能源危机的加深以及日益增长的环境问题,使得安全可靠、性能卓越的电化学储能器件需求量不断增加。基于水相电解质的电化学储能器件由于其可靠的安全性以及相对低廉的成本,在电动机车、间歇性新能源(太阳能、风能等)及大规模电网能量存储等方面展现出了巨大优势。其中,具有高理论能量密度的水系赝电容和价格低廉的水系铁镍电池,具有极大的开发应用前景。本论文主要着重于解决水系赝电容电极材料(主要是氧化钌水合物和聚苯胺)以及铁镍电池铁负极材料中存在的问题,开发具有较强应用潜力的高性能、安全可靠的水系电化学储能电极材料。本论文研究内容主要包括以下三大部分：(1)基于空心氧化钌水合物的水相高性能超级电容器电极材料利用牺牲模板法,以梭状α-Fe2O3为模板,通过水热合成方法制备方法得到了一种梭状空心纳米氧化钌水合物(RuO2·xH2O)。在合成过程中,我们发现在反应体系中引入适量酸可调控α-Fe2O3模板的溶解和Ru3+的水解速率,对空心结构的形成起到了非常重要的作用。空心结构提供了高比表面积和短质子传输距离,水热合成方法能平衡水合物的结晶度和含水量,极大地增强了产物的电子和质子的传输速率。测试结果表明,合成的梭状空心氧化钌水合物有很好的倍率性能表现,在充放电速率为20Ag-1和40Ag-1时容量分别为502 Fg-1和360 Fg-1,相比于0.5 Fg-1时的容量(772 Fg-1),容量保持率分别为65%和47%。此外,该电极材料还具有很好的循环稳定性,在4Ag-1的大电流下,充放电循环1000次,容量提高了19%。受到空心结构能有效提高氧化钌水合物电化学性能的启发,我们以碱式碳酸钻纳米阵列为模板,通过水浴合成的方法直接在金属Ti基底上制备得到了氧化钌水合物纳米管阵列。合成的材料可以直接作为无粘结剂的电极使用。氧化钌水合物在金属基底上的直接生长,极大地减少了传统电极制备过程中使用粘结剂以及电极材料与集流体之间界面接触电阻对电极整体导电性的不利影响,同时因为空心纳米管阵列结构在电子、质子快速传输方面的独特优势,使得制备出的材料具有超高的倍率性能表现。测试结果表明,制备得到的氧化钌水合物无粘结剂电极在32 Ag-1时容量达到了745 Fg-1,相比于2 Ag-1时840 Fg-1的容量,仅损失了11.2%。同时,该电极还具有很好的循环稳定性。(2)基于生物质的3D多孔碳材料的制备及在聚苯胺赝电容复合电极材料中的应用为了得到一种连续多孔、廉价的碳材料作为超级电容器复合电极材料的生长基底和集流体,我们通过对玫瑰花瓣进行处理及后续的氮气保护高温退火,得到了基于玫瑰花瓣的连续3D多孔碳骨架,该碳材料石墨化度高,导电性好,是一种较为理想的复合电极材料碳基底。我们通过低浓度、低温聚合的方法,在该碳骨架上生长了聚苯胺(PANI)的纳米棒阵列结构。通过研究前驱液中不同苯胺单体浓度对制备纳米阵列结构的影响,得出了反应体系最佳苯胺单体浓度为0.05 M,此时碳骨架上PAN负载量最大,所得复合材料的容量最高。碳骨架连续3D多孔的特点可以有效的提高电子传输速率,减短离子传输距离。PAN的阵列结构可以很好的缓冲其充放电过程中掺杂／去掺杂过程引起的膨胀／收缩,减少聚合物形变对基底的弯曲应力。同时,碳骨架的支撑能很好地维持复合材料的整体稳定性。电化学测试显示,制备的复合材料容量高,倍率性能高(相比于0.5Ag-1时,在8和16Ag-1时容量保持率分别高达56.6和44.8%),循环稳定性好(2 A g-1情况下2000次循环,容量保持率为89%)。通过其与单纯聚苯胺纳米纤维的电化学性能对比,进一步证明了复合材料在容量、倍率,特别是循环稳定性方面的巨大优势。该工作中应用的基于玫瑰花的3D多孔碳骨架具有环境友好、成本低廉、制备简单等特点,合成的复合电极材料性能优良,为基于PANI的高性能水系赝电容电极材料的制备提供了一种新思路。(3)高性能碳包裹铁颗粒负极材料的制备及其在水相铁镍电池中的应用利用聚丙烯酸高分子链上羧酸跟阴离子与金属阳离子的静电吸附作用,制得了均匀含铁的复合聚合物。后通过简单的烘干、热解过程,得到了石墨碳层均匀包裹交联的铁纳米颗粒。铁纳米颗粒具有很高的电化学活性。碳层对铁纳米颗粒的包裹交联,很好的增强了电极材料的整体导电性,同时也能非常有效的遏制了长循环中铁电极材料的团聚。电化学测试结果显示,该电极材容量高(1 Ag-1时容量为314mAh g-1)、倍率性能好(32Ag-1时容量为224 mAh g-1)、循环性能优秀(1000圈循环后容量保有率为90%),并且充电效率高(>90%)。同时,该合成过程简单,未涉及到价格昂贵的石墨烯等碳材料,为高性能镍铁电池提供了更好的铁负极材料。为了与合成的铁电极材料进行匹配,我们以尿素、蔗糖等为原料,利用高温过程和微波辅助合成方法制备了Ni(OH)2和氮掺杂石墨烯(NG)的复合正极材料。将制备的铁负极材料与合成的Ni(OH)2/NG正极材料进行匹配,结果显示所组成的全电池性能优秀,功率密度为0.7 kW kg-1时,能量密度为136.7 Wh kg-1,当功率密度提高到11.7kW kg-1时,能量密度仍能保持到71.4 Wh kg-1。同时,全电池循环性能优秀,1000次循环后,容量保持率为86%。全电池优秀的性能很好的验证了所制备铁负极材料极大的应用潜能。为了进一步得到能大规模商业化的高性能铁负极材料,我们又采用价格低廉的羰基铁为原料,经过简单的碱性水解,通过气溶胶辅助(Aerosol assisted process)的方法(该方法具有连续可放大的特点),制备了大量铁纳米颗粒(粒径大概为30 nm)。后将其与碳源(如蔗糖)混合并高温热解,就得到了大量石墨碳层包裹的铁纳米颗粒。电化学测试结果显示该铁负极材料同样具有优良的电化学性能,同时原料价格低廉、制备过程简单有效,具有大规模制备和市场化的潜在能力。