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随着能源与环境危机的日益加剧,超级电容器以充放电速度快、功率密度高、循环稳定性好等优点受到了广泛的关注。炭材料具有绿色环保、来源广泛、成本低廉等优点,已经被广泛用作电极材料,但是其低能量密度严重阻碍了实际应用。因此,有必要深入探究炭材料的形成和掺杂机理,并进一步优化其电化学性能。本文选择了多种前驱体、通过不同的方法制备了多种炭材料,探究了生物质组分、碳链结构和异质原子官能团对炭材料的微观结构和物化特性的影响。基于炭材料的不同特性,选择具有层状微观形貌和优良多孔结构的炭材料进一步探究,制备了适用于凝胶电解质的多孔炭;并制备了成本低廉的生物质基层状多孔炭,用于负载混合金属化合物。同时,通过量子化学计算和分子动力学（MD）模拟对电极材料的形成过程、电子特性和储能机理进行了理论探究。（1）以KOH为微孔造孔剂、以Fe（NO3）3·9H2O为介孔造孔剂和石墨催化剂制备了纳米/微米尺度多孔类石墨烯片,并探究了生物质组分对其特性的影响。蔗糖可以形成平整的、具有高导电性的类石墨烯纳米片。但是当电流密度为100A g-1时,其电化学性能出现骤降,表明生物炭需要碳骨架的支撑才能在高电流密度下正常工作。甘蔗髓渣中含有大量的纤维素和半纤维素,这有利于孔隙结构的形成。甘蔗髓渣基类石墨烯片具有大比表面积(2923.58 m~2 g-1)、高比电容(0.3 A g-1 时为 514.14 Fg-1,100 A g-1 时为 372.57 F g-1)和高能量密度(49.95 W kg-1时为19.33 W h kg-1)。由于以均匀包覆的形式掺杂类石墨烯纳米片,甘蔗髓基类石墨烯片表现出低阻抗（溶液电阻为0.02 Ω）、高倍率性能(从0.3 A g-1升至100 A g-1时保持82.34%)和高循环稳定性（5000次循环后保持101.51%）,这优于许多的石墨烯掺杂。甘蔗皮含有较多的木质素,木质素具有六边形碳环。甘蔗皮基类石墨烯片的石墨化程度明显较高。（2）以无毒有机晶体为前驱体制备了富异质原子多孔炭（HPC）,并进行了量子化学计算和ReaxFF反应分子动力学模拟,探究了碳链结构和异质原子官能团对HPC的影响。在微观形貌上,开链化合物变化不大,被蚀刻为相互连接的粒子;含环链的化合物变化很大,形成了二维薄层;二聚体形成了由薄层组成的三维花状结构。在掺杂过程中,氨基中的N趋向于形成吡咯型氮,含N杂环中的N趋向于形成季铵盐氮。L-赖氨酸基HPC具有较大的比表面积(3353.99 m~2 g-1)。用于对称超级电容器时,其表现出高的比电容(0.3 Ag-1时为439.11 F g-1,100 Ag-1时为265.57 F g-1)和优异的循环稳定性（5000次循环后保留96.86%）。用于非对称超级电容器时,其具有更多的赝电容（在20 mV s-1时占比33.84%）和更高的比电容(0.3 Ag-1时为586.58 F g-1,100 A g-1时为457.40 Fg-1)。应用于凝胶电解质中时,当工作电压从1V上升到1.4V时,其功率密度和能量密度分别增加了 39.58%和133.21%。（3）进一步选择以L-酪氨酸作为前驱体,通过简单的方法制备了 N/O共掺杂层状多孔炭（NOLPC）。具有层状结构的NOLPC可以充分接触电解质,并具有较大的比表面积(最高可达3221.57 m~2g-1),在水系电解液和凝胶电解质中均表现出优良的电化学性能。用于含水系电解质的非对称超级电容器时,NOLPC-4.5具有高的比电容(0.3 Ag-1时为512.21 F g-1,100 A g-1时为336.43 F g-1)和优异的循环稳定性（5000次循环后保留95.40%）。用于含凝胶电解质的非对称超级电容器时,其同样具有高的比电容(0.3 Ag-1时为285.41 F g-1,50 Ag-1时为192.24 F g-1)和优异的循环稳定性（5000次循环后保留94.26%）。通过MD模拟构建了纳米级NOLPC构型,该构型的微孔结构和元素组成与NOLPC的相似,电解液可以充分扩散到其微孔结构中。（4）选择以甘蔗髓渣为前驱体,通过化学活化制备了氧掺杂层状多孔炭（OLPC）。其具有平整且宽广的表面,是负载金属氢氧化物的理想材料。设计了一种简单的方法合成了锶掺杂海胆状镍钴氢氧化物（U-SrNiCo-OH）和锶掺杂花状镍钴氢氧化物@氧掺杂层状多孔炭（F-SrNiCo-OH@OLPC）。U-SrNiCo-OH电极表现出高的比容量(1 Ag-1时为616.69 Cg-1,50 Ag-1时为425.00 C g-1)和优异的倍率性能(从1 Ag-1增加到50 Ag-1时保持68.92%)。与U-SrNiCo-OH电极相比,F-SrNiCo-OH@OLPC-40电极表现出相近的比容量(1 A g-1时为584.16 C g-1,50 A g-1时为341.66 Cg-1)和更高的循环稳定性（5000次循环后保持63.59%）。当在凝胶电解质中用作正极材料时,F-SrNiCo-OH@OLPC-60表现最佳,基于F-SrNiCo-OH@OLPC-60的非对称超级电容器表现出高的比电容(0.5Ag-1时为93.60 F g-1,10 A g-1时为47.00 F g-1)和高的能量密度(374.14 W kg-1时为29.12 W h kg-1)。基于MD模拟,构建了 OLPC构型,其微孔结构与OLPC的相似,同时研究了非对称超级电容器的充电动力学。（5）进一步设计将混合金属硫化物负载于OLPC的表面。设计了一种简单的方法合成了粒状镍钴铁硫化物（G-NiCoFe-S）和粒状镍钴铁硫化物@氧掺杂层状多孔炭（G-NiCoFe-S@OLPC）。G-NiCoFe-S 电极表现出高的比容量(1 A g-1 时为 548.57 C g-1,50 Ag-1时为150.00 C g-1)和优异的循环稳定性（5000次循环后保持45.34%）。在G-NiCoFe-S和OLPC的协同作用下,G-NiCoFe-S@OLPC-50电极表现出高的比容量(1 A g-1时为445.99 C g-1,50 Ag-1时为211.67Cg-1)、更高的倍率性能(从1 Ag-1增加到50 Ag-1时保持47.46%)和更优的循环稳定性（5000次循环后保持48.19%）。当在凝胶电解质中用作正极材料时,G-NiCoFe-S@OLPC-70表现最佳,基于G-NiCoFe-S@OLPC-70的非对称超级电容器表现出高的比电容(0.5 A g-1时为56.42 F g-1,10 A g-1 时为43.48 F g-1)和高的能量密度(360.88 W kg-1 时为 16.33 W h kg-1)。