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超级电容器由于循环寿命长、功率密度高(10 kW kg-1)和充放电速度快等优势,在储能领域应用广泛。其中,碳基超级电容器由于其电极材料来源广泛、绿色无毒且制备过程简单,更是受到极大关注。然而,与电池相比,碳基超级电容器能量密度偏低,无法投入大规模的商业应用。因此,如何在高功率密度的基础上,提高其能量密度是一个值得我们深入研究的问题。众所周知,碳基电极材料是通过电解液离子/电极材料界面上的静电电荷积累来储存能量,其孔隙结构、有效比表面积和表面性质对电容器的电化学性能影响较大。因此,通过合理调控材料孔隙结构和孔径,为电解液离子的渗透和扩散提供捷径;通过设计合成独特形貌来提高碳材料的有效比表面积,为电荷的大量储存提供更多位点;通过改善电极材料表面的疏水性,提高电极材料的离子可及性,从而获得更高比电容,用于高能量密度超级电容器。基于此,研究者们积极开发具有独特形貌、发达孔隙度和表面亲水的碳基电极材料。其中,生物质材料由于诸多优势吸引了大量学者的研究。比如,生物质自身精准稳定的结构和孔道可作为模板制备固定形貌且孔径可调的碳基电极材料。基于此,本论文主要选择环境友好且来源广泛的生物质为原材料,通过活化法、模板法制备不同形貌、孔结构和表面性质的新型纳米碳材料,用于高能量密度超级电容器电极材料。具体研究内容如下:1、以MgO为模板,醋酸纤维素为碳源,尿素为氮化剂通过模板法制备了具有疏松珊瑚花状结构的氮掺杂分级多孔碳（NCFC）。由于其独特的珊瑚花结构、丰富的氮原子掺杂（0.97%）、发达的孔隙和大比表面积(937 m2 g-1),材料NCFC表现出优异的电化学性能。三电极体系下,电流密度为1 A g-1时,其比电容高达333F g-1,并且,经过10000次充放电循环,比电容未发生任何衰减。随后,以该材料为正、负极,组装对称型超级电容器,进行电化学测试。测试结果表明,该装置电位窗口为0-1.4 V、比电容为75 F g-1,当功率密度为705 W kg-1时,能量密度为21 Wh kg-1。令人惊喜的是,两个装置串联可轻松点亮一个工作电压为1.8 V的LED灯泡。2、以SiO2为模板,醋酸纤维素为碳源、聚乙烯吡咯烷酮为改性剂和氮化剂制备了氮掺杂的敞口碗状碳（HSPC-2）。材料HSPC-2具有薄壁、大空心腔和表面光滑的敞口碗状结构。对该材料进行电化学测试,结果表明:电流密度为1A g-1时,比电容高达245 F g-1。基于材料HSPC-2组装的对称型超级电容器,在功率密度为600 W kg-1时,能量密度高达11.2 Wh kg-1。3、以废弃物菠萝蜜核为自掺杂的碳源、氮源,Mg（NO3）2为活化剂,通过碳化、活化和氮掺杂过程联合发生的策略制备了相互连接的三维层级多孔异质原子自掺杂碳纳米片（PHPC-2）。该材料具有微孔、介孔和大孔共存的分级多孔结构和超高的比表面积(2621.2 m2 g-1)。电化学测试表明,材料PHPC-2具有351 F g-1的高比电容(电流密度为1 A g-1时)和超长的循环寿命（10000次充放电循环后,仍能保持初始值的97.5%）。以该材料组装对称型超级电容器,测试其实际电荷储存性能。结果表明:该装置可在1.4V的工作电压下,当功率密度为699 W kg-1时,能量密度高达16.6 Wh kg-1。