高比容量的正负极材料是高性能二次电池研究与开发的关键。但高比容量电极材料在充放电过程中体积变化较大导致电极材料粉化而流失,电极的膨胀造成容量衰退,以及高比容量正极材料普遍存在导电性差等问题,严重制约其商业化的应用。石墨烯具有优异的电导率,高比表面积,以及极佳的机械性能,是构建高性能电极材料的优秀载体。高效、绿色、廉价的石墨烯基电极材料合成工艺的设计和开发,对于高容量锂二次电池的商业化具有重大意义。本文针对以上问题,以新型的绿色环保、成本低廉的石墨烯合成工艺设计为基础,研究开发了高效储能的石墨烯基负极材料和硫正极材料。本文利用熔融KCl/NaCl共晶盐的强极性离子环境,促进sp3杂化的C-C或C-X向sp2杂化的C-C转化,实现了葡萄糖在KCl/NaCl熔融盐中直接转化为石墨烯材料(MS-Gr)。在此基础上,利用NH4Cl与葡萄糖之间发生美拉德反应的特性,成功制得掺氮石墨烯(N-Gr)。由于掺杂的N与石墨烯的π键形成共轭结构,更有利于石墨烯的形成,从而使得N-Gr相较MS-Gr具有更高的比表面积。同时,实验发现,工艺中碳化温度的上升有利于N-Gr的比表面积的增大。但是,当碳化温度超过1050 ℃时,熔盐中产生的芳香环片段开始聚集堆叠,反而导致产物的比表面积降低。N的引入,在石墨烯结构中引入更多的缺陷,提供了更多的活性位点。凭借活性位点的有效利用,N-Gr显示出比MS-Gr拥有更好的性能强化效果,从而获得更为优异的电化学性能。更进一步地,在锂离子电池负极材料方面,为了提高负极材料的比容量,本文在掺氮石墨烯工艺的基础上,通过加入相应的具有高比容量的负极材料的前驱体,制得石墨烯和高比容量负极材料(Sn、Co9S8或Ni3S2)的复合物,石墨烯和高比容量负极材料两者之间通过互补和协同作用,促使其复合物展现更优异的电化学性能,其中,以Sn@Gr材料的性能最为优异。这是因为,通过原位合成而均匀沉积在石墨烯片层上的金属Sn纳米颗粒不仅增加了石墨烯片层间的空间,提高了石墨烯的锂化容量,而且它还在石墨烯片层间起着桥梁嫁接的作用,提高了石墨烯片层在纵向上的电子传导性能,从而改良材料的电化学性能。石墨烯的机械强度以及金属纳米锡颗粒与石墨烯片层之间牢固的连接,保证了 Sn@Gr负极材料的循环稳定性。在充放电电流密度为800mAg-1时,在700个充放电循环后,电池的充放电容量仍然能保持在671 mAh g-1。在充放电电流密度为1000mAg-1时,倍率性能依然高达606mAhg-1。测试分析的结果为制备更多实用的高性能的新型石墨烯基负极材料提供了新的思路。在锂二次电池正极材料方面,以锂硫电池为例,为抑制聚硫化锂的穿梭现象,利用石墨烯对弱极性的聚硫离子具有较强吸附作用,而Ni单质对于强极性的聚硫离子具有较强吸附作用的特性,制备Ni@Gr复合材料。结果表明,Ni单质和石墨烯两者间相互协同,使得Ni@Gr的硫电极比N-Gr的硫电极具有更稳定的循环性能和电池比容量。通过成分优化,以Ni@Gr-5S复合硫电极具有最佳的电化学性能。更进一步地,采用CVD法在Ni@Gr表面生长纳米碳管,制得具有超高比表面积的三维网络结构的纳米碳管接枝石墨烯的复合材料(CNT-g-Gr)。相较于N-Gr,CNT-g-Gr具有更高的比表面积(2994 vs.603 m2 g-1)和全孔容(4.76 vs.0.04cm3 g-1),展现出更强的聚硫离子吸附能力。在石墨烯表面原位沉积的Ni纳米颗粒,不仅作为催化位点促进CNT的形成,并且能够吸附具有极性的聚硫离子。CNT-g-Gr具备超高的聚硫离子吸附能力,一方面是因为Gr和CNT对于弱极性种类的聚硫离子的吸附,另一方面源于金属Ni纳米颗粒对于强极性种类的聚硫离子的吸附。当锂硫电池采用该材料作为硫的导电载体时,展示出优良的循环性能和倍率性能。在0.2C倍率充放电时,电池的放电容量基本稳定在900 mAh g-1(电池容量衰减速率低);在30 C倍率充放电时,电池依旧可以正常充放电,容量保持在260 mAh g-1。该材料的硫电极表现出极为优异的倍率性能,远远高于其它类似的材料,在动力电池领域中具有相当大的应用潜力。