超级电容是一种介于传统电介质电容和二次电池之间的电化学储能装置,具有高功率密度、快充放电速度、长循环寿命、宽工作温度范围和高安全性等优点,在新能源和电力交通等领域具有非常广阔的应用前景。根据储能机理,超级电容可分为双电层电容和赝电容。其中双电层电容虽然具有极高的功率密度但存在能量密度较低的缺点。而赝电容则能兼顾能量密度和功率密度,对于构架多层次电化学储能系统以适应不同需求有着重要意义。常见的赝电容电极材料主要包括过渡金属氧化物、过渡金属氮化物和导电聚合物等。将上述赝电容活性材料直接用于超级电容储能存在以下问题:（1）容易团聚,阻碍离子的扩散,活性材料利用率低;（2）多数活性材料导电性较差;（3）充放电过程易造成活性材料的形变和相变,使其使用寿命缩短。针对上述问题,常见的解决办法是将赝电容活性材料与具有较大比表面积、良好导电性、化学性能稳定的碳材料复合,构建赝电容碳基底复合电极。等离子体法生长的垂直取向石墨烯由于一系列优异的性质而被认为是理想的赝电容基底材料。具体表现为:（1）比表面积大,有利于活性材料的分散;（2）开放式的通道,有利于离子传输;（3）导电性好,有利于电子传输;（4）通过等离子方法可以直接生长在集流体上,减小接触电阻。本论文针对以垂直取向石墨烯为基底的高性能赝电容储能开展系统研究。首先,通过电化学石英晶体微天平原位检测技术和分子动力学模拟结合的方法,开展垂直取向石墨烯静电吸附机理研究。结果表明,不同高度的垂直取向石墨烯静电吸附储能过程中的离子传输规律相近,说明储能主要发生在边缘区域,即边缘区域电荷聚集;具有不同电负性和尺寸的阴离子对储能过程会造成不同的影响。该结论将为后续基于垂直取向石墨烯的赝电容电极构筑以及电解液的选择提供理论指导。基于上述微观机理,选择电化学沉积法将具有低电导率的二氧化锰沉积到垂直取向石墨烯边缘,构建了一种三维立体多级复合电极结构。通过对垂直取向石墨烯基底的适度氧化,有效提高了基底的利用率,同时也使二氧化锰纳米片厚度更小、均匀性更好。该复合电极表现出较高的比电容、较好的倍率性能和良好的循环性能。在扫描速率为2 m V s^-1时,电极的比电容为612 F g^-1;当扫描速率增加到200 m V s^-1时电容保持率为51.3%。在扫描速率为100 m V s^-1,经过5000次的循环伏安测试后,电容保持率高达109%,且依然保持较好的力学性能。将其组装成非对称超级电容后,获得了30.4 Wh kg^-1的能量密度和27.8k W kg^-1的功率密度,是具有最高储能性能的相似结构的复合电极之一。上述优异的储能性能可归结于以下几点原因:（1）垂直取向石墨烯作为桥梁建立起二氧化锰与集流体之间的多位点电子传输通道;（2）垂直取向石墨烯开放式的结构、巨大的比表面积和密集丰富的边缘实现了二氧化锰的分散,纳米结构的细化,有利于离子的扩散;（3）多级结构在充放电过程中对活性材料的膨胀和收缩起到缓冲作用,有效提高了使用寿命。此外,通过简单涂覆的方法,构建了以商用氮化钛纳米颗粒为活性材料,以垂直取向石墨烯为基底的新体系,实现了高性能赝电容储能。结果表明,将商用氮化钛涂覆于垂直取向石墨烯基底所获得的储能性能是直接涂覆在镍箔表面的6倍。主要原因是一方面垂直取向石墨烯巨大的比表面积有利于活性材料的分散,提高氮化钛与离子的接触效率;另一方面其优秀的导电性能搭建了集流体和活性材料之间的多位点电子快速传输通道。另外,由于商用氮化钛纳米颗粒结晶度低,导电性差,而常用的化学制备方法存在步骤复杂、耗能高以及容易引入杂质原子从而降低导电性等缺点,本工作中采用一步式、高效、安全的直流转移弧等离子体方法实现了高纯氮化钛纳米颗粒的规模化及低成本制备。并使用不同的生长参数,获得了两种形貌和化学组分的氮化钛纳米颗粒。与商用氮化钛相比,它们都具有更高的结晶度、更小的尺寸、更多的金属键等特性,进而表现出更高的导电性、更多的电化学活性位点和更快的离子传输路径。结果表明,直流转移弧等离子体法所制备的氮化钛纳米颗粒/垂直取向石墨烯复合电极组成的纽扣型对称超级电容储能容量是商用氮化钛/垂直取向石墨烯对称超级电容的3-4倍。进一步在高电压窗口下进行测试,所得比电容、能量密度、功率密度和循环稳定性均是目前所报导的具有最好电化学性能的基于氮化钛纳米材料的赝电容之一。