近年来,人们对清洁无污染的新型能源越来越关注。锂离子电池作为新能源的一种,以其高的能量密度、长的循环寿命及无记忆效应等优点被广泛应用于各种便携式电子设备,如手机、笔记本电脑和相机等。同时,锂离子电池在电动汽车领域也表现出了广阔的应用前景,使得具有高能量密度和高功率密度的锂离子电池成为各国竞相开发的热点。电极材料是决定锂离子电池性能的重要因素之一。在负极材料方面,目前商业化的负极材料主要为石墨,其理论比容量只有372 m Ah g^-1,远远不能满足电动设备的实际需求。因此,设计和制备高性能的锂离子电池负极材料具有重要的战略意义。石墨烯作为一种新型的碳材料,因其具有超大的比表面积和超高的导电性等优异的性质,在能源、材料和电化学等领域都有很大的应用前景。因此,本文以石墨烯基材料为研究对象,以提高锂离子电池的能量密度、功率密度及循环寿命为目的,设计和制备了一系列高性能的石墨烯基锂离子电池负极材料。具体内容如下:（1）采用化学气相沉积法,调控生长制备了具有大比表面积（1620 m g）的多孔石墨烯材料。多孔石墨烯的多孔结构和超高的导电性使其实现了高效的锂离子和电子传输与反应。因此,多孔石墨烯表现出优异的循环性能和倍率性能。在电流密度150 m A g^-1下循环50次后,多孔石墨烯的充电比容量从823 m Ah g^-1提高到1247 m Ah g^-1（提高了34%）;在电流密度1000 m A g^-1下的充电比容量仍高达455 m Ah g^-1。（2）采用化学气相沉积法,制备了具有三维结构的碳纳米管-多孔石墨烯复合材料。多孔石墨烯的存在有效地抑制了碳纳米管的团聚,同时该复合材料中Fe3C纳米颗粒的存在,使其具有了超顺磁性,可以应用于磁性药物载体等多个领域。和多孔石墨烯材料相比,碳纳米管-多孔石墨烯复合材料具有更丰富的多孔结构,但是由于碳纳米管的存在,使其比表面积要比多孔石墨烯小,所以不能提供更多的储锂位点,因此其储锂性能不如多孔石墨烯材料。（3）多孔石墨烯材料表现出了优异的电化学性能,但其超大的比表面积使其首次不可逆容量比较大,因此采用液相沉积法调控制备了Co3O4-多孔石墨烯复合材料。Co3O4纳米颗粒一方面具有高的理论比容量(890 m Ah g^-1),另一方面可以有效地防止多孔石墨烯的堆积和聚并,同时Co3O4纳米颗粒可以嵌入到多孔石墨烯的孔结构中,降低了复合材料的比表面积,从而有效地降低了不可逆容量的产生。多孔石墨烯一方面可以缓解Co3O4纳米颗粒充放电过程中体积的变化,另一方面其三维多孔网状结构加速了锂离子的传输,同时其本身是电子的优良导体,加速了电子传输。因此,Co3O4-多孔石墨烯复合材料表现出高的质量比容量（单位质量的活性物质的充电容量）和体积比容量（单位体积的活性物质的充电容量）。在电流密度150 m A g^-1下循环50次后,70%Co-PGN复合材料（复合材料中Co3O4的质量分数为70%）的质量比容量由1336 m Ah g^-1上升到1439 m Ah g^-1;当电流密度上升到1000 m A g^-1时,70%Co-PGN复合材料相应的质量比容量仍然高达1072m Ah g^-1。同时,70%Co-PGN复合材料具有高的体积比容量(在电流密度50和1000m A g^-1下,70%Co-PGN复合材料的体积比容量分别为1993和1678 m Ah cm-3,远高于多孔石墨烯的体积比容量)。（4）采用液相沉积法制备了具有核@孔@壳结构的Fe₂O₃-多孔石墨烯复合材料。不同于Co3O4-多孔石墨烯复合结构,在该复合结构中,Fe₂O₃纳米颗粒是通过改变多孔石墨烯的表面结构来提高复合材料的电化学储能性能。Fe₂O₃纳米颗粒可以催化分解复合材料表面形成的SEI膜,从而提高其电化学性能。因此,Fe₂O₃-多孔石墨烯复合材料表现出优异的循环性能和倍率性能。在电流密度150 m A g^-1下循环50次后,10%Fe-PGN复合材料（复合材料中Fe₂O₃的质量分数为10%）的充电比容量由1289 m Ah g^-1上升到1567 m Ah g^-1;在电流密度1000 m A g^-1下循环100次后,10%Fe-PGN复合材料的充电比容量由814 m Ah g^-1上升到883 mAh g^-1。