锂离子电池作为二次电池在新能源领域如便携式笔记本电脑,电动车,医疗设备等方面的应用越来越受到重视,但目前负极材料石墨的低容量限制了其发展。过渡金属氧化物由于其高比容量(>600 mAh g-1),是高性能锂离子电池负极的有力替代者,但是它们的低导电率,充放电过程中出现的严重体积形变造成的结构崩塌,最终导致了容量衰减和循环不稳定,不适宜工业化。目前,二维石墨烯由于其优良的物理性质如超大比表面积,高导电性,优异的机械性能和良好的化学稳定性,已成为当今材料领域的研究热点。将石墨烯与金属氧化物复合时,其优良的导电性能够改善氧化物的导电率,增加电子的传输,另外,其优异的机械性能也能够很好的缓和充放电时造成的氧化物的体积膨胀,从而提高电极材料的循环性能,而且石墨烯构成的独特三维网络孔状结构也有利于电化学过程中的离子和电子传输。本文使用石墨烯为载体,分别(1)直接电喷法制备了石墨烯-Co3O4纳米颗粒的无粘结剂电极；(2)水热法制备了石墨烯-TiO2的柔性纸状电极；(3)热处理氨水和氧化石墨烯快速制备了氮掺杂石墨烯复合材料；(4)制备氮掺杂石墨烯与多孔Fe2O3纳米棒的复合材料电极,并使用原子气相沉积法在电极表面沉积Al2O3纳米层提高电化学性能。通过直接电喷沉积氧化石墨烯和Co3O4纳米颗粒在集流体铜箔上,构筑了特殊的三维孔状结构,制备了无粘结剂的柔性电极。石墨烯构建的中孔网络结构很好的缓和了Co3O4充放电时的体积形变,同时也有利于电子和离子的传输。电化学测试表明,在1Ag-1电流密度下,无粘结剂的石墨烯-Co3O4电极58次循环后,其可逆容量为631 mAh g-1,明显地高于纯Co3O4样品,而且库伦效率能够达到97%。以水溶胶状石墨烯柔性纸三维结构为生长载体,利用表面活性剂为中间体,在石墨烯层间生长了TiO2纳米颗粒,它们如支架般穿插在石墨烯层间,形成了独特的开放式的三维纳米结构,有效的增加了锂离子的进出效率。电化学测试表明,在2Ag-1的电流密度下循环100次,可以获得122 mAh g-1的比容量。并且当电流密度从4Ag-1循环回200 mAg-1时,石墨烯-TiO2柔性纸状电极仍表现出优良的电化学稳定性并保持较高的175 mAh g-1的可逆容量。为了继续深入探讨石墨烯存储锂离子的性能,我们采用热处理氨水和氧化石墨烯,快速(约30s)制备了氮掺杂石墨烯(NGr)粉末。当作为负极时,与纯的无掺杂石墨烯相比,以吡啶型氮为主的多孔的NGr表现出更优异的容量保持率,优良的倍率性和循环稳定性。在0.01-3V下测试,在电流密度为2 A g-1(～5.4C)下,550次循环后,NGr的可逆放电容量可以达到453 mAh g-1。在更高电流密度10Ag-1(～27C)下,循环2000次后仍可以达到180 mAh g-1,而且没有容量衰减。当电压区间降到更接近工业应用的0.01-1.5V时,NGr仍然表现出很高的可逆容量。在1Ag-1电流密度下循环700次,比容量为224 mAh g-1。在5Ag-1下循环800次后,还可获得169 mAh g-1的可逆容量。X射线光电子能谱分析完全充放电状态下的NGr电极材料表明,吡啶型掺杂氮主要作用在1.5V至3V,而吡咯型掺杂氮主要是在低于1.5V时存储锂离子。本文还论证了一步法和微波处理法合成氮掺杂石墨烯与多孔Fe203纳米棒复合材料(NGr-I-M).直径为20-30 nm,长度为70-80 nm的Fe2O3纳米棒均匀的锚定在氮掺杂石墨烯片上。当其作为负极时,展现了优良的电化学性能。在0.1Ag-1电流密度下,可以获得高达1016 mAh g-1的可逆容量。在高电流密度2和3Ag-1下,NGr-I-M仍然可以获得达到651和522 mAh g-1的放电容量。为了减少复合材料电极的衰减,在电极材料表面使用原子气相沉积(ALD)法沉积了超薄Al2O3纳米层,可以有效地提高初始循环库伦效应,同时也避免超长循环的容量衰减。因为超薄的Al2O3纳米层不仅可以保护电极活性物质的结构稳定性,还能够保持电极内部的电子传输。保护后的电极首次循环89%的库伦效率远高于未保护的电极。并且在2Ag-1下循环三次后,库伦效率都能稳定在99%左右,200次循环后,可以获得稳定的508 mAh g-1可逆容量。并且在更高电流密度20Ag-1下测试时,容量值可高至249mAh g-1,且没有任何容量衰减。如此优异的电化学性能,可以归因于多种因素共同作用的结果,如多孔的氧化铁纳米结构,氮掺杂石墨烯的孔状结构和超薄氧化铝层的保护等。同时也论证了超薄ALD纳米保护可以避免电极在快速充放电下,超长循环后的容量衰减。