随着社会的不断进步和发展,世界能源供给将逐渐从化石燃料转移到可再生能源。可再生能源应用面临的主要问题就是如何储备能源。锂离子电池和超级电容器因其各自的储能优势而受到广泛的关注。在储能器件中,电极材料是关键,它决定着器件的主要性能指标。石墨烯因其具有大的比表面积、超高的电导率、优异的机械性能等特性在能量储存领域受到广泛关注。但实际应用中,石墨烯与石墨烯之间的接触电阻远大于其本身的电阻。三维石墨烯不仅具有石墨烯固有的理化性质,其三维多孔的微/纳米结构还使其具有大的比表面积、高的机械强度、优越的电子传导能力及传质快速等优良特性。由于其优异的性能三维石墨烯及其复合材料已广泛的应用于纳米电子学、能量储存和转换、化学和生物传感等研究领域。化学气相沉积法制备的三维石墨烯因纯度高、结晶性良好、机械性能优良等而备受关注。因此,以化学气相沉积法制备的三维石墨烯及其纳米复合材料对于提高储能器件的性能具有十分重要的意义。在本论文中,研究内容包括以下几点:(1)近期,合成和应用具有高能量密度,长循环寿命的新型纳米材料受到了广泛关注。在此,我们报道了一种简单、低成本的水热法在三维石墨烯表面生长类蜂窝状CoMoO4纳米片,应用于超级电容器的电极材料。类蜂窝状强耦合CoMoO4-三维石墨烯(NSCGH)电极的测试结果表明该电极具有高容量,长循环寿命(在400Ag-1的电流密度下,经过100000次循环,容量保持率达到96.36%)的特性。组装的的非对称超级电容器(NSCGH电极和活性炭作为正负极)和对称超级电容器(正负极均采用NSCGH电极)均表现出了高能量密度和良好的循环稳定性。(2)在电能存储领域,当需要进行高功率运转时,超级电容器可以全部或者部分替代电池。但是新型超级电容器电极材料能量密度低的问题仍阻碍了超级电容器的实际应用。在此,我们合成了一种三维石墨烯复合单层Co(OH)2的电极材料。由于三维石墨烯优异的电导率和单层Co(OH)2的氢原子几乎100%裸露在最外层,因此该电极展现出了超高的容量(以复合材料质量计算,容量为1732.8 F g-1,以单独Co(OH)2计算,容量达到了 3265.6F g-1)和长循环寿命。组装的非对称超级电容器展现了超高的能量密度(能量密度为2160 W kg-1时能量密度达到了160.69 Wh kg-1)和长循环寿命(2000次循环容量保持率为98%)。(3)在本章中,我们采用了化学气相沉积法制备的三维石墨烯作为电极材料的基底和集流体,将MoS2通过化学气相沉积法原位生长在三维石墨烯表面。通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对材料的形貌进行表征,复合材料的晶型结构通过XRD进行确定。在电化学测试过程中,复合材料直接作为锂离子电池电极使用,避免了导电剂和粘结剂等对电池性能的影响。实验结果表明三维石墨烯/MoS2电极具有较高的可逆容量、优异的稳定性和良好的倍率性能。(4)我们报道了以等离子体刻蚀制备石墨烯纳米带复合三维多孔石墨烯(GNHPG)泡沫作为电极应用于柔性铝离子电池。GNHPG电极具有大量,分布均匀的纳米孔洞,更加有利于AlCl4--离子的嵌入和脱出,不仅克服之前的石墨边缘限制效应增加了容量,同时获得了更低的充电截止电压,减少副反应的发生(之前报道的截止电压在2.45 V,略高于电解液的分解电压)。GNHPG展示了优异的电化学性能:在5000 mA g-1电流密度下放电容量达到了 123 mAh g-1;10000次循环没有出现衰减且库伦效率高于98%。电池同时展现了快充慢放性能(充电80s,放电超过3100s)。更重要的是,电池展示了独特的高低温性能:(1)在高温时(20-80℃),有很高的放电容量(5000 mA g-1电流密度下容量为123 mAh g-1)和循环稳定性;(2)在低温环境下(～0℃),拥有几乎100%的库伦效率和循环稳定性。