在一般情况下，双电层电容器通过了纳米材料的使用，代替传统的绝缘层，通常活性炭提高存储密度。活性炭是一个非常多孔，"海绵"碳形式有一个非常高的比表面积 - 一个共同的近似是1克(铅笔橡皮擦般大小的量)，有一个大约250平方米的表面面积大小 - 一个网球场。它通常是极其精细，但很"粗糙"的粒子，其中，散装，形成许多小孔的低密度堆粉末。由于这种材料甚至是一层薄薄的表面积是许多倍，比传统材料，如铝，越来越多的电荷载体(电解质的离子或自由基)可以存储在一个给定的体积。由于碳是不是一个很好的绝缘体(与传统设备所使用的优良绝缘体)，一般双电层电容器限于低2-3至五为了潜力，因此必须是"堆叠"(串联)，只是作为传统电池必须提供更高的电压。

活性炭是不是"完美"的申请材料。其实运营商的收费(效果)相当大，特别是由分子的包围时，往往大于木炭留下的洞，这是接受他们太小，限制了存储。

截至2010年，几乎所有的商业超级电容器用粉末活性炭由椰子壳制成的。[引证需要]性能更高的设备是可用的，在一个显着的成本增加，合成碳与氢氧化钾(KOH)激活的前体的基础上。

在双电层电容器的研究主要集中在改进的材料，提供更高的可用表面积。

石墨具有优异的表面面积每单位重量或体积密度，高导电性，可以在各个实验室生产的，但不是在批量生产。特定的能量密度为85.6瓦/公斤，在室温和136瓦时/公斤，在80℃(所有总电极重量计算)，在电流密度为1 A / G来衡量，已观察到。这些能量密度值是镍氢电池媲美。设备的充分利用，最高的内在表面电容及单层石墨比表面积预备弯曲不重新堆叠面对面的石墨薄片。弯曲的形状，使访问和对环境无害的离子液体能够在电压> 4可湿性孔形成五。

碳纳米管具有优良的nanoporosity属性，使聚合物的微小空间，坐在管中，并作为介质。碳纳米管可以存储大约每单位面积，但碳纳米管(这几乎是纯碳作为木炭相同的电荷)可以安排在一个更经常的模式，公开更多合适的表面积。[16]电容器的碳纳米管除了可以大大改善和提高双电层电容器的性能。由于高表面积和高导电性的单壁碳纳米管，这些碳纳米管除了允许这些电容器优化。[17]多壁碳纳米管在电极孔，方便离子允许存在/电解质界面。碳纳米管薄薄的墙壁，允许在双电层电容器的高电容。通过添加多壁碳纳米管，这些电容器，电极的电阻可以降低。电容与多壁碳纳米管纤维细胞有较高的电子和电解质的离子电导率，比没有这些碳纳米管的细胞。这些纳米管也有所改善电力电容器的能力。

ragone图表显示各种能源存储设备能量密度vs.power密度

一些聚合物(如polyacenes和导电聚合物)随着高表面积氧化还原(氧化还原)的存储机制。

碳气凝胶提供了极高的表面积约400-1000平方米/克的重量密度。气凝胶超级电容器的电极通常由碳纤维制成，并涂上有机气凝胶，然后经过裂解无纺纸的一种复合材料。碳纤维结构的完整性和气凝胶提供所需的表面积大。小气凝胶超级电容器被用作微电子备份的电力储存。气凝胶电容只能工作在几伏的高电压电离的碳和损坏电容。碳气凝胶电容已经达到325焦耳/克(90·W·H /公斤)的能量密度和功率密度20 W / G。

固体活性炭，也称为综合的无定形碳(CAC)。它可以有一个表面面积超过2800平方米/克，可能更便宜比气凝胶碳生产。

可调多孔碳具有系统的孔径控制。 H2的吸附处理，可用于增加能量密度高达75%以上是2005年商业。

矿物基碳1 nonactivated碳，合成金属或非金属碳化物，如碳化硅，议会，Al4C3。合成纳米多孔碳，通常被称为碳化物衍生碳(CDC)，有一个2000平方米/克，共约400平方米/克的表面面积比电容高达100架F /毫升(有机电解液)。截至2006年使用这种材料在超级电容器具有体积135毫升和200克的重量有1.6 KF电容。能量密度超过47千焦耳/ L，在2.85 V和功率超过20 W / G 密度

2007年8月研究人员结合与定向碳纳米管的可生物降解的纸电池，锂离子电池和超级电容器(称为bacitor)旨在充当。该设备采用本质上是一种液体盐，离子液体作为电解液。可以卷起的纸张，扭曲，折叠，切或不完整或效率损失，或堆积，像普通的纸(或伏打电堆)，来提高总产量。他们可以在各种尺寸，从邮票到大报。其重量轻，成本低，使他们有吸引力的便携式电子设备，飞机，汽车，玩具(如模型飞机)，而他们的能力，使用血液中的电解质，使他们潜在的有用的医疗器械，如心脏起搏器。

其他球队正在尝试与活化聚吡咯定制材料，碳纳米管浸渍文件。