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基于表界面电化学反应的超级电容器,具有高比容量、使用安全和环境友好等优势,在能源存储与转换领域显示出巨大的应用前景。然而,在大电流密度下,电极材料缓慢的离子传输速率和电子迁移率导致了严重的比容量损失,并限制了超级电容器倍率性能和循环稳定性的提升。围绕这一关键科学问题,我们提出通过增强活性材料与碳基底之间的相互作用,优化活性材料的组成、配位环境和应力来改善电极材料的离子和电子传输性能,从而实现电极倍率性能和电化学稳定性的提升。基于此,本文以高导电性的碳基材料为基底,通过调控碳基底的表面性质和镍基活性组分的组成等,设计合成了系列碳耦合镍基纳米复合材料,揭示了电极材料原位电化学相转变行为和机制,以及多尺度结构与其电化学性能之间的构效关系。具体研究内容如下:以聚多巴胺衍生的氮掺杂炭层作为桥联剂和结构导向剂,结合一步水热法,构筑了超亲水碳纤维布耦合镍钴层状双氢氧化物（NiCo-LDH）纳米片的复合材料CC-NC-LDH。结果发现,氮掺杂炭层的引入,使碳纤维布的水滴接触角从135°减小至0°,有效改善了碳纤维布的表面亲水性,并且增强了碳基底与NiCo-LDH界面的相互作用力。所构筑的CC-NC-LDH复合材料具有垂直取向的NiCo-LDH纳米片所组成的三维多孔结构。作为整体性电极,其显示出较高的比容量（1817 F g-1@1 A g-1）和优异的倍率性能（60%@100 A g-1）。聚多巴胺衍生的氮掺杂炭涂层技术适用于不同的惰性碳基底和电化学活性物种,能够实现活性材料在碳基底表面的垂直均匀生长,证实氮掺杂炭层的超亲水界面调控作用具有一定的普适性。以NiCo碱式碳酸盐/碳纤维复合材料为前驱体,通过低温磷化的合成策略,构筑了磷酸盐含量高达70 wt.%的介孔磷化物/碳纤维复合材料（Ni-CoP|P-O）。结果发现,碱式碳酸盐前驱体在低温磷化反应中伴随的热分解过程,对于材料产生高含量且体相均匀分布的磷酸盐可能起到重要作用。此外,磷酸盐有效提升了材料对电解液离子的吸附能力。所构筑的Ni-CoP|P-O复合材料,具有富含介孔的一维纳米线结构和体相均匀分布的磷酸盐,这是Ni-CoP|P-O复合材料表现出优异倍率性能（74%@50 Ag-1）的重要原因。以NiCo碱式碳酸盐-氢氧化物/碳纤维复合材料（CH-Ni（OH）2）为研究单元,发现CH-Ni（OH）2复合材料中的碱式碳酸盐（CH）纳米线,在循环伏安（CV）测试过程中会发生原位的电化学相转变,最终转变为富含氧空位的LDH纳米片。原位的X射线吸收精细结构谱测试发现,CV循环初期Co离子的不可逆氧化还原反应,是诱导CH纳米线转变为富含氧空位LDH纳米片的关键原因。理论计算表明,CV循环过程中产生的5配位Co位点具有最优的氧化还原反应能垒,有利于提高材料的反应活性以及电荷的可逆存储性能。经过150次CV循环后,富含氧空位的复合材料的比容量相较于初始材料,提升了 10.5倍,并且当电流密度增大100倍时,其容量保持率可以达到86%。以NiV-LDH/碳纤维复合材料为前驱体,通过高电压区间的电化学循环策略,构筑了富缺陷的β-Ni（OH）2/碳纤维复合材料。研究发现,高电压区间的电化学循环会使材料中的钒元素经历不可逆的氧化过程并进一步溶解,材料中产生不饱和配位Ni位点、无序相和应力。所构筑的富缺陷的β-Ni（OH）2/碳纤维复合材料,在30 A g-1电流密度下的比容量为457 C g-1,几乎是普通β-Ni（OH）2/碳纤维的4倍和α-Ni（OH）2/碳纤维复合材料的2倍。有限元模拟分析发现,材料在电化学循环过程中无序相和缺陷的增多,是材料中应力增大并形成波浪状结构的关键原因,并且该波浪状纳米片比平板状纳米片具有更高的机械稳定性,有利于提高复合材料的长期循环稳定性。