近年来,石墨烯由于其优异的性能,在电化学储能器件的应用中起着重要的作用。同时,通过各种涂覆技术制备的石墨烯基电极,也用于能量器件制作中。除此,石墨烯还可以形成纸状的薄膜电极（自支撑）,并具有高的强度、导电性、柔韧性和电化学性能,已被广泛应用于柔性储能器件。纸状薄膜电极已成为发展轻巧和柔性的电子设备的重要部件。然而,在石墨烯片“面对面”堆叠成纸时,由于π-π键相互吸引,石墨烯片会紧密地堆积在一起,这不仅造成薄膜的有效活性面积减少,也会阻碍离子的传输。此外,石墨烯由于具有有序的石墨结构,较少的缺陷,在能量存储过程中,只能利用静电吸附存储离子,导致较低的容量存储。因此,如何有效防止石墨烯片的堆叠,并引入有效的活性位点,是提高石墨烯薄膜基电极材料的关键。本论文从石墨烯薄膜的结构设计和改性的角度出发,设计制备了多种改性的石墨烯基薄膜。研究了它们直接作为电极时,在钾离子电池、超级电容器和锌离子电容器方面的电化学性能,探索了多通道孔结构、热还原温度、共价接枝有机小分子等与性能之间的关系,为以后的设计或研究高性能石墨烯薄膜电极材料提供了思路和方向。主要研究内容如下:（1）通过冷冻干燥、化学刻蚀和有机小分子共价接枝方法,制备了具有交叉耦合多孔网络结构的富N还原氧化石墨烯基薄膜,并作为高性能超级电容器的自支撑电极。系统探索了化学刻蚀时间和热还原温度对性能的影响。在优化的工艺条件下,该石墨烯基复合薄膜电极表现出较高的比容量(528 F g-1在1 A g-1的电流密度下)。在组装对称的两电极器件时,同样具有高的比容量(100.6 F g-1)和能量密度(14.0 Wh kg-1)。（2）以羧基化的聚苯乙烯球（PS-COOH）为模板,通过静电自组装的方法,使氧化石墨烯（GO）片均匀地包裹着PS-COOH球。再运用真空抽滤的方法,得到含有PS-COOH球的GO（GO@PS-COOH）薄膜。对薄膜进行热还原,PS-COOH球同时作为硬模板和官能化剂,制备了具有丰富孔结构和活性官能团的薄膜。将薄膜直接作为钾离子电池负极,在最佳的优化条件下,该多孔还原氧化石墨烯薄膜表现出较高的面积容量,在0.1 m A cm-2的电流密度下,面积容量达到0.80 m Ah cm-2。（3）利用化学刻蚀和水分子插层法制备了具有多通道孔结构的石墨烯薄膜。该薄膜不仅具有多通道的离子传输通道,碳纳米管的引入可以提高电子导电性和机械强度。此外,运用冷冻干燥技术,使H2O分子作为一种小分子间隔剂,引入到石墨烯片层间,不但防止了石墨烯的堆叠,而且增加了离子可及表面积。将该薄膜作为钾离子电池的负极材料时,展示出较高的容量(307.0 m A h g-1)和循环稳定性。当其与KVPO4F正极装成钾离子全电池时,电压窗口可以扩展到4.9 V,实现了高的能量密度(473.0 Wh kg-1/776.9 Wh L-1)。（4）以对苯二胺（PPD）为官能化剂,通过酰胺化和开环反应对氧化石墨烯进行共价接枝,再由热蒸发溶剂法快速制备氨基官能化的还原氧化石墨烯薄膜。PPD不但作为官能化剂增加活性位点,而且作为小分子间隔剂撑开石墨烯片间的距离,同时还可以改善石墨烯膜的浸润性。通过优化氧化石墨烯与PPD的质量比,最佳条件的薄膜电极获得了超高储锌能力,其面积容量达到3012.5 m F cm-2,并且具有较高的面积能量密度1.1 m Wh cm-2(功率密度为0.8 m W cm-2)。