锂离子二次电池已成为发展最快和最受重视的新型储能装置，目前商业化炭负极材料具良好的循环性能，但比容量较低，迫切需要进行新型高容量负极材料的研究和探索。过渡金属钴氧化物具有高比容量，很有希望成为一种新型高容量锂离子二次电池负极材料，但其首次容量损失较大，快速容量衰减限制了此类材料的实地应用。将过渡金属氧化物与导电性良好的炭材料（如石墨烯、碳纳米管等）复合，是解决上述问题的方法之一。石墨烯因其具有较大的比表面积、良好的电导性能已成为了新能源领域迅速崛起的新星，碳纳米管（CNTs）具有优良的电化学嵌锂性能，可作为负极添加剂应用于锂离子电池。本论文探讨了过渡金属钴氧化物、石墨烯/氧化钴复合材料及碳纳米管/氧化钴复合材料的制备，采用多种表征方法对材料的形貌结构及电化学性能进行了系统研究，取得以下研究结果：（1）利用水热-热分解法制备了四氧化三钴（Co₃O₄）球。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和热重分析（TGA）等对所制备的Co₃O₄进行了表征。考察了不同实验条件对Co₃O₄形貌的影响，并确定制备Co₃O₄球前驱体的最佳条件：乙二醇和水的比例为80:40mL、水热反应时间为24h、水热温度为200-230℃。利用循环伏安法和恒电流充放电等技术对不同形貌Co₃O₄的锂离子电池负极性能进行了研究。结果表明Co₃O₄片及疏松Co₃O₄球的首次充电容量高，但随循环衰减较快；致密Co₃O₄球的首次充电容量相对低，却具有相对较好的循环性能。（2）基于静电吸附原理制备了石墨烯包覆Co₃O₄球的复合材料（GE/Co₃O₄）。通过SEM、XRD、TGA和X射线能量色散光谱（EDS）等对所制备的复合材料的形貌结构及组成进行了表征。结果表明石墨烯均匀的包裹在Co₃O₄球表面，石墨烯的含量约为20%。通过循环伏安法和恒电流充放电等技术考察了所制备复合材料的锂离子电池负极性能。与Co₃O₄球和GE-Co₃O₄材料相比较，GE/Co₃O₄具有较高的可逆容量，经过30次循环仍保持850mAh/g的可逆容量，展现出较好的循环性能和倍率性能。（3）采用混酸修饰的碳纳米管和硅烷偶联剂（APS）修饰的Co₃O₄球自组装制备碳纳米管包覆Co₃O₄球复合材料（CNTs/Co₃O₄）。利用SEM、EDS、XRD和TGA等对CNTs/Co₃O₄复合材料进行了形貌结构及组成的表征。结果表明修饰处理后的碳纳米管呈网状均匀地缠绕在Co₃O₄表面，并且APS修饰造成的Co₃O₄碎片也被紧实的包裹起来。通过循环伏安法和恒电流充放电等技术对所制备复合材料的锂离子电池负极性能进行了研究，结果表明相比于Co₃O₄球和CNTs-Co₃O₄，CNTs/Co₃O₄材料具有较高的可逆容量和较好的循环性能，但其倍率性能不尽如人意。