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近年来，随着不可再生资源的过度开采和利用，能源危机和环境问题日益严重。电能作为二次能源，可以从煤、石油、天然气、核能、氢能以及生物质能中获取。在能源来源与应用之间，除一部分通过电网将电能直接输送给用户外，还有一部分需要通过电能的存储与转换的方式加以利用。
在各种能源存储和转化设备中，锂离子电池和电化学电容器分别以其的高能量密度和/或高功率密度的特性受到关注，被称为绿色电源。现有锂离子电池的正极材料容量较低，严重制约了锂离子电池的进一步发展。开发结构新颖的高容量正极材料和研究新的储锂机制显得尤为重要。此外，简单将电化学电容器和充电电池串联成单一的储能器件难以成功。如何结合前者高功率密度和后者高能量密度的优点以获得高性能的混合电化学超级储能器件是一个巨大的挑战。因此，本论文针对锂离子电池和电化学电容器中存在的重要基本问题，制备了新型无机正极材料LiFeSO4F、高容量的有机氮氧自由基聚合物正极材料以及有机自由基电化学电容器-电池混合储能器件，并测试了新材料和新储能器件的电化学性能。主要研究内容如下:
（一）LiFeSO4F/石墨烯复合正极材料的制备与电化学性能研究分别以FeSO4·H2O、FeSO4·4H2O和FeSO4·7H2O为原料与LiF在四甘醇介质中一步反应制得LiFeSO4F，通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征LiFeSO4F的结构和形貌。热重分析表明LiFeSO4F在400℃开始分解。XRD结果表明，FeSO4·4H2O和FeSO4·7H2O原料中，多个结晶水的存在可以延缓原料的脱水过程，有利于消除产物中FeSO4杂相的生成。利用循环伏安(CV)、电化学交流阻抗(EIS)和充放电实验测试了LiFeSO4F的电化学性能，发现加入石墨烯后可以提高LiFeSO4F的比容量、倍率性能和循环性能。
（二）基于双电子反应的自由基聚合物/石墨烯导电网络复合正极材料的制各和电化学性能研究聚（2，2，6，6-四甲基-4-哌啶氮氧自由基）（poly（2，2，6，6-tetramethylpiperidinyloxy-4-yl methacrylate），PTMA）作为锂二次电池正极材料，具有较高的容量，良好的充放电倍率性能和较长的循环寿命。由于PTMA导电性差，我们将石墨烯三维导电网络应用于PTMA中，通过简单的分散-共沉淀方法制备出了PTMA/石墨烯复合物并将其作为锂离子电池的正极材料。通过红外光谱(IR)、固体核磁共振谱(13C-NMR)、电子自旋共振谱(ESR)、热重分析(TGA)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)表征了材料的结构和形貌。利用循环伏安(CV)和恒流充放电实验测试了材料的电化学性能。在PTMA/石墨烯复合物中，石墨烯的加入提高了PTMA的电化学性能，呈现出双电子的反应过程和可逆的两个充放电平台。在1C下，PTMA/石墨烯复合物的容量高达222 mAh g-1;而在100 C下，循环长达20000次后，容量稳定在100 mAhg-1。其优异的倍率性能和长的循环寿命，显示出PTMA/石墨烯复合物在电化学储能装置中具有良好的应用前景。
（三）高容量PTVE氮氧自由基聚合物/石墨烯纳米复合物锂二次电池正极材料的制备与性能研究聚（4-乙烯氧基-2，2，6，6-四甲基哌啶氮氧自由基）（poly（4-vinyloxy-2，2，6，6-tetramethyl-piperidine-N-oxyl），PTVE)作为一种有前途的正极材料可应用于“更绿色和可持续”的锂离子电池中。但是PTVE的锂离子电活性低且导电性差。采用简单的共沉淀的方法，制备得到PTVE/石墨烯纳米复合物。通过红外光谱(IR)、扫描电子显微镜(SEM)、电子自旋共振谱(ESR)、热重分析(TGA)表征了材料的结构和形貌。利用循环伏安(CV)和恒流充放电实验测试了材料的电化学性能。实验表明，PTVE/石墨烯纳米复合物呈现出高的锂离子电化学活性，在2.5-3.0V和3.5-3.7 V呈现可逆的双电子反应机理以及高达261 mA hg-1的容量（理论容量270 mA h g-1），而且还有优异的高倍率容量（高达200 C）和超长的循环寿命（高达20000次）。石墨烯三维导电网络为PTVE提供了丰富的电子通道，使得氮氧自由基能够发生快速的氧化还原反应，同时石墨烯弹性网络对PTVE提供良好的化学和结构稳定性。
（四）氮氧自由基电化学电容器-电池混合储能器件的组装和电化学性能研究以多壁碳纳米管(MWCNTs)作为电极材料，易溶于电解液的有机物作为活性物质，组成超电容器-电池混合电化学储能器件。其特点是以2，2，6，6-四甲基-1-哌啶氮氧自由基（2，2，6，6-tetramethyl-1-piperidinyloxy，TEMPO）为负极活性物质，1，4-对苯二酚(hydroquinone，HQ)为正极活性物质，两者均溶解于NaOH水溶液中，用OH-离子渗透膜隔开这两种物质。利用循环伏安(CV)和充放电实验测试了储能器件的电化学性能。在扫速为1 mVs-1，以TEMPO为活性物质，MWCNTs为支撑电极材料，储能器件的比电容高达1280 Fg-1，是单独使用MWCNTs电极材料（38 Fg-1）比电容的33倍。新颖的储能器件所具有的高容量包括电极表面和电解液间的非法拉第反应产生的双电层电容以及TEMPO氮氧自由基不同氧化态间的法拉第氧化还原反应产生的赝电容。同时储能器件中的支撑电极材料、溶液中的活性物质以及隔膜可以用类似的物质替换，这种方法为获得高性能的混合电化学超级储能器件提供了一种新的思路。