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锂离子电池和超级电容器作为新型储能器件在日常生活和社会生活中发挥着越来越重要的作用，一直以来都是研究的热点。储能容量和倍率性能的提高一直都是该领域的发展方向。本论文以石墨烯、碳纳米管等碳材料和低成本、储备丰富的金属氧化物和硫化物为研究对象，对复合电极材料的微观表/界面进行设计和调控，制备了具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命的锂离子电池和柔性超级电容器。在材料结构调控方面通过三维多孔结构的设计，增加了电极活性反应位点，从而促进电子传导和离子在电极内的扩散;在材料界面调控方面，通过掺杂、表面处理等手段针对复合材料不同组分之间界面电子、离子交换以及结合稳定性等方面进行优化。通过实验和机理的分析研究，我们认为这些调控手段有利于提高电极电化学反应活性，加速电子、离子传递和交换以及提高电极材料的抗循环性能。本论文的具体研究工作包括: (1)三维多孔结构的四氧化三铁/石墨烯负极材料的储锂性能研究 采用简单的一步煅烧法制备了具有三维多孔结构的Fe3O4/石墨烯（简称为FPG）复合材料。通过水相中氧化石墨复合纳米片与硬模板聚苯乙烯微球的静电相互作用构筑了多孔结构。利用氢氧化铁前驱体的单分散性，将其负载在三维多孔石墨烯表面，得到了均匀的纳米Fe3O4/石墨烯复合材料。由于聚苯乙烯微球模板的作用，FPG呈多孔结构，孔隙直径约300 nm，其表面负载的Fe3O4纳米颗粒平均粒径约24 nm。相比于普通法制备的Fe3O4/石墨烯（简称为Fe3O4/GS），FPG具有更快的电子传导和锂离子扩散速率并且可以有效抑制活性材料的体积变化，因此有利于提高电极材料的储锂容量和倍率性能。作为锂离子电池负极材料，FPG在200、400、800、2000和4000 mAg-1电流密度下比容量分别达到1057、843、709、569和500 mA h g-1。在长循环测试中，FPG在2Ag-1高电流密度下经过1000次循环后容量高达859 mA h g-1，而相同条件下Fe3O4/GS容量仅为201 mAh g-1。 (2)三维多孔结构的二硫化钼/石墨烯负极材料的储锂性能研究 采用一步煅烧法制备了具有三维多孔结构的MoS2/石墨烯(简称为MPG)复合材料。原位法生长以及二维结构特点使MoS2与石墨烯间保持良好的面-面接触，更有利于发挥其与石墨烯的协同作用。使用冷冻干燥法使最终产物具有更加开放的多孔结构，从而有效避免石墨烯二次堆叠，提高锂离子向电极内的扩散速度。此外，通过优化MoS2与石墨烯的物料比，(NH4)2MoS4、 GO和聚苯乙烯微球加入质量比为4∶2∶1，MoS2在MPG中含量为56.2 wt％时，表现出最优的储锂和倍率性能。MPG(421)在100、200、500、1000、2000和5000 mA g-1电流密度下储锂容量分别为1038、743、622、531、451和364 mAhg-1，在2 Ag-1下循环1000次后容量仍达到408 mA h g-1，远高于普通法制备MoS2/GS的容量(229 mAh g-1)。 (3)铯掺杂石墨烯/二氧化钛负极材料的储锂性能研究 采用水热法在铯掺杂石墨烯表面原位生长锐钛矿相TiO2，通过无水乙醇回流反应抑制TiO2水解速率，得到的TiO2平均粒径仅7nm，这有利于缩短锂离子在TiO2中的扩散距离。铯掺杂对石墨烯具有降低功函数、提高电子导电性、对石墨烯碳骨架破坏小等优点。采用简单的液相法使Cs离子吸附在石墨烯表面，经过TiO2水解后，Cs位于石墨烯与纳米TiO2间的界面上。作为锂离子电池负极材料，铯掺杂石墨烯/二氧化钛(简称为CsGT)表现出优异的储锂容量和倍率性能，在0.4 C倍率下循环100次容量保持为163mA h g-1，当倍率提高至20 C时，CsGT比容量仍高达109 mAh g-1。在长循环测试中，CsGT在40 C倍率下循环1000次容量保持为70 mA h g-1。通过交流阻抗等手段对各参照样进行对比发现，CsGT具有最小的界面电荷转移阻抗，说明Cs掺杂石墨烯的引入可以有效降低电极极化程度，从而提高电化学反应速率，达到提高倍率性能的目的。 (4)碳纳米管改性碳纤维为基底的一种高性能柔性可编织非对称一维固态超级电容器 制备了一种具有高储能密度的非对称一维固态超级电容器(a-FSSC)，高储能密度得益于正负极材料的高比容量和电容器整体的高工作电压。正极纤维基于碳纤维束，活性材料为镍钴氢氧化物(NiCo(OH)x)，使用了空气等离子体和碳纳米管对碳纤维进行表面修饰处理，改善了碳纤维与镍钴氢氧化物的界面性质，从而提高了正极纤维的电容量和循环稳定性。负极纤维也基于碳纤维束，采用简单涂敷法将活性炭负载于碳纤维束。组装得到的a-FSSC在1.6 V工作电压下能量密度和功率密度分别达到33.0μW h cm2和0.75 mW cm-2，高于多数文献报道值。经过8000次充放循环后，a-FSSC容量保持率达到100％。在机械性能测试中，a-FSSC在1000次反复弯折后容量保持率为80％，在经过1000次反复扭转后容量保持率为107％。说明a-FSSC不仅具有高储能密度，还具有优异的机械性能。将一定数量的a-FSSC串联并编织入毛线织物中，可以点亮蓝色LED灯，表明其具有应用于柔性电子器件中的潜力。