随着电动汽车、便携式/可穿戴电子设备及大型固定储能设备的快速兴起，兼具高能量密度与功率密度的低成本、高安全性储能系统的需求愈加迫切。“电池-电容型”混合电容器集电池与超级电容器的优势于一体，有望满足未来多功能电子设备的储能需求。然而电池电极与电容电极间存在巨大的动力学差距与容量不匹配问题，因此混合电容器的功率密度及循环使用寿命受限于电池电极，能量密度受限于电容电极。一体化电极作为电子导电和离子导电的混合导电体，电化学反应将伴随着快速离子传输与电子传递。基于此，本论文通过多种一体化电极结构设计，改善了层状钛酸钠电池负极动力学性能差的问题，并分别与超薄轻质的MnO₂@SWCNT和KFe₃(SO₄)₂(OH)₆/SWCNT赝电容正极匹配，组装了具有高能量密度的锂离子混合电容器和钠离子混合电容器。具体研究内容如下：

（1）合成了自掺杂Ti³⁺的Na₂Ti₂O₅纳米线阵列，Ti³⁺提高了材料的电子导电性，三维纳米阵列结构为电子传递提供了直接通路，为离子传输提供了更短路径，所得Na₂Ti₂O₅纳米线阵列可在2.5 M Li₂SO₄水系电解液的超低电位（-1.45~-0.7 V vs. SCE）呈现可逆氧化还原反应。电荷存储动力学分析表明Na₂Ti₂O₅纳米线阵列电荷存储时表面控制占主导，因此具有优异倍率性能。为与电池电极容量匹配，利用具有电化学活性的超薄轻质SWCNT薄膜作为导电基底，设计了MnO₂@SWCNT自支撑电极，展现出114 mAh g⁻¹的高比容量。得益于Na₂Ti₂O₅阵列负极的高氧化还原活性与MnO₂@SWCNT正极的高比容量，基于Li₂SO₄-PAM凝胶电解质组装的柔性准固态混合电容器实现了宽电压窗口（2.6 V）、高能量密度（70.74 Wh kg⁻¹）与高功率密度（11500 W kg⁻¹），并具有比液态器件更优的库伦效率、循环寿命与安全性。

（2）设计了无集流体与粘结剂的Na₂Ti₃O₇/SWCNT自支撑薄膜负极，活性材料包裹在三维导电网络中，保证了电极整体的导电性，导电网络间的空隙有利于电解液渗透，可有效缩短离子扩散路径，因此倍率性能比浆料涂覆电极更优，并通过电化学交流阻抗测试进行了佐证。进一步合成了六方形KFe₃(SO₄)₂(OH)₆纳米片作为钠离子混合电容器正极，纳米片结构在厚度方向缩短了离子扩散路径，在平面内又保证了结构完整。利用GITT测试与电荷存储动力学分析证明了Na⁺在KFe₃(SO₄)₂(OH)₆材料中具有高扩散系数，并且电荷存储为插层赝电容主导，因此具有优异的倍率性能与较高的比容量。结合高离子电导率的醚基电解液组装钠离子混合电容器，实现了最大123.3 Wh kg⁻¹的能量密度与3625.9 W kg⁻¹的功率密度，在已报道的钠离子混合电容器中性能位于前列。