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锂离子电容器作为新型的电化学储能系统，结合了锂离子电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度，在能源存储领域展现出显著的优势。然而，锂离子电容器正极双电层低的比电容和石墨负极差的倍率特性，限制了其能量密度和功率密度的进一步提高。纳米碳材料，特别是石墨烯，具有优异的电学、力学性质，超高比表面积和稳定性，可望在锂离子电容器中获得应用。因此，本论文从微观尺度出发，表征了石墨烯在电化学储锂中的作用，实现了石墨烯-固态电解质固固界面的构筑，并利用该固固界面获得了高稳定性、低自放电的石墨烯电极材料，在此基础上，设计了智能锂离子电容器的电芯结构，获得了兼具高能量、高功率、长寿命、低自放电特性的智能锂离子电容器。取得的主要结果包括: （一）通过原位透射电镜研究阐明了石墨烯在电化学中的作用机理 以石墨烯/氧化镍纳米片复合材料为模型体系，通过在透射电子显微镜中构建纳米电池，首次在微观尺度下，对石墨烯的电化学储锂过程进行了直接观察并提出了作用机理:石墨烯可提供锂离子扩散的快速通道;石墨烯可改善活性材料与锂离子的反应动力学并促进其均匀反应;石墨烯可与活性材料形成稳定界面提高电极的循环性能。通过原位观察和统计分析三组样品（氧化镍、氧化镍/石墨烯水热复合样品、氧化镍/石墨烯机械混合样品）中锂离子的扩散和反应动力学过程，结合理论计算，揭示了石墨烯与活性材料之间形成的强界面结合是提高复合材料电化学性能的关键。 （二）采用电化学预包覆方法构建了纳米碳-固态电解质固固界面 固态电解质比电解液具有更高的电压窗口、更加优异的安全性和稳定性等一系列优势，然而，低的离子电导和高的界面阻抗限制了固态电解质的应用。提出了电化学预包覆方法，实现了电极表面薄层固态电解质膜(～3 nm)的包覆和固固界面的构建。该薄层固态电解质和电极贴合良好，表现出优异的离子扩散能力。根据固固界面的认识，提出了脱溶剂化、单层离子吸附的固固界面双电层模型。溶剂化层的去除，使得吸附离子到电极表面的距离减小，相比于传统的固液界面，石墨烯材料的双电层比电容提高了60％。同时，该固固界面可在多种纳米碳材料表面上形成，为高容量双电层的电极设计提供了新方法。 （三）固固界面在石墨烯锂离子电容器中的应用 薄层固态电解质包覆在电极表面，在充分发挥固态电解质的优势的同时，消除了固态电解质自身低离子传导对于性能的不利影响。一方面，由于该固态电解质的电子绝缘性，可有效抑制1.1V-1.5V vs.Li/Li+电位区间内电解液在电极表面的分解，获得高容量、高倍率和高稳定性的石墨烯正极。将该石墨烯正极进行电化学电荷注入后组装成锂离子电容器，其能量密度可高达160 Wh/kg，倍率性能优异，且每循环衰减率仅为0.011％，是目前锂离子电容器的最高性能;另一方面，该固态电解质膜有效改善了电极和器件的自放电特性，固态电解质中离子的热运动受限，极大降低了金属杂质离子与双电层吸附离子的接触，同时固固界面消除了含氧官能团对自放电过程的不利影响。该方法具有普适性，适用于多种碳电极材料，且对于其它电化学储能体系，同样具有借鉴意义。 （四）设计并制备出智能锂离子电容器: 智能化是未来器件的主要发展方向之一，通过智能电芯的设计可有效提高电化学储能器件的用户体验。同时，设计实用化的电芯结构来实现上述锂离子电容器技术，是实验室技术走向产业化的关键。为此，提出并设计了锂离子电容器的智能电芯，在商业化叠片软包电芯的基础上，通过简单引入一个锂电极，在实现上述锂离子电容器技术的同时，实现了对正负极电位的监控，避免了析锂和胀气等安全隐患的出现，同时可通过锂电极来有效地实现电芯容量的自恢复和安全隐患的消除，缓解了废旧电芯带来的资源和环境问题。