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随着全球经济的快速发展,传统化石能源被大量消耗,亟需开发高效的能量转换和存储设备。超级电容器由于功率密度高、循环寿命长、工作温度范围宽、安全稳定等特点受到了广泛的关注,但能量密度低成为限制其应用的瓶颈。因此,需要开发新的超级电容器电极材料以提高其能量密度。纳米结构电极材料的研究加速了超级电容器的发展,相比块状材料,纳米材料具有更高的比表面积,能存储更高的能量,且小尺寸颗粒可以有效缓解充放电过程中电极的膨胀和收缩,防止电极材料粉化,提高循环稳定性。原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)是基于气态前驱体在沉积表面发生化学吸附反应的一种新型薄膜沉积技术,具有自限制和自饱和的特点。由于ALD具有优异的三维共形性和大面积的均匀性,能够在各种复杂的表面上进行沉积,且厚度精准可控,因而在超级电容器领域有很大的应用前景。本论文针对超级电容器电极材料能量密度低的问题,开展了新型纳米结构超级电容器电极材料的制备和电化学性能研究。采用简易退火方法制备了 Ni/Ni3S2核壳结构电极材料,探究了其电化学性能的变化机制。还利用ALD技术,在三维导电基底ZnO纳米线/泡沫镍(nickel foam,NF)和碳纳米管(carbonnanotubes,CNTs)/碳布(carboncloth,CC)上制备了ZnO@ZnS/NF和CNTs@Co3O4/CC两种纳米复合结构,进行了成分、微结构及形貌表征,并揭示了纳米复合结构对电化学性能的影响。最后基于分子层沉积(molecular layer deposition,MLD)技术研究了三维多孔碳电极材料的制备,初步探索了其在超级电容器领域的应用。本论文取得的主要进展如下:1.将泡沫镍在硫化氢气氛中退火,形成了 Ni/Ni3S2核壳结构。研究发现,电极材料面电容在循环初期的活化过程中不断增大,在100 mA/cm2的充放电电流密度下,面电容由最初的64.4mF/cm2增大为5137.4mF/cm2。电化学性能大幅提高的原因主要有两个,一是表面Ni3S2壳转变为容量更高的NiO,二是相对平滑的表面变成疏松多孔的纳米结构,比表面积急剧增大,后者是容量大幅提高的主导因素。随着充放电循环的进行,电极材料表面结构逐步趋于稳定,其电化学性能也趋于稳定,展示出非常好的循环稳定性,80000次循环充放电后性能无明显衰减。此外,得益于泡沫镍基底良好的导电性和巨大的比表面积,该材料也具有优异的倍率性能。2.使用ALD技术对三维导电基底进行活性材料的包裹,成功制备了ZnO@ZnS/NF和CNTs@Co3O4/CC两种纳米复合结构。ALD沉积的300循环ZnS,均匀地包裹在ZnO纳米线表面,形成核壳结构。ZnO@ZnS/NF纳米复合结构电极具有优异的倍率性能,当电流密度提高到10倍时,电容保持率为86.8%。经过20000次循环后电极材料容量没有丝毫衰减,具有极佳的循环稳定性。其优异的电化学性能主要归因于三维基底良好的导电性与巨大的比表面积。此外,采用等离子体增强原子层沉积(plasma-enhanced ALD,PEALD)技术在CNTs/CC表面沉积了 800、1600和2400循环的CO3O4,发现Co3O4能对CNTs进行均匀的包裹,并且以纳米颗粒形式存在,纳米颗粒随着循环数的增加而增大。PEALD沉积Co3O4后,CNTs@Co3O4/CC比电容有了明显的提高,约为CNTs/CC的10倍,Co3O4/CC的3.3倍。并且该纳米复合电极材料具有良好的倍率性能,当电流密度提高到8倍时,电容保持率为65.7%。在经过50000次循环后,容量没有衰减,具有非常好的循环稳定性。此外,电极材料的面电容随着PEALD沉积循环次数的增加而增加。3.使用泡沫镍为模板,首次基于MLD衍生的无机-有机杂化物为前驱体,发展了一种制备三维多孔碳材料的方法。研究表明,MLD方法可在泡沫镍上均匀包裹一层铝基富马酸杂化物,经氢气中700℃C热处理后,杂化物转变成无定形碳和Al2O3的混合结构,通过腐蚀去除泡沫镍模板和Al2O3后,可获得超轻的三维多孔碳结构材料,基于商用泡沫镍模板制得的三维多孔碳材料面密度仅为0.07 mg/cm2。目前该三维多孔碳材料电化学性能尚有待于进一步改进。