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锂离子电池和电化学电容器是重要的能源存储设备,在电子设备以及电动汽车等领域有重要的应用需求。随着社会的发展,人们对于能源存储设备的性能要求日益提高,因此如何设计高性能的锂离子电池和电化学电容器越来越受到重视,其中电极材料是储能设备性能优劣的关键。钴氧化物(Co3O4、CoO及Co(OH)2)是重要的电极材料之一,可以同时用于锂离子电池和电化学电容器。钴氧化物储能应用的优点是理论容量高,缺点是导电性差、体积变化大,从而导致其容量衰减快。尽管钴氧化物储能应用研究已有较多报道,但是仍不能满足目前电子设备及电动汽车的应用需求。为提高钴氧化物的电化学性能,本文设计制备了石墨烯基钴氧化物复合纳米材料,着重考察了复合材料形貌、结构的变化规律以及组分之间的界面交互作用,并在此基础上测试其电化学性能以及影响电化学性能的关键因素。通过原位沉淀方法制备出Co(OH)2/GNS复合材料,Co(OH)2为结构稳定的(3-Co(OH)2,呈现六方片形,大小约为130nm,厚度约为20nm,Co(OH)2垂直于石墨烯生长,垂直生长面为其(001)面,而且Co(OH)2片层与石墨烯之间存在Co-C共价键连接。研究了其作为锂离子电池负极材料的电化学性能,50mA/g电流密度下,复合材料首次放电容量为1686.0mAh/g,首次可逆充电容量是976.5mAh/g,50次循环后可逆容量是1103mAh/g;电流密度为1A/g时,首次放电容量和充电容量为496.1mAh/g和449.4mAh/g。然后,以六方片状Co(OH)2/GNS复合材料为前驱物,在300-500℃温度范围下热处理,得到不同的多孔CoO纳米片/GNS复合材料,复合材料六方片层的直径约为50-100nm,片层上有孔分布。炭化温度为500℃时,复合材料具有最佳的电化学性能,首次放电容量为1015.5mAh/g,循环60次后,比容量为1398.7mAh/g。同时,采用铝元素掺杂的方法调控氢氧化钴纳米片的形貌,研究了铝的加入量对其形貌及电化学性能的影响。其中Co:Al比例为2：1时,大小均一的六方片状负载于石墨烯片层上,复合材料此时具有最优异的循环性能,0.1A/g电流密度下最大容量为675.7F/g。此外,以Co(NO3)2/GNS复合材料为原料通过原位热解法制备了氧化钴/石墨烯复合材料。热解温度大于200℃时,得到的复合材料中氧化钴为直径30-50nm的颗粒,均匀地锚定在石墨烯纳米片上,并且氧化钴与石墨烯纳米片之间存在Co-O-C共价键。200℃时得到的氧化钴/石墨烯复合材料的电化学性能最为优异,0.1A/g电流密度下循环500次后容量为540F/g。