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能源需求的不断增长、环境污染逐渐加剧、化石燃料日益枯竭和温室气体的不断排放严重破坏了经济和社会的可持续发展的进程。为了平衡资源和环境之间的协调发展,迫切需求新型的能量存储设备,其中电化学能量存储和转换设备吸引了广泛的关注。在多种多样的能量存储和转换设备中,超级电容器以其充/放电速率快,循环寿命长,功率密度高和对环境友好等优势而备受关注。但是电极材料的比容量较低和组装系统的操作电压窗口较窄,导致超级电容器的能量密度较低,严重限制其进一步应用。为了提高超级电容器的能量密度和电极材料的利用率,研究集中在调控材料的结构以使电极材料获得较高的比容量。与此同时,组装非对称超级电容器(ASC)来扩大测试操作电压,获得具有超高能量密度和功率密度的超级电容器。因此,本论文主要通过化学方法调控材料的微观结构和组装非对称超级电容器来提高超级电容器的能量密度。首先,采用一步碳/活化细菌纤维素(BC)制备三维分级结构的炭材料(HSC),得到具有超高能量密度的电容器电极材料。能量密度的提高归因于HSC具有较高的比表面积,HSC在碳/活化过程中形成相互连接的分级结构和开阔的孔结构,大大提高了材料的比表面积。在6mol·L-1KOH溶液中,在2mV·s-1时HSC的比容量最大可达422F·g-1,即使在扫描速度为500 mV·s-1时其容量保持为初始容量的73.7%,HSC展现出优异的倍率性能。在10000次的循环测试后,其容量为初始容量值的94.3%,表明HSC具有良好的循环稳定性。此外,组装的对称超级电容器在1mol·L-1 Na2SO4溶液中具有较高的能量密度(37.3 Wh kg-1)。其次,采用溶剂热方法合成镍钴铝层状金属氢氧化物(NiCoAl),在扫描速度为2 mV s-1时NiCoAl获得较高的比容量为1480F·g-1，以石墨烯为体,在其表面均匀生长NiCoAl纳米片,制备的石墨烯/NiCoAl复合材料显示出优异的电化学性能,在2mV·s-1时比容量最高达到2304 F g-1。将石墨烯/NiCoAl和HSC分别作为正负极材料组装非对称超级电容器,测试结果表明非对称超级电容器的能量密度达到110.3 Wh·kg-1,甚至在功率密度为23.8 kW kg-1仍然保持21.2 Wh·kg-1,远远高于之前报道的氢氧化物基非对称超级电容器。并且该非对称超级电容器显示极好的循环性能,在7000次循环后保持初始容量的83%。再次,以碳化的细菌纤维素(C-BC)为基体,利用水热法合成C-BC/MoS2复合材料,具有纤维状结构的C-BC/MoS2复合材料显示出较好的电化学性能,例如其最大比容量为320.7 F g-1(中性体系)和503.3 F·g-1(碱性体系)。采用氧化还原法在C-BC的表面生长片状的MnO2制备C-BC/MnO2复合材料,在扫描速度为2mV s-1时,其比容量达到267.5 F g-1。将复合材料在扫描速度为200 mV s-1时循环8500次,结果表明其容量保持率较高(106.4%),显现出了优异的循环稳定性。最后,将C-BC/MnO2和C-BC/MoS2分别作为正负极材料组装成非对称体系,在功率密度为249 W·kg-1时,其能量密度为69.2 Wh·kg-1。在11000次的循环后,C-BC/MnO2//C-BC/MoS2复合材料的容量保持率高达91%,显现出优异的电化学稳定性。