锂离子电池由于其能量密度高，重量轻，使用寿命长，已经成为便携式电子设备的主要电源。但进一步提高比容量、充放电效率、降低成本和提高安全性仍将是研究的热点。开发新型高容量的电极材料以及优化电极材料的纳米结构是提高锂离子电池性能的两种关键方法。石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能，是一种理想的复合材料载体，它对不同尺寸、形貌和化学组分的载体材料性能具有最优化作用。由石墨烯和不同成分与结构的锂电活性材料制得的复合材料，已经被证实比单独石墨烯或活性材料具有显著改进的电化学性能。因此，本文结合锂离子电池负极材料目前的发展现状，针对不同嵌锂机理（嵌入机理、合金机理和转换机理）材料的缺点，引入石墨烯制备复合材料，同时优化复合材料的纳米结构，并从材料结构，充放电性能，循环性能和倍率性能等方面对整个锂离子电池体系的电化学性能进行对比研究。本文主要开展了以下几方面的研究工作:　　(1)锐钛矿TiO2通过嵌入机理储存锂离子，Li在TiO2中较低的化学扩散性限制其在高功率输出方面的实际应用。第二章通过水热自组装和冷冻干燥的方法制备超细TiO2纳米颗粒/氮掺杂石墨烯泡沫。结果显示这种复合物具有较大的比表面积(249.2m2g-1)，大孔（粒径为亚微米到微米级）和介孔结构，同时得到较高的氮含量(7.34％N/C原子比)。石墨烯三维网络和氮掺杂能改善复合材料的电化学动力学，超细TiO2纳米颗粒/氮掺杂石墨烯泡沫具有最小的电荷转移电阻（循环前132.9Ω和循环后20.6Ω）和最低的离子扩散电阻。复合泡沫独特的层次结构提供多维电子网络，增大电极与电解液的接触面积，提供大量通道利于电解液浸入，而氮掺杂进一步提高复合物的导电性和电化学活性。因此超细TiO2纳米颗粒/氮掺杂石墨烯泡沫，具有最优良的倍率性能，在5C倍率测试200次循环，比容量仍然有143mAh g-1。　　(2)SnS2是一种具有层状结构的Sn基电极材料，属于合金机理，这种机理将引起电极材料巨大的体积膨胀和收缩，影响电极的循环稳定性。第三章将其与石墨烯三维大孔结构复合，制备SnS2/石墨烯泡沫。结果显示氧化石墨烯的加入和浓度改变能明显影响SnS2纳米片的尺寸(SnS2:600nm，SnS2/石墨烯复合物中:300nm，SnS2/石墨烯泡沫中:200nm)，较小的纳米片尺寸利于电解液浸润。同时，石墨烯三维大孔结构能更有效的容纳电极体积变化，从而有效提高复合物的比容量和循环稳定性。因此在50mAg-1电流密度下循环30次后，对比SnS2/石墨烯复合物的可逆容量（514mAh g-1），SnS2/石墨烯泡沫具有更优良的循环性能，为656mAh g-1。　　(3)SnO2也是合金机制Sn基化合物的一种，第四章通过溶剂热和水热合成两个步骤，制备三组分的石墨烯/TiO2/SnO2纳米复合材料。结果显示锐钛矿型TiO2和金红石型SnO2纳米颗粒（粒径约为几纳米）均匀地负载在石墨烯片层表面，金属氧化物的含量分别为TiO2(9.0％)和SnO2(81.0％)。在石墨烯/SnO2复合体系中引入少量TiO2纳米颗粒，充放电过程中TiO2能有效的抑制SnO2纳米颗粒团聚，并且提高更多的间隙空间来缓解电极的体积变化，有效保持电极整体结构稳定。因此，虽然石墨烯/SnO2纳米复合材料具有更高的首次放电容量，为2805mAh g-1，这是由于此复合物中高容量活性材料SnO2含量更高，约90.0％。但随循环次数增加，石墨烯/TiO2/SnO2纳米复合材料具有更好的循环稳定性，当电压范围为0.01-3.0V，50次循环后可逆容量保持在537mAh g-1;石墨烯/SnO2复合材料的可逆容量在前30次循环中持续降低，50次循环后只有332mAh g-1。　　(4)Fe3O4是转换机理材料，类似于合金机理，这类材料在锂离子嵌入/脱离时也会产生严重的体积变化，导致结构粉碎和循环性能变差。第五章通过溶剂热和热烧结过程将Fe3O4与石墨烯复合，制备石墨烯/Fe3O4@碳复合材料。结果显示Fe3O4纳米种子(直径为7nm，长为20nm)表面覆盖了一层均匀、连续的无定型碳层，形成“密封”的复合结构，这能有效的抑制Fe3O4纳米种子在循环过程中团聚，因此促进纳米复合材料的电化学活性和稳定性。通过改变多巴胺的起始浓度和聚合时间，优化碳包覆层的厚度，当厚度为1.2nm时，产物在比容量和循环稳定性中获得较好的平衡。这种“密封”纳米结构提高电极导电性，使纳米尺寸Fe3O4颗粒均匀分布，保证Fe3O4与石墨烯的良好接触表面积，因此石墨烯/Fe3O4@碳复合材料（碳层厚度为1.2nm时）具有良好的电化学性能，在0.5C循环200次后，容量持续增加至1344mAh g-1，在2C倍率继续测试200次循环后，最终获得容量743mAh g-1。这种结构在其它纳米结构电极中具有广泛的应用空间，能有效抑制纳米材料团聚，保持SEI膜结构稳定。