超级电容器由于其功率密度高、充放电速率快、循环寿命长等优点，逐步成为智能化储能器件领域的研究热点。目前商业化的超级电容器能量密度远低于锂离子电池，因为其储能主要依靠电极材料表层的界面反应。因此，超级电容器电极材料需要合理的三维设计，以增大电解质与电极的接触面积，从而增加界面反应，提高其性能。超级电容器电极材料主要有碳材料、金属氧化物、导电聚合物等等。基于碳材料的双电层超级电容器，其储能机制主要是物理吸附离子，故其能量密度较低，而基于金属氧化物等的赝电容器，是通过氧化还原反应储能，其能量密度虽然有所提高，但是功率密度不如双电层电容器。针对超级电容器功率密度和能量密度不能同时兼得的问题，我们通过对电容器材料的三维结构设计和改性，优化器件的性能。主要成果有：1）通过对商业的三聚氰胺泡沫进行一步碳化，制备出氮掺杂的、可压缩的、可弯曲的、电化学性能较高的三维泡沫碳，并且研究了碳化温度对三维泡沫碳性能的影响。适当的碳化温度为三维泡沫碳提供良好的机械性能，在压缩和弯曲过程中仍然能保持良好的电化学性能。氮的掺杂为泡沫碳提供了一部分赝电容，提高了材料的比电容，在0.5A/g电流密度下比电容高达221F/g，当电流密度增加到50A/g时，比电容仍然有100F/g。2）通过静电纺丝并碳化制备自支撑碳纤维片CNF，然后用CVD法在碳纤维表面生长碳纳米管CNT，制备出CNT-CNF复合材料。用KOH高温活化处理CNT-CNF，在700-750℃下，KOH活化90min，CNT-CNF复合电极的尖端完全张开，比表面积提高299.5m2/g（约为原始电极的5倍），比电容提高3-4倍。3）引入了一种电化学活化方法来改善MnO2@CNTs的电化学性能。在电化学活化过程中，溅射后的MnO2薄膜可以重构并形成3D纳米片结构，并伴随有电解液离子的嵌入。经过放电电流密度为10mA/cm2电化学活化的MnO2，在电流密度为0.5A/g时，比电容为404F/g，在100A/g时，电容仍然能保持78.7%。