超级电容器,具有高功率密度、长循环寿命和优异的倍率性能等优点,在混合动力汽车和便携式电子产品等领域具有广阔的应用前景。然而,较低的能量密度限制了其大规模应用,因此大幅度提高器件的能量密度是超级电容器研究面临的主要挑战。根据超级电容器能量密度公式E=1/2 CV2,提高能量密度有两个有效途径,一是提高比容量C,二是提高电压窗口V。因此,本论文通过提高金属氮氧化物电极材料的比表面积和电导率,调控其形貌以及复合优化等策略,提高其比容量;利用制备对称超级电容器、非对称超级电容器以及锂离子超级电容器等手段,提高器件的电压窗口;并结合化学动力学分析以及第一性原理,对其机理进行了研究。主要研究工作如下:1、首次将多孔氮化镓(GaN)单晶薄膜材料作为超级电容器电极,制备的器件展现出了优异的倍率性能和功率密度,并提出了GaN薄膜的赝电容存储机理。通过电化学腐蚀法制备了多孔GaN单晶薄膜并研究了该材料的结晶质量、比表面积、结构稳定性和电导率。利用多孔GaN单晶薄膜制备的超级电容器具有非常高的功率密度(45 mW cm-2,1800 mW cm-3)和优异的循环性能(循环50000圈之后容量保持率为96%)。通过动力学分析发现,材料中存在的镓氧氮层可以提供赝电容贡献,其相应的储能机理为:GaN1-xOx+2y H++2ye(?)GaN1-x-yOx-yyH2O。该部分工作拓展了半导体晶体材料在电化学能量存储领域的应用。2、为了提高GaN材料的电化学容量性能,将GaN纳米线和石墨纸衬底(GP)复合得到GaN/GP材料,作为电极应用于柔性超级电容器表现出优异的容量和倍率性能,并利用电化学和XPS分析研究了镓氧氮层的存储机理。利用化学气相沉积方法在石墨纸衬底上生长GaN纳米线,在增大GaN材料比表面积的同时提升了其电导率;GaN/GP电极的比容量(237 mF cm-2)较多孔GaN晶体薄膜材料的比容量(23.11 mF cm-2)提升了一个数量级。利用动力学分析了材料中赝电容的贡献。此外,利用GaN/GP制备的柔性超级电容器,表现出优异的循环寿命(在不同的弯曲状态下循环10000圈之后容量保持98%),该储能器件同时具备优异的电化学倍率性能和功率密度。这为GaN基材料应用于便携式电子领域提供了可能。3、设计并制备了GaN/MnO2/MnON三明治结构复合材料,进一步提高GaN材料的比容量,同时利用动力学分析探索电化学性能提升的机制。使用化学气相沉积和水热反应相结合的方法,将GaN纳米片与氧化锰/氮氧化锰复合制备具有蜂窝状结构的材料,该结构不但提高了材料的电导率和比表面积,更重要的是,还能有效克服氧化锰的体积膨胀。该设计策略将GaN复合材料的电容量提升至2021mF cm-2,较氮化稼纳米线又提升了8.5倍。此外,GaN/MnO2/MnON组装的全固态超级电容器具有优异的循环稳定性能(10000次循环后容量保持95.5%)和出色的倍率性能,并且能量密度高达0.76 mW h cm-3。此外,通过化学动力学分析证明锰氧氮层具有赝电容贡献,反应机理为:MnO2-,Nx+y KK+ye(?)MnO2-xNxKy这种三明治结构的设计为解决氧化物的体积膨胀问题提供了新的思路。4、为了解决金属氧化物在充放电过程中体积膨胀导致结构坍塌的问题,设计并制备了一系列具有核壳结构的金属(铁、钻、镍和钒)氧化物/氮氧化物复合材料,其容量和稳定性均获得了大幅提升,并通过第一性原理探究其性能提升的机理。使用FESEM、HRTEM以及XPS等手段证明成功制备以金属(铁、钻、镍和钒)氧化物为核,相应氮氧化物为壳的复合材料,电化学测试表明该氮氧复合材料的比容量由95 mAh g-1(氧化钴)提升至198.0 mAh g-1(氮氧化钴),并且经过10000次循环材料的容量保持率由54.5%提升至94.6%。根据第一性原理分析,氮氧层含有大量的活性位点,可以有效提升材料的电导率和赝电容贡献。此外,通过调控前驱体制备了网状结构的氮氧化镍复合材料,并组装成非对称柔性超级电容器,其电压窗口提升至1.6 V,在维持优异循环性能的同时,能量密度达到25.75 mW h cm-2。5、为了进一步提升氮氧化物材料的能量密度,分别设计并制备了双金属氮氧化物材料和氮掺杂碳纳米线材料,并分别用作负极和正极材料组装锂离子超级电容器,该储能器件表现出高的能量密度和循环稳定性能。利用水热和氮化方法在碳纤维表面制备了 NiCo204/NiCoON复合材料,该材料具有优异的电化学性能;同时利用电化学沉积和高温碳化的方法在碳布上制备聚吡咯衍生的氮掺杂碳纳米线材料,该电极材料表现出优异的倍率性能和循环稳定性能。基于以上两种材料的锂离子超级电容器,其电压窗口可达4.0 V,循环10000次容量仅衰减9.5%,最重要的是,器件的能量密度高达96.2WhKg-1。该锂离子电容器中正负极的结构设计和组装策略为制备高能量储能器件提供了新的选择。