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随着便携式电子产品的飞速发展以及电动汽车和混合动力汽车的普及推广,对高能量密度及功率密度电化学能量存储器件需求越来越迫切。电化学能量存储器件主要包括锂离子电池和超级电容器,锂离子电池具有高的能量密度,但存在功率密度低和循环寿命差等缺陷,超级电容器虽具有高的功率密度和超长循环寿命,但低能量密度限制了大规模应用。因此,发展具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命电化学储能器件具有重大经济需求和重要学术价值。近些年来,由电池型负极和电容型正极组装的锂离子电容器,兼顾了超级电容器高功率密度和及锂离子电池高能量密度等优势,作为一种新型能量存储器件引起了研究者的高度关注。但是,由于锂资源分布不均且储量有限,限制了锂离子电容器的长远发展。与锂离子资源相比,钠离子具有与锂相似的物理化学性质,储量丰富且分布广泛,使得钠离子电容器被认为是最有希望替代锂离子电容器的新型高能量大功率存储系统。通常,法拉第型负极材料中钠离子的嵌入/脱出过程比电容型正极中阴离子在电极/电解液界面吸脱附过程要慢得多,从而导致两电极间动力学不平衡,限制了钠离子电容器整体能量密度和功率密度提升。因此,制备高倍率性能法拉第型负极材料是构建高性能钠离子电容器的关键所在。Nb2O5及三元钛铌氧化物Ti2Nb2O9具有合适的嵌钠电位、稳定的晶体结构和大的晶格间距,其良好的赝电容特性使其成为高功率型钠离子电容器负极的理想候选材料。但是,Nb2O5及三元钛铌氧化物Ti2Nb2O9作为负极材料时的缺陷是其本征电子电导率低和钠离子扩散速率慢,严重限制了该类材料作为钠离子电容器负极电化学性能的提高。研究结果发现,通过纳米结构化、离子掺杂、与导电碳基材料复合等手段,可以显著改善复合材料的储钠性能。因此,通过对Nb2O5和Ti2Nb2O9基复合负极材料的结构和组分进行优化设计,制备Nb2O5和Ti2Nb2O9基复合负极材料,达到组装高能量密度和功率密度钠离子电容器,具有重要的学术意义和应用潜力。全论文共七章,第一章为综述,系统综述了超级电容器和混合电容器的原理、发展趋势、优势及应用,铌基氧化物电极材料研究现状以及铌基氧化物复合电极材料面临的挑战,提出了研究的选题意义、研究内容和创新点;第二章到第六章为实验、结果及讨论部分,先后采用溶剂热结合高温处理技术、静电纺丝结合高温处理技术、静电纺丝结合硫化处理技术以及絮凝法随后高温处理技术,分别制备了Nb2O5/氮掺杂石墨烯负极材料,柔性自支撑Nb2O5纳米棒/氮掺杂微孔碳纤维薄膜负极材料,柔性自支撑硫掺杂Nb2O5量子点/氮硫共掺杂微孔碳纤维薄膜负极材料,Ti2Nb2O9纳米片/还原氧化石墨烯负极材料和柔性自支撑Ti2Nb2O9纳米片/氮掺杂碳纤维薄膜负极材料,在对所制备材料晶体结构和微观形貌分析表征基础上,系统研究了制备材料作为钠离子电池负极材料及组装钠离子电容器的储钠性能。主要研究内容如下:（1）Nb2O5/氮掺杂石墨烯负极材料制备及其储钠性能。以氧化石墨烯为原料,五氯化铌为铌源,尿素为氮源,采用溶剂热法制备非晶态Nb2O5/氮掺杂石墨烯负极材料（Nb2O5/NG）,该非晶态Nb2O5/NG随后在Ar气氛下700℃煅烧2h,最终制备得到Nb2O5/氮掺杂石墨烯负极材料（Nb2O5/NG）。系统研究氮掺杂对Nb2O5/NG负极材料结构、形貌及电化学性能的影响。实验结果表明,氮掺杂石墨烯引入有效阻止了 Nb2O5纳米颗粒的团聚和生长,尺寸约17 nm Nb2O5纳米颗粒均匀分散在氮掺杂石墨烯表面。电化学性能测试结果表明,制备的Nb2O5/NG电极不仅表现出优异的倍率性能,电流密度为2 A g-1时具有68 mAhg-1的放电比容量,而且显示出良好的循环稳定性,在0.2 A g-1下循环200圈后容量保持率高达85%。以Nb2O5/NG为负极,活性碳（AC）为正极,组装Nb2O5/NG//AC钠离子电容器。该电容器在100Wkg-1功率密度下的能量密度为40.5 Whkg-1,在1 A g-1电流密度下连续循环5000圈后的容量保持率为63%,库伦效率接近100%,Nb2O5/NG电极材料为高能量/功率密度钠离子电容器负极材料的开发提供了一种新策略。（2）Nb2O5纳米棒/氮掺杂微孔碳纤维薄膜负极材料制备及其储钠性能。水热法制得的铌酸（H2Nb2O6·H2O）纳米线研磨3h,得到H2Nb2O6·H2O纳米棒。以聚丙烯腈为碳源和氮源,聚甲基丙烯酸甲酯为造孔剂,H2Nb2O6·H2O纳米棒为铌源,采用静电纺丝法首先制备PAN/PMMA/H2Nb2O6·H2O纳米纤维膜,该纳米纤维膜随后空气中预氧化处理,氩气气氛中700℃煅烧3 h,制备柔性自支撑Nb2O5纳米棒/氮掺杂微孔碳纤维薄膜负极材料（Nb2O5 NRs/NMCNF）。系统研究不同H2Nb2O6·H2O纳米棒含量对所制备薄膜负极材料的晶体结构、微观形貌和电化学性能影响。当H2Nb2O6·H2O纳米棒加入量为0.7 g时,Nb2O5纳米棒均匀地镶嵌在碳纳米纤维中而使得其团聚得到抑制。得益于三维氮掺杂微孔纤维网络结构与Nb2O5纳米棒间的协同作用,制备的0.7-Nb2O5 NRs/NMCNF薄膜电极具有优异的倍率性能和循环稳定性,在4 A g-1大电流密度下可提供101 mAh g-1的放电比容量,在2 A g-1电流密度下连续循环10000次容量保持率可达91%,库伦效率接近100%。以 0.7-Nb2O5 NRs/NMCNF 为负极,AC 为正极组装 Nb2O5 NRs/NMCNF//AC 钠离子电容器,器件的工作电压可拓宽到4 V,具有91 Wh kg-1的高能量密度和7499 W kg-1的功率密度,器件在1 A g-1电流密度下循环10000圈后的容量保持率为77%。（3）硫掺杂Nb2O5/氮硫共掺杂微孔碳纤维薄膜负极材料制备及其储钠性能。以聚丙烯腈为碳源和氮源,聚甲基丙烯酸甲酯为造孔剂,五氯化铌为铌源,升华硫粉为硫源,采用静电纺丝法制备PAN/PMMA/NbCl5纳米纤维膜,其在空气气氛中250℃稳定3 h后,与不同质量比升华硫粉在Ar气氛中800℃保温3 h,制备柔性自支撑硫掺杂Nb2O5量子点/氮硫共掺杂微孔碳纤维薄膜负极材料（S-Nb2O5@NS-PCNF）。在对所制备的薄膜负极材料进行结构和形貌表征基础上,系统研究不同硫掺杂量对所得薄膜电极电化学性能的影响。XPS结果分析表明,硫原子掺杂到Nb2O5晶格中,可诱导阴离子氧化（O2-→O-）,产生大量的氧空位,可提高Nb2O5的导电性和促进钠离子的扩散。电化学测试结果显示,当升华硫粉与预氧化后纤维膜质量比为3:1时,制备的3S-Nb2O5@NS-PCNF薄膜电极电化学性能最为优异,在电流密度为0.02 A g-1时的比容量可达267 mAh g-1。在2 A g-1电流密度下连续循环10000圈后,比容量仍可达173 mAh g-1,库伦效率接近100%。以 3 S-Nb2O5@NS-PCNF 为负极,AC 为正极组装 3S-Nb2O5@NS-PCNF//AC 钠离子电容器。器件的工作电压可达4.3 V,80 W kg-1功率密度下的能量密度为112 Wh kg-1,即使在7949 W kg-1功率密度下仍可提供55 Whkg-1能量密度,1 A g-1下循环10000圈后容量保持率达81%。这种硫化处理策略为制备电化学性能优异钠离子电容器负极材料提供了新思路。（4）Ti2Nb2O9纳米片/石墨烯负极材料制备及其储钠性能。采用高温固相法制备层状KTiNbO5前驱体,层状KTiNbO5前驱体通过离子交换以及随后插层剥离,制备得到HTiNbO5纳米片层。以氧化石墨烯纳米片层和剥离的HTiNbO5纳米片层为组装单元,1 mol dm-3 HCl为絮凝剂,絮凝法制备的HTiNbO5/GO复合前驱体在Ar气氛下500℃煅烧1 h,制备得到Ti2Nb2O9/RGO复合负极材料。研究结果表明,石墨烯引入可有效抑制Ti2Nb2O9纳米片再堆叠,促进Ti2Nb2O9纳米片和集流体之间快速的电子传输。Ti2Nb2O9/RGO负极材料在1 A g-1电流密度下循环1000次,容量保持率可达95%。同时,Ti2Nb2O9/RGO电极也具有良好的倍率性能,0.1Ag-1电流密度下的比容量高达283 mAh g-1,在4 A g-1高电流密度下仍具有206 mAh g-1的比容量。以Ti2Nb209/RGO为负极,AC为正极,组装的Ti2Nb209/RGO//AC钠离子电容器在75 W kg-1功率密度下显示出96 Wh kg-1的高能量密度,即使在10.03 kW kg-1高功率密度下,能量密度仍可保持39 Wh kg-1。此外,组装器件具有良好的循环性能,1 A g-1电流密度下循环10000圈后,器件容量保持率可达79%。这种纳米片层絮凝组装技术为钛铌氧化物-石墨烯基复合负极材料的设计和制备提供了新途径。（5）Ti2Nb209纳米片/氮掺杂碳纤维薄膜负极材料制备及其储钠性能。以聚丙烯腈为碳源和氮源,剥离的HTiNbO5纳米片为铌源和钛源,采用静电纺丝技术首先制备HTiNbO5纳米片/PAN纳米纤维膜,该纤维膜随后空气气氛中250℃保温3 h,Ar气氛中500℃煅烧1 h,制备柔性自支撑Ti2Nb2O9纳米片/氮掺杂碳纤维薄膜电极材料（Ti2Nb2O9/NCNF）。碳纳米纤维网络不仅可抑制Ti2Nb2O9纳米片的再堆叠,而且可提高整个薄膜电极的导电性和结构稳定性。电化学测试结果表明,制备的Ti2Nb2O9/NCNF薄膜电极具有优异的电化学性能,在电流密度为0.1 Ag-1的比容量为324 mAh g-1,当电流密度从0.1 A g-1增大至4 A g-1时容量保持率为63%。在1 A g-1电流密度下连续充放电循环2000圈后的比容量为250 mAh g-1,容量保持率高达97%。以Ti2Nb2O9/NCNF为负极,AC为正极,组装的Ti2Nb2O9/NCNF//AC钠离子电容器在75 Wkg-1功率密度下,能量密度高达129 Wh kg-1,即使在7.56 kW kg-1高功率密度下,能量密度仍保持在63 Wh kg-1。该电容器在电流密度为1 A g-1连续循环10000圈后,容量保持率高达85%。