GO的还原,利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)研究了产物形貌,利用X-射线衍射(XRD)研究了产物晶体结构。利用循环伏安(CV)扫描、恒电流充放电、电化学交流阻抗(EIS)等技术研究了产物的超电容性能。以rGO为负极、分别以Ni(OH)2纳米片阵列和NiO多孔纳米片阵列为正极,组装了非对称模拟超级电容器,并研究其性能。首先将GO分散于具有三维结构的泡沫镍(NF)基底上,然后对其进行水热还原,制备分布于三维NF基底上的还原氧化石墨烯(NF/rGO)。XPS和Raman光谱研究结果表明,水热还原可有效去除GO上的含氧官能团,并对其结构缺陷有一定的修复作用。TEM和SEM观测结果表明,rGO形成很薄的片层,呈现出透明褶皱结构,NF/rGO上的rGO紧密附着于基底上形成三维分布,这有利于rGO与电解液充分接触而发挥储能性能。NF/rGO的CV曲线具有双电层电极材料典型的矩形,其恒电流充电与放电曲线基本成线性、且相互对称。在NF/rGO的交流阻抗波特图上,低频区的相位角接近-90°,表明其具有良好的超电容性能。研究了水热反应温度、水热体系中GO浓度、水热反应次数及水热反应时间对产物性能的影响,发现在2 mg/ml的GO分散体系中,150℃下保温1h,水热还原1次制备的NF/rGO-2-150-1h-1超电容性能优异,其波特图上低频区相位角为-86.5°,充放电电流密度为0.5 A/g时的比电容为184.5 F/g。电流密度增大20倍,达到10 A/g时,其比电容为160.1 F/g,比电容保持率高达86.8%。NF/rGO-2-150-1h-1也具有良好稳定性,5000次循环后比电容保持率为92.0%。首先在碳布(CC)柔性基底上预沉积NiO晶种,然后将其置于含NiSO4、氨水、过硫酸铵(Ammonium Persulfate,APS),及添加适量丙酮的水溶液中,进行Ni(OH)2的原位水热沉积。SEM观测结果表明,Ni(OH)2以纳米片形式存在,并相互交错连接形成阵列,均匀垂直分布于CC上的碳纤维表面。阵列中Ni(OH)2纳米片相互交错形成丰富孔道,有利于电解质在电极活性物质中的快速进出,有利于Ni(OH)2电化学储能。经XRD研究发现,Ni(OH)2纳米片的结构为六方晶系的CC/Ni(OH)2的CV曲线上出现了与Ni(Ⅱ)/Ni(Ⅲ)相互转化有关的氧化还原峰,其恒电流充电和放电曲线对称性良好,但略偏离线性,表明Ni(OH)2纳米片阵列主要利用法拉第赝电容储能。研究了NiSO4浓度、水热反应时间、添加剂APS和预沉积NiO晶种对Ni(OH)2水热沉积的影响。发现NiO晶种预沉积对Ni(OH)2纳米片形成至关重要,APS添加对Ni(OH)2结晶性能有较大影响,因此对CC/Ni(OH)2的超电容性能均有很大影响。将预沉积NiO晶种的CC置于含有0.10 g APS.1.32gNiSO4、3.2 ml氨水、2.5 ml丙酮和20 ml去离子水的反应釜内胆中,150℃下保温1h制备的Ni(OH)2纳米片阵列CC/Ni(OH)2-0.2-150-1h超电容性能良好,电流密度高达20 A/g时,比电容为241.0 F/g。电流密度增大至50 A/g后,比电容为164.2 F/g,比电容保持率为68.1%。因沉积于柔性CC基底,CC/Ni(OH)2-0.2-150-1h具有良好的柔韧性,弯曲0-180°后,其比电容基本不受影响。但其循环稳定性还有待改善,经5000次循环后,比电容保持率仅为81.6%。研究了后续热处理对Ni(OH)2纳米片阵列的影响,制备了NiO多孔纳米片阵列CC/NiO。热失重分析结果表明,250℃时CC/Ni(OH)2-0.2-150-1h开始热失重,发生分解反应。XRD研究结果表明,热分解反应产物为立方晶系的NiO。经SEM观测发现,热处理后碳纤维表面的纳米片阵列保留完好,NiO纳米片垂直于碳纤维表面,相互交错形成具有丰富孔道结构的阵列。TEM观测结果表明,因热处理过程中CC/Ni(OH)2-0.2-150-1h’快速分解脱水,CC/NiO上的纳米片由氧化物纳米颗粒组成,形成多孔结构。由多孔氧化物纳米片组合成阵列,形成多级微纳结构,有利于电解质在氧化物中的传质,进而有利于提高电化学性能。CV扫描和恒电流充放电研究结果表明,CC/NiO也主要利用法拉第赝电容储能。研究了热处理温度和时间对产物性能的影响,发现300℃下对CC/Ni(OH)2-0.2-150-1h热处理1.5 h制备的CC/NiO-300-1.5h超电容性能优良,电流密度为10 A/g时,比电容为276.1 F/g。电流密度增大5倍达50 A/g时,其比电容为196.4 F/g,比电容保持率为71.1%,充放电倍率性能良好。CC/NiO-300-1.5h也具有很好的柔韧性,弯曲0-180°后,其比电容基本不受影响。形成氧化物后,稳定性得以改善,10000次循环后,未发现CC/NiO-300-1.5h比电容下降。在高导电性的碳纸(CP)基底上,利用电化学沉积制备了镍钴双氢氧化物纳米片阵列。利用XRD、选区电子衍射(SAED)、SEM和TEM研究了产物的结构和形貌。结果表明,当镍钻摩尔比为3：2时电化学沉积的镍钴双氢氧化物CP/Ni(OH)2-Co(OH)2-3:2中的Ni(OH)2口Co(OH)2为α相,均匀分布于碳纸基底上,呈现出相互交错连接、半透明状的纳米片阵列形貌,形成有利于电解质传导的丰富孔道,但结晶度不高。利用CV扫描和恒电流充放电研究了产物的电化学性能,探讨了镍钴摩尔比对产物性能的影响,发现镍钴摩尔比为3：2时电化学沉积制备的CP/Ni(OH)2-Co(OH)2-3:2具有较高的电化学活性和超电容性能。当电流密度为1 A/g时,其比电容为1413.0 F/g。电流密度增大5倍达5 A/g后,其比电容为1033.6 F/g,比电容保持率为73.2%,充放电倍率性能良好。以三维分布的rGO NF/rGO-2-150-lh-1为负极,分别以Ni(OH)2纳米片阵列CC/Ni(OH)2-0.2-150-1h和NiO多孔纳米片阵列CC/NiO-300-1.5h为正极,6 mol/L KOH为电解质,组装了非对称模拟超级电容器CC/Ni(OH)2-0.2-150-lh//NF/rGO-2-150-1h1和非对称模拟超级电容器CC/NiO-300-1.5h//NF/rGO-2-150-1h-1.利用恒电流充放电实验研究了电容器工作电压和超电容性能,发现CC/Ni(OH)2-0.2-150-1h//NF/rGO-2-150-1h-1 CC/NiO-300-1.5h//NF/rGO-2-150-1h-1的工作电压均可高达1.5 V,比电容分别为83.2和102.5 F/g。在功率密度为750W/kg时,CC/Ni(OH)2-0.2-150-1h//NF/rGO-2-150-1h-1的能量密度为26.0Wh/kg,5000次循环后其比电容保持率为65.2%。750 W/kg功率密度下,CC/NiO-300-1.5h//NF/rGO-2-150-lh-1的能量密度为32.0 Wh/kg,5000次循环后的比电容保持率为94.9%,表现出很好的应用潜力。