本发明涉及一种提升微生物电解池生物阴极产甲烷性能的方法，包括以下步骤：(1)生物阴极多阶段培养；(2)成熟生物阴极多底物代谢；(3)微生物电解池能量合成优化；(4)稳定微生物电解池系统运行。与现有技术相比，本发明以生物阴极为产甲烷的核心功能区，针对生物阴极培养至稳定运行中涉及的微生物富集、底物代谢强化、能量合成优化等各个关键环节，创造性提出可集成的强化技术。与现有以电极材料改进、电子传递促进等为核心的技术相比，本发明以与产甲烷功能直接相关的核心环节切入，更加精准的提升生物阴极产甲烷代谢的能力与效率，可有效提升微生物电解池产甲烷的性能，并可用于满足沼气升级与二氧化碳固定等方面的需求。