多孔碳材料由于其高比表面积、高导电性、成本较低等特点在储能方面有着广泛的应用。但是多孔碳用于超级电容器、锂离子电池、钠离子、锌离子电池等储能领域时,容量一般都比较低。因此,本论文从多孔碳的微观孔结构、杂原子掺杂、石墨化程度等角度来优化多孔碳材料,有效提高了多孔碳材料的比容量、倍率和循环稳定性。首先,以柠檬酸钠为碳前驱体,采用简单的方法制备了厚度约为10nm的超薄多孔碳壳。该材料的电导率高达7.12 S/cm,在不添加任何导电添加剂的情况下,该材料用作超级电容器电极材料具有良好的倍率性能。这种相互交联的超薄碳纳米片结构有效地缩短了离子传输路径,有效提高了多孔碳材料在大电流下的容量,获得了超高的倍率性能。其次,以葡萄糖和硝酸锌为原料,采用直接炭化法制备了三维分级多孔碳,研究了碳化温度对孔结构形成的影响。三维分级多孔碳的结构优势非常明显,大孔用作电解液离子存储库,微孔提供足够的比表面积用来离子吸附,介孔加快了离子传输,并作为连接材料外部与内部微孔的桥梁。因此当用于超级电容器电极材料时,三维分级多孔碳表现出高的比容量、优异的倍率性能以及循环稳定性。然后,从原子掺杂的角度出发,以葡萄糖、硝酸锰和次磷酸钠为原料,直接热解合成了磷氧共掺杂的三维分级多孔碳(P-3DHPCs)。葡萄糖和次磷酸钠分别作为碳源和磷源。次磷酸钠的量对P-3DHPCs的结构和磷掺杂含量有重要影响。当用作超级电容器电极材料时,结果表明磷氧元素的掺杂在碳的双电层吸附机制的基础上引入了赝电容,有效地提高了多孔碳材料的比容量。基于掺杂的优势,我们合成了具有分级孔结构和均匀氮硫氧掺杂的多孔碳材料。分级孔结构(微孔、介孔和大孔)有利于离子的有效吸附和快速传输,掺杂原子可以引入电化学活性位点,增加赝电容。因此,该碳材料作为超级电容器电极材料时具有良好的电化学性能,显著提高了碳基电容器的比能量密度。从多孔碳材料石墨化程度的角度出发,制备了一种先进的碳纳米结构,利用过渡金属的催化作用,使得多孔碳材料部分sp~3杂化碳原子催化转化到sp~2杂化碳,同时形成具有石墨结构的多孔碳材料。由于碳化温度低,碳化时间短,以及不同金属的催化程度不同,得到了一系列晶面间距在0.34~0.44 nm的扩大的类石墨层结构,并同时具有缺陷和无定型以及多孔碳结构。这种先进的碳材料作为锂离子电池和钠离子电池的负极材料时,获得了优异的电化学储锂/储钠性能。最后,制备了无定形碳/氧缺陷钒酸钾复合材料用于水系锌离子电池正极材料,无定形碳不仅提高了复合材料的导电性,同时也为锌离子的吸附提供了活性位点,电容行为的引入大大提高了复合材料的倍率性能。另外,钒酸钾中的氧缺陷结构也大大提高了锌离子的扩散能力和电化学反应可逆性。两者的协同作用使得该复合材料具有优异的电化学储锌性能。