锂离子电池具有能量密度高,循环寿命长,无记忆效应等优点,是目前应用最为广泛的二次电池。为了适应动力电池发展的需求,需要开发性能更加优异的钾离子电池。介孔结构或纳米结构有利于电极表面与电解液的接触,在表面电流密度不变的前提下,能成倍的提高电池的输出功率；介孔结构或纳米结构还可以缩短锂离子从电极表面进入电极内部所需要的扩散距离,使锂离子更容易嵌入/脱出电极；此外,介孔结构的孔道能容纳电极材料在充放电时的体积膨胀,吸收应力。石墨烯作为一种纳米结构碳材料,具有非常高的比表而积,优异的电导率,以及超强的柔韧性和强度,是作为电极材料载体的极佳选择。将锂电活性材料附载于石墨烯上,能有效提高电极材料的电导率,使电池的倍率性能明显提升,同时能提高材料的结构稳定性,使电极材料在多次充放电后不会发生碎裂粉化,增加了电池的循环寿命。本论文工作以钛酸锂、二氧化钛、氧化铁等负极材料作为主要研究对象,通过将这些材料制备成介孔结构或纳米结构,并附载于热剥离石墨烯三维网络中,从而显著提高了它们的倍率性能与循环寿命。进一步研究以这些材料作为负极的全电池,获得了优良性能。具体研究内容如下：1.钛酸锂纳米粒子/热剥离石墨烯复合结构(LTO/TEG)的制备与性能。通过对氧化石墨进行热处理得到热剥离石墨烯(TEG),再进一步退火还原提高其电导率。我们以TEG作为载体,用高温固相反应的方法,在TEG内部纳米孔道内原位生长钛酸锂(LTO)纳米颗粒,最后得到了LTO/TEG结构。与纯LTO样品相比,LTO/TEG材料具有优异的倍率性能和循环寿命,50C的电流倍率下,能保持初始72%的容量,10C下进行5000循环的充放电,容量只衰减6%。这主要归因于TEG二维连通的网络,极大的提高了电极材料的电导率,同时也有效的增加了材料的结构稳定性。以LTO/TEG作为负极,碳包覆磷酸铁锂纳米颗粒(LFP/C)作为正极的全电池,也表现出很好的倍率性能和循环寿命。2.介孔二氧化钛/无定形碳/热剥离石墨烯三元复合结构(介孔Ti02/无定形碳/TEG)的制备与性能。我们用挥发诱导自组装的方法,以P123三嵌段共聚物作为软模板,在TEG的纳米空间内原位生成了介孔TiO2,之后在Ar气保护下进行退火,使三嵌段共聚物碳化,直接在介孔内壁原位生成无定形碳层。所得到的三元复合结构中,介孔TiO2与两个不同尺度的碳网络交织相连,TEG作为三维连通的微米级的碳网络,贯穿于整个活性颗粒,而无定形碳作为介孔内部纳米级的网络,紧贴于介孔Ti02内壁。这样的多级碳网络不但能有效的支撑介孔形貌的Ti02,使其不会在充放电中碎裂坍塌,而且能将电子从集流体直接传导到介孔内部,使Ti02的结构稳定性和导电性都有了明显的提升,以此为负极材料的半电池和全电池都表现出很好的倍率性能和循环寿命。3.系统研究孔结构参数对介孔二氧化钛(Ti02)微球锂电性能的影响。我们使用溶胶凝胶法,以F108三嵌段共聚物作为模板,制备了介孔TiO2微球,在不同温度下热处理,得到了一系列不同比表面积与孔径分布的介孔TiO2样品,并以此为负极材料,研究了介孔材料的孔结构参数,对其锂电性能的影响。结果表明,退火温度越高,介孔TiO2微球的比表面积越小,平均孔径越大。高比表面积有利于电解液和电极表面充分接触,易于二者交换锂离子,而大孔径有利于电解液的浸润与传输。因此存在一个最佳的制备条件,使电池的性能达到极值。我们最后得出,400℃退火的样品具有最佳的倍率性能。4.用介孔Fe203/石墨烯(MIO/TEG)作为负极材料,LFP/C以及商用LiFePO4LiCoO2、LiMn2O4作为止极分别制备全电池。对全电池正负极容量的匹配,以及对不同容量比、不同的首次不可逆容量和不同曲线形状下的电压的匹配,进行了系统的讨论和分析。我们发现,MIO/TEG作为负极的全电池中,LFP/C作为正极的电池具有很好的循环性能。此外,我们研究了电压过充后负极表面析锂的情况,发现析锉后对电池循环性能有较大的影响。