锂二次电池储能器件因其高能量密度、高功率密度和长循环寿命等优点,在便携式电子设备和电动汽车等领域具有良好的应用前景。然而,锂资源的过度消耗推动新型储能体系的开发和研究。钾离子电池、铝电池和双离子电池等新一代储能器件逐渐崭露头角。电极材料是决定器件性能的关键因素,碳类材料因其原料丰富、价格低廉和环境友好等优点成为研究的重点。石墨作为最常用的电极材料,在钾离子电池、铝电池及双离子电池等体系中均展现出了极佳的应用前景,然而,比容量不足、体积膨胀及循环稳定性差等问题制约着其进一步发展。石墨烯,具有独特的结构和物化特性,在新型电池体系中展现了极高的可逆容量。然而,石墨烯的合成和应用仍面临以下困难:大规模高品质石墨烯的制备仍然无法实现;石墨烯电极循环过程中的体积膨胀问题;石墨烯电极离子存储机理的研究尚未完善;石墨烯电极首效较低且易脱落等问题亟待解决;石墨烯的制备成本及工艺如何改善。因此,探究新的合成方案、优化制备工艺、设计并构建具有稳定结构的新型石墨烯是石墨烯电极的研究关键。鉴于此,本文从新型石墨烯材料的设计、制备、结构调控及应用的角度出发,结合催化石墨化/高温石墨化等方法,提出简单、高效且环保的合成工艺,制备一系列具有稳定结构的新型石墨烯材料,实现其可控合成和结构调控,探究其在储能领域的应用。针对高品质石墨烯合成工艺复杂且大规模生产困难等问题,首次以羧甲基壳聚糖和六水合氯化铁为碳源和催化剂,通过简易的一步低温催化石墨化方法实现螺旋石墨烯和碳纳米卷两种新型材料的制备。合理控制碳源与催化剂的质量比,实现新型螺旋石墨烯和碳纳米卷的结构调控和可控合成。研究了新材料的形成机理、结构特性和微观形貌。快速的电子和离子传输通道、优异的结构稳定性和体积膨胀适应性等赋予了碳纳米卷和螺旋石墨烯极高的阴离子存储潜力,可以作为铝电池和双离子电池正极材料。结果表明:碳纳米卷作为铝电池正极,在50 A g-1的超快电流密度下可逆比容量达到101.24 m Ah g-1,循环55000次后仍保持极高循环稳定性。螺旋石墨烯正极与软碳负极组装的钠双离子全电池,在2 A g-1电流密度下可稳定循环2000次。针对石墨烯电极材料循环过程中严重的体积膨胀等问题,首次设计并合成了多层多壁石墨烯管新型材料。以熔融态的尿素和六水合氯化铁混合物为前驱体,通过一步低温催化热解碳实现多层多壁石墨烯管的可控合成。多层多壁石墨烯管的每个石墨烯层可以作为独立的单元用于离子存储,实现超高的可逆比容量;特殊的多层多壁结构增加了电极和电解液界面的活性位点,有利于电子和离子的快速迁移;原位掺杂的N元素极大地提高了离子存储能力;特殊的纳米级多层的石墨烯结构可以有效抑制K+离子嵌入石墨烯晶格时引发的严重体积膨胀。结果表明:作为钾离子电池负极,在100 m A g-1的电流密度下循环300次后,容量保持率为95.9%。在500 m A g-1电流密度下的充电比容量为278.24 m Ah g-1,循环4800次后仍保留86.8%的初始容量。针对石墨烯电极材料离子存储机理不完善的问题,首次以无水柠檬酸为原料,设计并合成了石墨烯量子点及衍生的树叶状石墨烯两种新型材料。通过简易的一步低温催化石墨化方法,合成了超薄碳膜@石墨烯量子点复合材料,以复合材料为前驱体高温催化石墨化制备了树叶状石墨烯。探究新材料的结构、形貌、形成机理。以超薄碳膜@石墨烯量子点为正极、树叶状石墨烯为负极组装新型钾双离子混合电容器,表现出了优异的电化学性能,包括高比容量、优异的倍率性能和稳定的循环性能。此外,在XPS和TEM的支持下,详细讨论了阴离子混合存储机理和结构稳定性。在全电池系统中,200 m A g-1条件下可逆比容量为97.46 m Ah g-1,5000m A g-1条件下循环30000次后容量保持率为90.2%。针对石墨烯电极的首效较低、易脱落亟待等解决的问题,设计一种结晶碳壳作为铠甲包覆内部石墨烯的微米级碳球。蔗糖在低温催化石墨化条件下原位形成坚固的晶体碳外壳铠甲和内部交织堆积催化石墨化生成的少层石墨烯片。探究了其理化性质、结构和形貌特征。铠甲（晶体碳壳）作为物理屏障,减少了电极和电解液之间的直接接触面积,有效抑制电极液对电极的腐蚀;构建了稳定的电子/离子传输通道,促进离子/电子的快速交换;由晶体碳壳层的离子脱嵌行为和内部石墨烯片的离子吸附/脱嵌行为共同实现其极高的比容量。作为钾离子电池负极,在100m A g-1条件下贡献297.89 m Ah g-1的充电比容量且具有较高的首次库伦效率,在1000 m A g-1条件下循环3200次仍保持良好的循环稳定性;作为铝电池正极,在4A g-1条件下循环10000次后容量几乎无衰减。针对石墨烯的合成成本及工艺如何改善的问题,首次以隔夜米饭、发霉的玉米和土豆等生物质废料为原料,通过简单的酸浸、水热和高温石墨化工艺成功制备了弹性石墨烯球材料。设计的合成方案利用了废弃资源且无任何化学添加剂,是一种高效、环保和安全的石墨烯制备方案。整个弹性石墨烯球颗粒由纳米级的少层石墨烯薄片像弯曲的砖块错落地堆叠在一起,且相邻薄片之间存在空隙。弹性石墨烯球的特殊结构提供了快速的离子迁移路径、极佳的结构稳定性和优异的体积膨胀适应能力,有利于获得极高的可逆比容量、优异的倍率性能和循环稳定性。在50 m A g-1条件下的充电比容量达到352.43 m Ah g-1,可稳定循环290次;在电流密度高达1 A g-1时,该材料的充电比容量为175.34 m Ah g-1,循环1年后仍保留82.8%的初始容量。