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与锂离子电池和碱金属离子电池等储能体系相比,水系电化学储能体系展现出更优异的安全性,更简便的组装工艺,更宽松的组装环境要求,因而备受青睐。阵列化纳米材料通常以基底材料为载体,通过有序组装形成较为规整的阵列化结构。这种阵列化结构材料具有较大的比表面积,提供更多有效的反应位点,保证了与电解液的充分接触,进而有利于电子转移和离子扩散。此外,这种生长在基底材料上的阵列化材料,便于组装储能器件,避免导电添加剂和粘结剂的使用。本论文着重于在柔性基底碳布上构建一系列较为规整的阵列化结构电极材料,对制备的阵列化纳米材料的形貌及结构特征进行了系统表征和分析,并对其储能性能展开了较为系统的研究。内容概要如下:（1）设计并制备出纳米线状NiCo2O4材料,并通过修饰改性,引入氧空位,提高表面积,增强其导电性,从而提高NiCo2O4的比电容,改善其循环稳定性。首先通过水热法在碳布上制备NiCo-LDH@CC,然后在空气氛下焙烧制得NiCo2O4@CC。最后经过一步溶剂热处理,制备出了具有大量氧空位,高比表面积,高电化学储能活性的Vo-NiCo2O4@CC。通过表征测试获知:经过乙二醇/氢氧化钠溶剂热处理后,Vo-NiCo2O4@CC基本保持了原有NiCo2O4@CC的纳米线状形貌,但比表面积相较于原始的NiCo2O4@CC提升了约50%。电化学测试结果表明:经过修饰改性的Vo-NiCo2O4@CC材料本征导电性得到了提升,当溶剂热处理时间为16小时,制备的Vo-NiCo2O4@CC-16h面积比电容高达1389 m F cm-2,相较于原始的NiCo2O4@CC的比电容(564 m F cm-2)提升了2.5倍。以Vo-NiCo2O4@CC-16h为正极,碳布上负载活性碳做负极,1 M KOH作为电解液,组装了水系非对称超级电容器（ASC）。电化学测试结果表明:该ASC在2 m A cm-2电流密度下,面积比电容达到699 m F cm-2,其最大能量密度高达43.6 Wh kg-1,这一结果超过铅酸电池的能量密度(35–40 Wh kg-1)。（2）通过在空气氛中热处理在碳布基底上原位生长的阵列化钴基金属有机框架（Co-MOF@CC）纳米片,得到Co3O4@CC,将Co3O4@CC放入含有Ni2+的盐溶液中淬火,制备得Ni-Co3O4@CC。在淬火这一过程中,不仅引入了额外的氧空位,而且实现了Ni2+掺杂,同时,淬火后样品的比表面积较未淬火的样品提升了51%,这赋予具有阵列化纳米片层结构的Ni-Co3O4@CC优异的电化学储能性能。在1.0 M KOH电解液中进行单电极测试,结果表明:Ni-Co3O4@CC电极在0.1 m A cm-2的电流密度下,比容量高达0.55 m Ah cm-2,远高于同等条件下Co3O4@CC的比容量(0.02 m Ah cm-2)。在经过5000次循环充放电,Ni-Co3O4@CC电极的库伦效率仍保持在100%,容量保持率高达起始值的84.2%。当和Zn@CC电极组装成水系Co-Zn电池进行测试,该水系器件面积比容量高达0.7 m Ah cm-2,这一结果高于许多文献报道值。（3）通过热解在碳布基底上原位生长的钴基金属有机框架,得到N-C结构作为三维基底,负载氧化铁制成独特的三维复合Fe2O3/N-C@CC负极,应用于水系超级电容器。这种三维复合电极可以充分利用N-C纳米片和Fe2O3纳米线的协同效应,从而赋予Fe2O3/N-C@CC电极良好的储能能力。引入阵列化N-C结构,可以改善Fe2O3/N-C@CC电极的导电性,提高Fe2O3负载量,此外,N-C结构的多孔性增加离子扩散通道,便于电解质离子快速传输。Fe2O3具有赝电容行为,将Fe2O3负载在N-C@CC阵列化结构上,形成多级阵列,使纳米线状Fe2O3可以提供更多的反应位点。测试结果表明制备的Fe2O3/N-C@CC电极面积比电容达到183.3 m F cm-2。同样地,以N-C@CC阵列结构为骨架负载NiO作为正极,与Fe2O3/N-C@CC负极匹配,组装准固态非对称超级电容器,并测试了该器件的电化学性能。结果表明:该器件展示出在14.1 Wh kg-1的能量密度下,达到1500 W kg-1的功率密度。（4）有序阵列化结构的氮掺杂空心纳米碳管,具有良好导电性和优异的结构稳定性,因此,合理构建纳米碳管/电化学活性过渡金属氧化物复合电极材料,可以充分利用氮掺杂纳米碳管和电化学活性金属氧化物的协同作用,以使复合电极在物理稳定性和化学活性方面性能均能得到充分发挥,从而实现高柔韧性,高能量密度的储能器件。首先,构建垂直附着在碳布基底上的有序阵列化空心纳米碳管,然后在该复合基底上通过电沉积的方法分别制备了PPy/Fe2O3/CNT@CC和Mn O2/CNT@CC新型纳米多级阵列化复合电极。最后,以Mn O2/CNT@CC为正极,PPy/Fe2O3/CNT@CC为负极,1 M Na2SO4为电解液,组装ASC。电化学测试结果表明,该体系可以在0–2.6 V的电压窗口下稳定工作,并且实现72.3 Wh kg-1的高能量密度,这一结果比许多文献报道的锰基或铁基电容器的能量密度要高很多。