金属氧(硫)化物作为高理论容量的锂离子电池负极材料,已逐步成为潜在的商用石墨负极的替代者。其拥有安全的嵌锂电位,可保证相对独立的脱/嵌锂过程。然而,金属氧化物在插锂和拔锂过程中产生体积变化,,造成了容量的衰减。此外,金属氧化物较差的导电性,这些都极大地影响其电化学反应活性,也限制了其进一步的应用。针对这些问题,将金属氧(硫)化物纳米化或将其与碳材料进行复合成为改善其结构稳定性和导电率的主要手段。纳米化主要是指将金属氧化物在不同维度进行结构控制,从而优化其电化学性能。石墨烯由于具有许多出色的理化性质,如出色的电导率、高的热导率、较大的比表面积和优异的机械性能等,在功能复合材料中得到了广泛的应用,但其二维片层结构的无序堆叠不利于锂离子和电解质的扩散。二维石墨烯独特的立体结构可有效抑制石墨烯在干燥过程中的二次堆叠和团聚,其微孔、介孔结构有利于进一步发挥少层石墨烯的理化特性,也可有效改善传统电极材料的电化学性能。本论文以低成本、高理论容量的金属氧(硫)化物为研究对象,以高比表面积、高导电性的三维石墨烯为导电基底,采用简单高效的水热法和化学还原法制备了一系列新型的多维度金属氧(硫)化物(零维、一维、二维)/三维石墨烯复合材料。独特的结构设计赋予了材料令人满意的储锂/钠性能。同时,采用各种电化学测试方法对电极材料在电化学应用中的基本科学问题,如电极反应及其过程中的电化学行为进行了深入探讨。具体研究内容如下:(1)铁酸锌/三维石墨烯复合材料(ZnFe204/GAs)是通过简单的水热法制备而得;四氧化三铁/三维石墨烯复合材料(Fe3O4/GAs)是通过高效、简易的化学还原法制备而得。金属氧化物粒子由石墨烯三维网络完全乘载。同时,三维石墨烯的交联网络可有效抑制金属氧化物粒子在反应过程中的体积变化,并为锂离子和电子的传输提供更高效的通道。首先,.ZnFe204的初始容量虽高但在随后的循环迅速衰减。而对于ZnFe204/GAs复合材料,在100 mAg-1的电流密度下,循环100次后比容量仍高达1049 mAh g-1 的,而 ZnFe2O4 的比容量已衰减至 458 mAh g-1。ZnFe2O4/GAs 复合材料也展示了优异的倍率性能(1000mAg-1,65mAhg-1)。随后,以Fe2+为铁源和还原剂,在常压低温条件下原位合成Fe304/GAs复合材料。该材料在100 mA g-1,循环100次后比容量高达1016 mAh g-1。Fe304/GAs复合材料也展现了良好的倍率性能,在2000 mA g-1电流密度下,比容量为 434 mAh g-1。(2)为进一步加强金属氧化物和三维石墨烯的协同作用,在无任何添加剂条件下,利用原位水热法合成一系列金属氧化物量子点(QDs)和三维石墨烯的复合材料。超小尺寸的量子点可以缓解反应过程中的体积变化,三维石墨烯网络可以有效抑制金属氧化物纳米粒子的团聚,同时缓解其在反应过程中的体积变化,也为离子和电子的转移提供更高效的传输路径。Fe304QDs/GA复合材料作为锂离子电池负极材料,在100 mA g-1电流密度下,充放电循环70次后,比容量保持为1078 mAh g-1。在100-1000mAg-1电流密度下循环50次后,当电流密度回到100mAg-1比容量仍然能够保持890 mAh g-1。Sn02 QDs/GA在50 mA g-1电流密度下循环50次,比容量高达319 mAh g-1,而纯Sn02的比容量已经衰减至200 mAh g-1。该材料还展现出优异的倍率性能(800 mA g-1,150 mAh g-1)。基于以上水热法自组装三维石墨烯宏观体,进一步发展了以DMF为溶剂和氮源的溶剂热法制备了 CoO QDs/掺氮三维石墨烯复合材料,掺氮石墨烯引入更多的缺陷,为负载CoO量子点和储锂反应提供了更多的活性位点。石墨烯片层和CoO量子点之间Co-N-C的键合作用,更有利于CoO量子点和石墨烯之间形成良好的界面效应。在200 mAg-1电流密度下循环200次,比容量高达896 mAh g-1,且在电流密度为1600 mA g-1时,比容量可稳定在373 mAh g-1。(3)已报道的金属氧化物/三维石墨烯复合材料中金属氧化物很少经过特殊的结构设计,多为自然状态的颗粒。一维金属氧化物拥有各项异性的特点,可明显提升其电化学性能。本章提出一维金属氧化物/三维石墨烯复合材料。首先,以抗坏血酸为还原剂和诱导剂,利用化学还原法合成二氧化锡短棒/三维石墨烯复合材料(SnO2 NRs/GA)。用于锂离子电池和钠离子电池,表现出较为理想的电化学特性。Sn02NRs/GA复合材料作为锂离子电池负极材料,在100 mA g-1电流密度循环50次后,比容量为869mAhg-1,在2000mAg-1电流密度下,比容量为458mAhg-1。作为钠离子电池负极材料,在50 mA g-1电流密度下循环50次后,比容量为232 mAh g-1,在1000 mA g-1下电流密度,比容量稳定在111 mAh g-1,且经过大电流充放电后,50 mA g-1电流密度循环50次后,比容量仍稳定为240 mAh g-1。同时,制备了一维铁氧化物和三维石墨烯的复合材料,也表现出了良好的储锂性能。(4)二维金属氧化物能够改善电极材料与电解质的交互界面,为离子和电子的运输提供更加合理的动力学界面,从而优化了锂离子、钠离子和电子的传输通道。同时,其片层结构为电极反应提供了更多的活性位点,从而能够加快反应的进行。基于此,首次合成花状四氧化三铁/三维石墨烯复合材料和花状二硫化钼/三维石墨烯复合材料,表现出理想的电化学性能。花状Fe304/GA复合材料作为锂离子电池负极材料,在200mAg-1电流密度稳定循环100次后,比容量高达1016 mAh g-1。在3200 mA g-1电流密度下比容量稳定在534 mAh g-1。花状MoS2/GA复合材料材料作为钠离子电池负极材料,在100 mA g-1电流密度循环30次,比容量为300 mAhg-1,此外,MoS2/GA复合材料还展示出良好的倍率性能,在500 mAg-1电流密度下,比容量稳定在208mAhg-1。